下颌骨火器伤有限元仿真及生物力学机制的初步研究

发布时间：2020-07-20 12:58

【摘要】： 颌面部是人体的暴露部位,战时防护薄弱,平时是暴力、自伤的重点部位,在全身各部位的火器伤中,颌面部火器伤占有较大比例。无论平战时,颌面部火器伤创伤弹道学研究都是全身创伤弹道学研究中的重点问题之一。由于动物模型无法直观动态地观察到模型内部的致伤过程,加上颌面部解剖结构精细、组织器官生物力学性质相差大,无法采用人工材料进行模拟,所以颌面部火器伤的研究中,尚无可以用于致伤过程中生物力学机制研究的模型,这也是目前相关研究的瓶颈之一。有限元法又称有限元素法(Finite Element Method,FEM)或有限元分析法(Finite Element Analysis,FEA),是20世纪50年代末60年代初兴起的应用数学、现代力学及计算机科学相互渗透、综合利用的边缘科学。有限元法的原理是把整个结构看作由有限个细小单元相互连接而成的几何实体,每个单元的力学特征的总装效果反映出结构的整体力学特性,是解决复杂工程学问题的必备工具之一,目前已广泛应用于生物力学研究中。火器伤致伤机理是投射物与机体二者相互作用的物理、病理和解剖的复杂变化过程,其实质是投射物与机体组织之间的生物力学作用及效应。有限元法能够分析物体间及物体内部的复杂力学过程,预测力学作用的效应(如模型的形状、温度等改变),并且可以在电脑上直观显示或输出量化的计算结果以供分析,具有可重复性好、节约实验成本、实验条件容易控制等优点,可弥补目前火器伤模型在致伤过程生物力学机制研究中的不足。因此,将有限元方法运用于颌面部火器伤研究中,有助于颌面部火器伤致伤机理的深入研究,能为颌面部火器伤诊断、救治、防护及投射物致伤效应评估提供新的工具和思路。针对目前颌面部火器伤研究中动物、尸体及人工材料模型在致伤生物力学机制研究中的不足,本研究建立了猪下颌骨火器伤三维有限元模型,通过动物实验验证所采用有限元方法的合理性;用有限元方法仿真不同力学载荷、边界条件下投射物侵彻猪下颌骨的过程,对下颌骨火器伤的生物力学机制进行了初步探讨。研究方法和结果: 1.将猪下颌骨计算机X射线断层扫描(computed tomography,CT)数据导入MIMICS软件,经过三维图像重建、实体模型重建后得到猪下颌骨面网格模型;将猪下颌骨面网格模型导入ANSA软件,采用六面体网格与四面体网格结合的方式建立猪下颌骨火器伤三维有限元模型。建立的猪下颌骨三维有限元模型的单元数为674863,节点数为261997,所有单元均为实体单元。结果表明:该模型网格划分合理,单元质量好,与真实标本的几何外形相似程度高,细节损失小;采用四面体单元与六面体单元结合方式建立猪下颌骨三维有限元模型,降低了建模成本,同时兼顾了计算效率和计算精度,能够满足下颌骨火器伤生物力学机制研究的需要。 2.通过改良猪下颌骨火器伤动物实验模型,用不同射速、不同形状投射物致伤猪下颌骨标本的下颌角部位,测量各种致伤参数及致伤过程中猪下颌骨的生物力学参数,为分析下颌骨火器伤生物力学机制和验证有限元模型提供可靠的数据。结果表明:实验方法合理,重复性好,测量到的数据具有代表性。 3.通过选择适合的材料模型、生物力学参数及接触算法,加载与动物实验相似的力学载荷和边界条件,用所建立的猪下颌骨火器伤三维有限元模型在LS-DYNA软件中进行仿真计算;通过比较有限元仿真结果与动物实验中的实测数据,验证所采用的有限元方法的合理性。结果表明,本研究所采用的有限元方法合理、可靠,对下颌骨火器伤生物力学作用机制及其效应有较好的预测能力,能满足深入研究下颌骨火器伤生物力学机制的要求。 4.利用经过验证的有限元模型及仿真方法,加载不同力学载荷、边界条件,进行了不同形状、不同速度投射物侵彻猪下颌骨过程的有限元仿真;从不同角度观察并分析投射物侵彻猪下颌骨的有限元仿真结果,结合本研究动物实验结果及既往文献资料,对下颌骨火器伤的生物力学机制进行了初步探讨。结果表明:骨组织损伤除了与投射物的物理特性(飞行速度、飞行状态、形状及质量等)有关,还和投射物与骨组织间、骨组织与骨组织间的生物力学作用有关,后两者是导致入口及出口损伤范围差异的主要原因;下颌骨损伤的严重程度与骨组织应变率相关;所采用的有限元方法能合理解释投射物侵彻下颌骨过程中部分生物力学机制。 5.本研究采用无网格法与有限元法联合建立猪下颌软硬组织复合体模型并进行相关仿真,初步探讨有无网格法仿真肌肉组织火器伤,部分仿真结果与致伤条件相似的动物实验结果接近,说明无网格法在肌肉组织火器伤仿真中有较好的应用前景。结论: 1.成功建立了猪下颌骨火器伤三维有限元模型,验证了所建模型及所采用的有限元分析方法的合理性和可靠性。明确了在研究火器伤生物力学机制方面,有限元方法可以弥补目前火器伤研究模型的不足。 2.投射物侵彻下颌骨过程中,骨组织损伤除了与投射物的物理特性有关,还和投射物与骨组织间、骨组织与骨组织间的生物力学作用有关,后两者是导致入口及出口损伤范围差异的主要原因。 3.投射物侵彻下颌骨过程中,应变率的大小及持续时间可以作为判断和评价骨组织损伤严重程度的标准之一,也可以作为有限元仿真过程中预测骨组织损伤的指标。 4.投射物侵彻下颌角过程中,下颌骨损伤主要集中在弹孔周围及弹孔至下颌骨下缘间区域,单纯的下颌角火器伤伴发其他部位下颌骨骨折的可能性较小。 5.下颌角部火器伤伴发颅脑损伤时,骨应力传导不是导致颅脑损伤的主要因素。 6.无网格法在肌肉组织火器伤仿真中有较好的应用前景。
【学位授予单位】：第三军医大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：R782
【图文】：

