车辆碰撞事故中颅脑损伤建模与伤害评价研究

发布时间：2017-08-24 10:10

  本文关键词：车辆碰撞事故中颅脑损伤建模与伤害评价研究

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【摘要】：创伤性颅脑损伤（TBI）一直是被社会所关注的公共健康问题。头部又是人身体中最脆弱的部分，在交通事故中头部发生损伤的概率为54%，其致死率为68%。颅脑损伤不仅能够使家庭成员长期遭受认知、行为以及精神方面的障碍，而且给社会造成了庞大的经济负担。真实交通事故中，乘员头部会产生颅骨骨折、脑挫裂伤以及弥漫性脑损伤等多种伤害形式，这都是使用碰撞假人无法观察到的。因此，开展碰撞条件下的颅脑损伤生物力学响应以及损伤机理的研究，对于降低头部伤害的发生率、预测交通事故中头部损伤的概率具有重要意义。 本文基于某50百分位中国人男性志愿者的CT以及MRI扫描数据建立了具有主要人体头部解剖学结构的三维颅脑有限元模型。首先利用专业的医学三维重构软件Mimics对头部进行三维几何重建，接着运用ICEM以及Hypermesh软件对所建立的头部几何模型进行网格划分，得到最终的颅脑三维有限元模型。模型描述了脑膜、大脑、小脑、脑干、胼胝体、脑室、脑脊液、颅骨（松质骨和密质骨）、面骨、头皮、脑镰以及脑幕等主要人体头部解剖学结构，模型共包含94490个六面体单元，以及19949个壳单元，模型总质量约为4.5kg。颅脑有限元模型采用的材料属性主要参考已发表的相关文献。 基于国外经典尸体实验数据对有限元模型生物力学响应的稳定性和有效性进行验证。验证实验包括Nahum颅内压实验，Hardy颅-脑相对位移实验，Trosseille颅内动力学响应实验以及Yoganandan头部跌落实验。在LS-DYNA软件中，重现四个经典实验情况，分别将仿真结果与实验数据进行比较。结果表明，仿真分析结果与实验数据吻合较好，模型具有较好的有效性和生物逼真度。模型可用于头部接触力、颅内压力、头部加速度、脑组织应变等生物力学相关损伤的分析。 在模型验证的基础上，选取Nahum颅内压实验，Hardy颅-脑相对位移实验研究了三种不同颅-脑接触方式类型对头部响应的影响，结果表明颅内压力对颅-脑接触方式非常敏感，而颅-脑相对位移量几乎不受颅-脑接触方式的影响。 最后运用该头部有限元模型进行头部与不同倾斜角度泡沫缓冲垫片的碰撞和头部与B柱不同速度的碰撞的仿真，研究头部不同碰撞运动形式（头部平移运动以及旋转运动）生物力学响应以及损伤机理。根据仿真结果，通过分析头部的HIC值以及与损伤生物力学相关的物理参数对头部损伤做出具体的评价。结果表明，，头部的不同碰撞运动形式会导致不同的颅脑损伤，HIC在预测脑损伤或者特定的损伤能力具有一定的局限性，且头部碰撞接触力，颅内压力以及脑组织的应力应变等与损伤相关的物理参数，能够更全面有效的反映颅脑损伤情况。
【关键词】：车辆碰撞 头部损伤 有限元 损伤评价
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：R651.15
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 绪论11-21
• 1.1 课题研究背景和意义11-12
• 1.2 颅脑交通损伤碰撞生物力学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
• 1.2.2 颅脑损伤生物力学研究的主要方法12-14
• 1.3 颅脑损伤有限元模型的研究现状14-16
• 1.4 颅脑主要损伤机理以及损伤评价指标16-19
• 1.4.1 颅脑损伤机理16-18
• 1.4.2 颅脑损伤评价指标18-19
• 1.5 课题主要研究内容19-21
• 第2章 颅脑有限元模型的建立21-35
• 2.1 颅脑主要解剖学结构21-23
• 2.2 颅脑三维几何模型重建23-25
• 2.2.1 头部扫描数据获取23-24
• 2.2.2 颅骨三维几何模型重建24
• 2.2.3 头部软组织三维几何模型重建24-25
• 2.3 颅脑三维有限元模型的建立25-32
• 2.3.1 单元的选择25-26
• 2.3.2 脑组织有限元建模过程26-29
• 2.3.3 脑脊液、脑颅、面颅和头皮有限元建模过程29-32
• 2.4 颅脑材料属性定义32
• 2.5 本章总结32-35
• 第3章 颅脑有限元模型的验证35-55
• 3.1 基于 Nahum 颅内压实验数据验证35-39
• 3.1.1 实验概述35-36
• 3.1.2 模型验证36-37
• 3.1.3 仿真结果与实验数据对比分析37-39
• 3.2 基于 Trosseille 颅内动力学响应实验数据验证39-42
• 3.2.1 实验概述39-40
• 3.2.2 模型验证40-41
• 3.2.3 仿真结果与实验数据对比分析41-42
• 3.3 基于 Hardy 颅-脑相对位移实验数据验证42-48
• 3.3.1 实验概述42-45
• 3.3.2 模型验证45-46
• 3.3.3 仿真结果与实验数据对比分析46-48
• 3.4 基于 Yoganandan 头部侧面跌落实验数据验证48-51
• 3.4.1 实验概述49-50
• 3.4.2 模型验证50
• 3.4.3 仿真结果与实验数据对比分析50-51
• 3.5 颅脑有限元模型颅-脑接触面方式的研究51-54
• 3.5.1 基于颅内压实验不同颅-脑接触方式仿真结果52-53
• 3.5.2 基于颅-脑相对位移实验不同颅-脑接触方式仿真结果53
• 3.5.3 不同颅-脑接触方式仿真结果总结与讨论53-54
• 3.6 本章总结54-55
• 第4章 颅脑有限元模型的应用分析55-65
• 4.1 头部损伤的生物力学评价指标55-56
• 4.2 头部与不同角度泡沫缓冲垫片碰撞仿真56-59
• 4.2.1 泡沫缓冲垫片有限元模型56
• 4.2.2 头部-泡沫垫片碰撞仿真边界设定56-57
• 4.2.3 头部-泡沫垫片碰撞仿真结果分析57-59
• 4.3 头部与 B 柱不同速度的碰撞仿真59-64
• 4.3.1 B 柱有限元模型59-60
• 4.3.2 头部-B 柱碰撞仿真边界设定60
• 4.3.3 头部-B 柱碰撞仿真结果分析60-64
• 4.4 本章总结64-65
• 第5章 总结与展望65-67
• 参考文献67-73
• 作者简介以及科研成果73-75
• 致谢75

【参考文献】

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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：730676