基于乘员伤害分析的颅脑精细建模与损伤机理研究

发布时间：2017-07-13 21:03

  本文关键词：基于乘员伤害分析的颅脑精细建模与损伤机理研究

  更多相关文章： 有限元模型 颅脑损伤 大脑沟回 损伤机理

【摘要】：创伤性颅脑损伤（TBI）是在交通事故中导致永久伤残乃至死亡的主要原因之一，造成了巨大的社会经济损失。据统计，在全球范围内平均每天约有3000人死于交通事故，并花费了大量的治疗费用。近年来，伴随着国内经济的高速发展，我国汽车总量和交通事故死亡人数已越居世界首位。仅2010年，国内由交通事故造成的死亡人数就高达65225，直接经济损失达900亿元人民币。尽管约束系统，如安全带、安全气囊，被广泛地应用到车辆中以避免乘员受到伤害，但是颅脑损伤仍然存在于车辆碰撞中。颅脑损伤不仅给人体健康造成危害，给家庭形成负担，对社会和经济也造成了极大的损失。在真实交通事故中存在骨折、脑出血、脑挫伤等许多形式的脑损伤，开展头部碰撞生物力学研究对颅脑损伤、优化安全系统提供了理论支持。 本论文首先采用成年男性的头部CT和MRI扫描数据，分别建立了有、无沟回的二维头部有限元模型，并且进行材料属性的定义。模型包括大脑、小脑、胼胝体、脑干、脑脊液和颅骨等结构，而且区分了大脑组织中的白质和灰质。通过两个模型的仿真对比研究，结果表明沟回对颅脑相对位移的影响较小。然而二维模型的材料参数偏高，为了更能说明沟回对颅脑响应的影响，在二维模型的基础上建立了有、无沟回的切片模型，仿真结果表明虽然大脑沟回对颅内压力的影响较小，但改变了应力的大小和应变的分布，从而建议在人体头部模型建模过程中需要考虑到沟回结构。 本文基于头部CT和MRI扫描数据，建立了一个三维头部有限元模型。模型包括了大脑沟回在内的人体头部必要的解剖学结构。三维头部有限元模型一共包含695，947个实体单元和128，043个壳单元，模型总质量约为4.6kg。根据相关文献，对材料属性进行了定义。 采用Nahum颅内压实验，Trosseille颅内动力学响应实验以及Hardy颅脑相对位移实验数据对三维颅脑有限元模型进行有效性验证。同时根据Yoganandan的实验数据对模型的侧面碰撞进行验证。结果表明所建立的三维头部有限元模型稳定性较好，可以进行颅脑损伤的研究。 采用三种不同的高度将三维头部模型跌落，以前额和颞叶两种不同的部位撞击泡沫和木质两种材料的地面上，从而对大脑响应进行对比分析。结果表明在撞击位置不变，地面材料相同时，颅内压力、大脑最大von Mises应力均随着跌落高度的增加而增大；在撞击位置不变，跌落高度相同时，颅内压力、大脑最大von Mises应力随着地面材料从泡沫改变到木板而增大；在跌落高度不变，地面材料相同时，撞击颞叶部位会造成更大的颅内响应，从而导致更严重的损伤。 综上所述，虽然二维头部有限元模型可以作为研究颅脑响应的一种方法，但是材料参数的偏高导致了其应用的局限性。而本文中切片模型的应用克服了这种问题，，能够更好地观察大脑局部的损伤，具有很好的研究利用价值。论文中所建立的三维头部有限元模型包括了复杂的大脑沟回结构，更精细地重现了人体头部结构，通过仿真对颅脑损伤研究提供了借鉴意义。
【关键词】：有限元模型 颅脑损伤 大脑沟回 损伤机理
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R651.15
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 第1章 绪论12-22
• 1.1 课题研究背景和意义12
• 1.2 头部损伤研究的主要内容和方法12-14
• 1.2.1 颅脑损伤生物力学研究的主要内容12-13
• 1.2.2 颅脑损伤生物力学的研究方法13-14
• 1.3 国内外颅脑损伤有限元模型的研究现状14-17
• 1.4 头部损伤类型以及主要损伤机理17-19
• 1.4.1 头部损伤类型17
• 1.4.2 颅脑损伤机理17-19
• 1.5 课题主要研究内容19-22
• 第2章 二维片层颅脑有限元模型的建立及损伤研究22-40
• 2.1 颅脑解剖学结构22-24
• 2.2 颅脑二维片层有限元模型的建立24-27
• 2.2.1 颅脑扫描数据获取24
• 2.2.2 颅脑二维几何模型重建24-25
• 2.2.3 颅脑二维有限元模型建立25-26
• 2.2.4 颅脑片层有限元模型建立26-27
• 2.2.5 材料属性定义27
• 2.3 基于二维模型研究沟回对颅脑相对位移的影响27-30
• 2.3.1 仿真方法28
• 2.3.2 仿真结果28-30
• 2.4 基于片层模型研究沟回对颅脑响应的影响30-38
• 2.4.1 仿真方法31-32
• 2.4.2 基于 Nahum 实验的模型仿真32-36
• 2.4.3 基于 Trosseille 实验的模型仿真36-37
• 2.4.4 单元大小对仿真结果的影响37-38
• 2.5 本章总结38-40
• 第3章 三维颅脑有限元模型的建立40-50
• 3.1 颅脑三维几何模型的建立40-43
• 3.1.1 颅骨几何模型重建40-41
• 3.1.2 脑组织几何模型重建41-43
• 3.2 颅脑三维有限元模型的建立43-47
• 3.2.1 脑组织有限元建模43-45
• 3.2.2 大脑镰、小脑幕、脑膜和脑脊液有限元建模45-46
• 3.2.3 颅骨头皮有限元模型46-47
• 3.3 颅脑材料属性定义47-48
• 3.4 本章总结48-50
• 第4章 三维颅脑有限元模型的验证50-66
• 4.1 基于 Nahum 实验数据的模型验证50-54
• 4.1.1 实验简述50-51
• 4.1.2 模型验证51-52
• 4.1.3 仿真结果与实验数据对比分析52-54
• 4.2 基于 Trosseille 实验数据的模型验证54-57
• 4.2.1 实验简述54-55
• 4.2.2 模型验证55-56
• 4.2.3 仿真结果与实验数据对比分析56-57
• 4.3 基于 Hardy 颅-脑相对位移实验数据验证57-63
• 4.3.1 实验简述57-59
• 4.3.2 模型验证59-60
• 4.3.3 仿真结果与实验数据对比分析60-63
• 4.4 基于 Yoganandan 头部侧面跌落实验数据验证63-65
• 4.4.1 实验简述63-64
• 4.4.2 模型验证64
• 4.4.3 仿真结果与实验数据对比分析64-65
• 4.5 本章总结65-66
• 第5章 基于不同跌落条件下大脑响应的对比分析66-72
• 5.1 研究背景66
• 5.2 仿真条件66-67
• 5.3 结果分析67-71
• 5.3.1 跌落高度对脑响应的影响67-69
• 5.3.2 地面材料对脑响应的影响69-70
• 5.3.3 撞击部位对脑响应的影响70-71
• 5.4 本章总结71-72
• 第6章 总结与展望72-74
• 参考文献74-82
• 作者简介及科研成果82-84
• 致谢84

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 王正国;交通事故伤研究近况[J];中华创伤杂志;1996年03期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 赵辉;颅脑减速伤的发生机制研究[D];第三军医大学;2009年

本文编号：538350