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图 1-1 MIMICS 软件中导入猪头 CT 数据3. 猪下颌骨图像分割及三维模型重建用 MIMICS 自带的阈值选择功能(Threshoding)，采用软件预设的骨阈值(226-3071选择拟重建的骨性区域(包括骨松质及骨皮质)，即可形成以骨组织为主的蒙板(Mask)然后利用蒙板编辑功能(Edit Masks)中的擦除工具(Erase)，将与下颌骨无关的其他骨性部分(如上颌骨、舌骨、茎突等)全部擦除，利用软件的区域增长功能(Region growing生成只含有下颌骨数据的蒙板。采用软件预设的骨松质阈值(148-661)，用同样的方法从新生成的下颌骨蒙板中将下颌骨骨松质分离出来形成新的蒙板(为简化模型我们仅勾划出左侧下颌角区域骨松质)。在软件界面中，下颌骨骨皮质(含牙齿)、下颌骨骨松质各层蒙板以不同颜色显示。由于少量骨松质阈值低于预设阈值，因此在骨松质蒙板中可能存在一些散在的细小间隙，可以通过蒙板编辑功能(Edit Masks)中的描绘工具(Draw)进行手工填充。最后采用 MIMICS 的三维重建功能(Calculate 3D)对分离出来下颌骨及骨松质蒙板分别进行三维重建，即得到下颌骨及骨松质三维重建模型，图 1-

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图 1-2 MIMICS 软件中重建的猪下颌骨三维模型四、建立猪下颌骨三维有限元模型利用 MIMICS 获得的猪下颌骨三维模型并不能直接用于有限元网格划分，还需要将其重建为实体模型，才可以进行有限元网格划分。因此，我们利用 MIMICS 将重建的猪下颌骨三维模型进行表面轮廓拟合，以面网格(surface mesh)格式输出，在 ANSA软件中根据研究需要和不同解剖结构创建三维实体模型，然后再进行有限元体网格划分。1. 获得下颌骨三维模型的面网格模型利用 MIMICS 的面网格划分功能(Remesh)将重建的下颌骨骨皮质、下颌骨骨松质的三维模型分别进行三角形面网格划分，然后用面网格划分功能中的平滑工具(Smoothing)对面网格模型进行平滑处理。选择参数为：平滑参数(Smooth Factor)0.5，

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图 1-3 MIMICS 软件中建立的猪下颌骨面网格模型2. 体网格划分将猪下颌骨面网格模型导入(Input)有限元前处理软件 ANSA。用半自动结合手动方式来修正重建的面：删除重复面、多余的边和点，使剩余的面形成一个闭合结构，然后由这些封闭的面重生成体(solid)。在拟进行投射物侵彻仿真的下颌角中央位置划分出 3×2.5cm 大小范围的区域(含下颌骨骨皮质、骨松质)通过手工方式进行 8 节点六面体单元划分，为避免模型重要解剖形态(如下颌管等)失真和产生畸形单元，该区域的下颌骨采用分层及分块手工划分、减小单元尺寸的策略以达到最佳外形逼近。划分后，通过自编程实现六面体单元节点编号，使各六面体单元的 8 个节点都有独立的节点编号，相邻单元通过共节点(coincident nodes)方式连接。模型其余部分采用 ANSA软件自动划分 4 节点四面体单元，四面体单元及六面体单元之间采用少量楔形单元及金字塔单元填充。为简化模型，我们将牙体组织包含在下颌骨模型中，并假定其生物

【参考文献】