猪颌面部复合组织高速破片伤致伤机理的有限元研究

发布时间：2020-08-27 17:52

【摘要】：破片伤是指爆炸性武器在爆炸时产生的投射物击中机体后产生挤压、撕裂、震荡以及瞬时空腔效应等对机体结构和功能造成的损伤。随着现代战争模式的改变,由爆炸性武器产生的高速破片已经成为造成参战人员和战区平民伤亡的最主要因素。以往研究高速破片创伤弹道学特点的方法主要依赖于采用生物组织模拟靶材料和在实验动物体内布置测量仪器等,其局限性在于实验成本较高、测量位点及方向有限、数据采集困难以及动物伦理学争议,大大限制了对高速破片致伤机制的深入研究。本实验基于一种新型的动力加载平台,采用形态优化的标准化破片对实验猪下颌部致伤,利用有限元数字模拟技术对猪下颌复合组织高速破片伤进行动态仿真,模拟不同致伤条件下其动态损伤过程,并将数值模拟结果与动物实验实测数据进行对比分析,以建立科学性、可靠性、经济性俱佳的标准化颌面部高速破片伤有限元模型。本研究将应用有限元分析的方法,建立具备高速破片的致伤因素的颌骨高速破片伤的数字化模型并进行动态模拟,研究其生物力学特征,使其更接近于真实致伤情况,有利于更准确的分析致伤机制和伤情特点,为高速破片伤的模拟实验进一步提供计算机模拟模型。实验方法:实验首先利用CT三维扫描技术对新鲜离体猪头进行扫描,获取新鲜离体猪头的原始影像学数据,再将数据在医学图像控制软件MIMICS中进行编辑,精确选取实验所需区域,对该区域进行优化处理并进行三维重建。随后在有限元前处理软件中对三维几何模型进行有限元前处理,对模型进行实体化并划分网格,形成了猪头部实体化模型。运用二级轻气炮加载圆柱状破片对新鲜离体猪头进行毁伤,通过控制加载装置设定不同速度的破片进行实验,并测量碰撞时下颌角区加速度与髁突部应变等生物力学数据。以相同的致伤条件在有限元软件中对毁伤过程进行模拟,采集生物力学数据并与毁伤实验所得数据进行对比验证。实验结果:实验一:本实验首先通过薄层CT对新鲜离体猪头进行扫描,利用MIMICS软件将猪头部CT数据中的猪下颌复合组织分离出来并进行了三维重建,生成了猪下颌复合组织三维模型,该模型尺寸与实物标本接近,解剖结构清晰,模型外形光滑,无严重畸变,细节保存完好。实验二:高速度破片击中新鲜离体猪头下颌后可见破片均未穿透猪头,在软组织表面形成近似圆形伤道,直径大于圆柱状破片直径,伤道大致呈圆柱状,伤口周围可见烧伤样改变。位于下颌角区的加速度测试仪未发生松动、脱落。位于下颌升支应变片粘贴牢固,无松动,导线完整性良好,无折断、损坏。三维重建下颌骨后显示骨损伤均呈入口小出口大,无论入口与出口外形均为不规则形态,破片残留于对侧颌骨骨组织内。实验三:通过有限元动态仿真高速破片击中猪下颌复合组织过程,碰撞过程与毁伤实验相似,对比实验与模拟骨损伤面积,无论伤道入口还是出口实验损伤面积均较模拟较大。对比加速度波形图可知,在入射方向上加速度峰值实验与仿真仍有一定差距,但是波形以及趋势拟合度较好,都为碰撞起始时短时间内产生巨大加速度,沿入射方向来回波动并逐渐衰减。实验结论:1、通过薄层CT对动物标本进行扫描利用医学影像软件直接进行三维重建并实体化所得到的模型外形逼真、结构清晰,同时提高了建模速度与建模精确性。2、通过二级轻气炮加载破片对新鲜离体猪头进行毁伤,准确测得各项生物力学数据,准确性较高,可为颌面部高速破片伤有限元模型的建立打下坚实基础。3、本研究在建模时将软组织材料与骨组织相复合,实现了高速破片毁伤生物体动态过程的仿真,且符合性较好、真实性较高。
【学位授予单位】：中国人民解放军空军军医大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R782
【图文】：

图 1 修整后有限元模型验计算模型分为 5 部分，划分为 542483 个单元、共有 176635 个有 5 部分，分别是猪下颌骨有限元模型如图 2、左颊侧软组织有限颊侧软组织有限元模型如图 4、左舌侧软组织有限元模型如图 5、元模型如图 6。破片长径比为 5.5mm，划分为 1155 个四面体单元如图 7 所示。所有有限元单元均为实体单元，有限元模型整体网准确，几何外形较为逼真，整体模型十分理想，为有限元分析与实的基础。

图 1 修整后有限元模型本实验计算模型分为 5 部分，划分为 542483 个单元、共有 176635 个节点。其中猪下颌有 5 部分，分别是猪下颌骨有限元模型如图 2、左颊侧软组织有限元模型如图 3、右颊侧软组织有限元模型如图 4、左舌侧软组织有限元模型如图 5、右舌侧软组织有限元模型如图 6。破片长径比为 5.5mm，划分为 1155 个四面体单元，共有 1440个节点，如图 7 所示。所有有限元单元均为实体单元，有限元模型整体网格划分较为清晰、准确，几何外形较为逼真，整体模型十分理想，为有限元分析与计算打下了较为坚实的基础。

图 1 修整后有限元模型本实验计算模型分为 5 部分，划分为 542483 个单元、共有 176635 个节点。其中猪下颌有 5 部分，分别是猪下颌骨有限元模型如图 2、左颊侧软组织有限元模型如图 3、右颊侧软组织有限元模型如图 4、左舌侧软组织有限元模型如图 5、右舌侧软组织有限元模型如图 6。破片长径比为 5.5mm，划分为 1155 个四面体单元，共有 1440个节点，如图 7 所示。所有有限元单元均为实体单元，有限元模型整体网格划分较为清晰、准确，几何外形较为逼真，整体模型十分理想，为有限元分析与计算打下了较为坚实的基础。

【参考文献】

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本文编号：2806423