颌面撞击伤对颅底损伤的生物力学动态仿真研究

发布时间：2017-08-28 16:38

  本文关键词：颌面撞击伤对颅底损伤的生物力学动态仿真研究

  更多相关文章： 颌骨 撞击伤 颅底 有限元 仿真模拟

【摘要】：颌面部处于人体暴露部位,易遭受外界撞击,解剖结构上颌面部紧邻颅脑,遭受撞击时极易伴发颅脑损伤。近年来,随着我国经济建设和社会的快速发展及汽车的普及,交通事故导致的伴发颅脑损伤的颌面部损伤高发。如何提高伴发颅脑损伤的颌面撞击伤(Maxillofacial impact injury,MII)的救治成功率成为颌面外科医生需要解决的难题。因此,了解颌面部撞击伤对颅脑损伤的规律及特点是解决难题的关键。有限元法(Finite Element Method,FEM)因其可重复性好,可替代很多动物实验,因此广泛应用于工程和生物力学领域。我们前期也采用有限元方法成功模拟了猪下颌骨枪弹伤和爆炸伤的动态仿真过程,并在动物实验上得以验证。充分证明有限元法在生物力学方面进行仿真模拟的可行性。本研究主要通过建立颅颌面部骨组织三维有限元模型,利用Hypermesh、LSDYNA等有限元分析仿真软件,对颌面撞击伤进行动态仿真,模拟面部遭受撞击后颅底应力传导和分布,采集仿真结果数据进行分析,探寻面部不同部位撞击伤对颅底损伤的规律。尝试3D打印颅骨进行颌面部生物力学实验验证,从而探索用3D打印模型进行有限元生物力学分析验证的可靠性。方法:颌面部撞击伤仿真模拟:将采集的志愿者颅颌面计算机断层扫描(computed tomography,CT)扫描获取的医学数字图像和通讯(digital imaging and communications in medicine,DICOM)数据导入Mimics15.0软件三维重建,在Hypermesh软件中进行体网格划分,完成颅颌面三维有限元模型的建立,最后在LS-DYNA软件中设置撞击工况和各项参数,并计算撞击的致伤过程。获取相应数据进行分析。实验验证有限元方法的探索:利用3D打印的面中部颅骨,枕部固定,选取额部正中和双侧眶下缘为受力点,对颅骨施加恒定大小的外力,利用应力应变感应片测得颅底标志点应变大小。选取人面中部骨组织三维有限元模型在ANSYS WORKBENCH中进行面部受力稳态模拟,载荷大小与实验大小一致。采集颅底各标志点应变大小。将模拟数据与实验数据进行对比。结果:1、成功建立了与志愿者颅颌面骨外形高度一致的三维有限元模型,该模型网格数量为72962。2、对颌面部右侧上颌骨、左侧眶下缘、左侧颧骨体三个部位进行撞击伤的动态仿真,撞击物为底面直径3cm,质量5kg的刚性圆柱体,撞击速度8.6m/s。撞击右侧上颌骨时右侧上颌骨、颧骨出现明显骨折和骨折块的移位,眶下缘和颧骨体遭受撞击时为局部粉碎性骨折。3、通过有限元分析和计算,获取三个撞击部位遭受撞击时颅颌面应力云图,颅底各标记点应力-时间变化曲线;同一时刻颅底各标记点应力大小对比,以及颅底各标记点在撞击过程中达到最大应力值所需时间的对比。4、利用3D打印颅骨进行面部加载荷试验,测量颅底各标记点应变值大小,与ANSYS WORKBENCH中施加相同载荷时稳态模拟获取的颅底各标记点应变值大小的对比。5、WORKBENCH稳态模拟与加载实验测得颅底标记点应变大小数值的对比分析,显示软件模拟数据与加载实验数据基本一致。结论:1、应用CT扫描数据和Mimics软件重建人颅颌面骨的三维模型,从几何外形和力学特性来说,其相似程度均较高,且技术比较成熟,应用前景广泛。2、HYPERMESH、LS-DYNA等有限元应用软件能仿真模拟颌面部遭受撞击后的动态过程,骨折线的分布情况和骨折块的移位情况与教材典型损伤情形基本一致。3、颌面部撞击伤的模拟能显示出颅底应力传导与分布情况,通过数据分析,能发现面部不同部位遭受撞击后颅底典型的应力集中区域,为颌面部撞击伤的防护提供理论依据。4、3D打印的颅颌骨模型载荷试验与有限元ANSYS稳态模拟结果基本一致。
【关键词】：颌骨 撞击伤 颅底 有限元 仿真模拟
【学位授予单位】：第三军医大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R782.4;R318.01
【目录】：

• 缩略语表4-5
• Abstract5-8
• 摘要8-10
• 第一章 前言10-11
• 第二章 颅颌面骨三维有限元模型的建立11-20
• 2.1 材料与方法11-17
• 2.2 结果17-18
• 2.3 讨论18-19
• 2.4 小结19-20
• 第三章 颅颌面骨撞击伤三维有限元动态仿真模拟的实验研究20-32
• 3.1 材料与方法20-21
• 3.2 结果21-30
• 3.3 讨论30-32
• 第四章 3D打印颅骨验证颅颌骨有限元力学分析的初步尝试32-41
• 4.1 材料与方法32-36
• 4.2 结果36-39
• 4.3 讨论39-41
• 全文小结41-43
• 参考文献43-47
• 文献综述 颌面部撞击伤对颅脑影响的研究现状47-52
• 参考文献50-52
• 攻读学位期间的研究成果52-53
• 致谢53

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本文编号：748515