三岁儿童颈部有限元模型开发与验证

发布时间：2017-08-08 21:10

  本文关键词：三岁儿童颈部有限元模型开发与验证

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【摘要】：人体颈椎是人体脊柱最易受损伤的部位。儿童颈部与成人颈部在解剖学、形态学方面存在较大差异，儿童颈部骨骼更纤细，韧带更松弛，小关节面更水平。这些差异也将导致儿童颈部相对成人更容易受到损伤。颈部作为连接头部的重要解剖学结构，其动力学响应直接头部响应。因此儿童颈部生物力学研究对儿童颈部损伤防护及头颈部损伤机理研究都至关重要。 本文基于某发育正常且无颈部损伤的3岁男童颈部CT扫描图片，利用Mimics和Geomagic软件对颈椎骨骼点云数据进行处理，重建其三维几何模型，利用Hypermesh软件对骨骼几何模型离散化，获得椎骨有限元网格，，再参考人体解剖学图谱，利用Hypermesh软件建立椎间盘、软骨和韧带等软组织的有限元模型。其中，基于成人颈部各组织的材料力学实验数据和缩放方法，获得本模型各组织的材料属性输入参数。本文还提出并推导了儿童颈部韧带力学特性曲线的缩放方法。 针对建立的3岁儿童颈部有限元模型，基于Luck儿童颈椎段准静态、动态拉伸实验，Nightingale成人颈椎段准静态弯曲-伸展实验、Yoganandan颈椎段准静态侧向弯曲和轴向旋转实验并参考Irwin颈部响应缩放方法，对C2-C3、C3-C4、C4-C5、C5-C6和C6-C7颈椎段模型进行了相应载荷条件下的验证；基于Luck提出的儿童全颈椎0.1N·m弯曲-伸展载荷下的运动范围、Ouyang进行的2.5岁和3岁儿童全颈椎动态拉伸实验及弯曲-伸展实验，对本文开发的3岁儿童颈部模型进行了相应载荷下的全颈椎验证。验证结果表明：C4-C5颈椎段模型的准静态、动态拉伸刚度，动态拉伸失效位移、失效力均与实验值温和良好，各颈椎段的准静态弯曲-伸展、侧向弯曲及轴向旋转响应基本处在基准相应数据或实验通道曲线范围内，即颈椎段模型具有较高生物逼真度；虽然本模型全颈椎动态拉伸失效力-位移曲线与实验曲线形状相似，但动态拉伸失效位移、失效力均小于实验值，全颈椎准静态弯曲-伸展运动范围与实验值相差较大，本模型全颈椎生物逼真度仍有待提高。
【关键词】：儿童颈部 颈部损伤 有限元模型 缩放方法 生物逼真度 验证
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：R726.8
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-15
• 1.1 课题的研究背景及意义10-11
• 1.2 儿童颈部有限元模型研究现状11-13
• 1.3 本文研究目的及主要工作13-14
• 1.4 本章小结14-15
• 第2章 颈部解剖结构及其损伤机理15-29
• 2.1 人体颈部解剖学结构15-19
• 2.1.1 颈椎椎骨15-16
• 2.1.2 颈椎椎间盘16-17
• 2.1.3 颈椎韧带17-18
• 2.1.4 颈椎关节18-19
• 2.2 发育中的颈椎及解剖学19-23
• 2.2.1 颈部总体发育20
• 2.2.2 椎骨的骨化过程20-22
• 2.2.3 韧带及椎间盘的发育22-23
• 2.2.4 椎骨形态学变化23
• 2.3 颈部损伤研究方法23-24
• 2.4 颈部损伤流行病学及损伤分类24-28
• 2.5 颈部损伤准则28
• 2.6 本章小结28-29
• 第3章 三岁儿童颈椎几何模型重构29-42
• 3.1 颈椎几何模型建立方法29-30
• 3.2 样本选取30-31
• 3.3 三岁儿童颈椎 CT 扫描31
• 3.4 三岁儿童颈椎断层图像分割31-35
• 3.5 三岁儿童颈椎三维重建35-41
• 3.6 本章小结41-42
• 第4章 三岁儿童颈椎有限元模型开发42-57
• 4.1 人体颈部有限元模型概述42-43
• 4.2 网格划分43-47
• 4.2.1 单元类型、尺寸控制参数43-44
• 4.2.2 颈椎骨骼网格划分44-45
• 4.2.3 椎间盘网格划分45-46
• 4.2.4 韧带网格划分46-47
• 4.2.5 全颈椎网格47
• 4.3 颈部模型材料参数47-56
• 4.3.1 骨骼材料参数47-49
• 4.3.2 椎间盘材料参数49-51
• 4.3.3 软骨材料参数51
• 4.3.4 韧带材料参数51-56
• 4.4 本章小结56-57
• 第5章 三岁儿童颈部有限元模型的验证57-75
• 5.1 颈椎段模型验证57-70
• 5.1.1 C4-C5 颈椎段模型验证57-59
• 5.1.2 C4-C5 颈椎段模型仿真结果及分析59-64
• 5.1.3 其他颈椎段模型验证64-70
• 5.2 全颈椎模型验证70-74
• 5.2.1 准静态弯曲-伸展验证71-72
• 5.2.2 动态拉伸失效验证72-74
• 5.3 本章小结74-75
• 总结与展望75-77
• 参考文献77-82
• 附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录82-83
• 致谢83

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 曹立波;高海涛;冒浩杰;杨金海;;三岁儿童头部有限元模型的建立及验证[J];汽车工程;2013年01期

本文编号：642046