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面部碰撞对行人创伤性脑损伤影响的生物力学研究
为预测和评判行人面部碰撞对创伤性脑损伤机理及生物力学响应,结合计算机断层扫描(CT)和磁共振(MRI)医学成像技术,建立符合中国人体特征的50百分位头颈部几何模型和有限元模型.有限元模型中颅骨与脑之间的相对运动采用切向滑动边界条件,摩擦系数定义为0.2,模拟鼻骨斜碰撞、鼻外侧软骨正面碰撞、牙齿正面碰撞、下颌骨碰撞和颧骨外侧斜碰撞等5种典型面部碰撞交通事故场景,探讨应力波在颅骨和脑内传播路径,得到颅内压力、von Mises等效应力和剪切应力等生物力学响应参数分布规律.结果显示,鼻骨斜碰撞颅内压力峰值为236.7 kPa,von Mises应力为25.97 kPa,超过了大脑耐受阈值;颧骨外侧斜碰撞大横向剪切应力分别为14.56 kPa和-18.07 kPa,促使脑组织产生了较大的剪切变形,存在严重脑损伤风险.结论表明:面部碰撞的位置和方向是导致面部骨折严重程度的关键因素,面骨骨折的位置决定创伤性脑损伤的部位,面骨骨折都带有一定程度的创伤性脑损伤;头部受到冲击时,面部结构能够吸收大量的冲击能量来保护大脑,降低颅脑损伤的风险.
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皮质骨试样制备及其材料参数识别方法研究
有限元方法已经成为损伤生物力学研究的重要手段,准确的皮质骨材料本构参数对研究人体冲击损伤和人工骨骼等医学问题具有重要意义.基于长骨皮质骨的生理结构,提出批量制备高精度规则试样的加工方法,并开展准静态三点弯曲试验;采用基于梁理论和基于特定样本有限元模型优化反求两种方法,研究皮质骨材料的各向异性和区域差异,并通过线性回归分析建立两种识别方法所得材料参数的回归模型.制备横向和轴向试样各16个,所提出的试样制备方法能够保证试样间的尺寸偏差不超过4％,基于梁理论方法求得的新鲜牛股骨皮质骨轴向和横向试样的杨氏模量分别为(21.70±:3.33) GPa和(14.47 ±2.10) GPa,极限应力分别为(249.21±:38.83) MPa和(106.81±21.05) MPa,极限应变分别为1.95％ ±0.35％和1.06％ ±0.20％,与文献结果吻合.对利用优化方法和梁理论方法求得的杨氏模量、屈服应力和有效塑性应变进行线性回归分析,回归模型拟合精度分别为96.4％、98.7％和89.3％ (P ＜0.05).研究结果表明,所提出的试样制备方法能够高效地加工尺寸精度较高的规则试样,并良好地保持试样的生物力学特性.在皮质骨准静态三点弯曲试验中,基于特定样本有限元模型的材料参数反求方法能够识别更准确的材料本构参数,而基于梁理论识别参数的回归模型则能够快速准确地预测皮质骨的弹性模量、屈服应力和有效塑性应变.
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人体胸腰椎体几何学测量及生物力学特性实验研究
研究水下爆炸产生的舰船冲击载荷导致舰船人员脊柱损伤的生物力学特性.分别从10具健康成年男性尸体上截取完整的胸腰椎,然后剔除不需要的软组织,并从胸、腰椎上仔细分离出各个自由椎体,对每个椎体上下两个端面处理后进行静态和动态压缩试验研究.从胸椎T1至腰椎L5,随着椎体在脊柱位置上的下降,椎体的横截面积和体积逐渐增加,每个椎体所承受的动态和静态压缩破坏载荷也逐渐增加.计算动态应力强度与静态应力强度的比值,胸椎平均为1.51,腰椎平均为1.46.胸腰椎体面积和体积与其所本身所能承受的载荷变化趋势与人体承载能力的规律相一致,它反映了舰船冲击载荷造成船员胸腰椎损伤的机制及其损伤特性.
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儿童头部有限元模型研究进展
头部损伤是导致儿童死亡与伤残的重要原因,对儿童头部损伤生物力学的深入研究意义重大.近年来,通过构建真实的儿童头部有限元模型来研究儿童头部损伤的方法日益成熟,逐步代替了尸体实验、动物实验以及物理实验.对儿童头部有限元模型的年龄特点、构建方法、模型应用以及发展趋势等进行较为全面的综述,并对该领域还有待研究的内容以及未来的发展方向做出展望.
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儿童损伤生物力学实验研究综述:结构响应测试
在儿童安全的研究中,由于受到伦理道德等方面的限制,无法开展有效的儿童结构响应实验了解其损伤机理、确定损伤容忍限度,导致现有儿童假人的开发和相应损伤容忍限度的建立都是通过缩放成人结构响应实验数据而得到的.然而,缩放方法的准确性目前仍未得到证实.同样,儿童结构响应数据的缺乏,使得儿童数学模型的验证存在很大的困难.为此,详细回顾与分析现有文献中儿童头部、颈椎、胸腹部、骨盆与四肢结构响应实验方法与数据.此外,还回顾儿童尸体台车试验及志愿者台车试验.后,对未来急需开展的儿童各部位结构响应实验提出建议.
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颅脑创伤有限元模型的建立及验证
建立基于人体解剖学结构的HBM(Human body model)头部三维有限元模型.详细描述了人体头部的主要解剖学结构,模型由头皮、颅骨、硬脑膜、脑脊液、软脑膜、大脑、小脑、脑室、脑干、脑镰和脑幕等组成.采用人体头部碰撞实验数据,比较了实验与仿真中头部的动力学响应和颅内压力分布参数,对头部有限元模型进行了验证.结果表明,该模型具有较好的生物逼真度,可以用来分析车辆交通事故中颅脑创伤和损伤机制.
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基于有限元仿真和遗传神经网络的轿车-行人事故重构
目的 为充分利用轿车-行人碰撞中行人损伤信息对事故过程进行重构,提出采用有限元仿真和遗传神经网络逆向推导轿车-行人事故中碰撞参数的新方法.方法 利用Hyperworks和LS-DYNA软件进行不同碰撞速度(25、40、55 km/h)和接触角度(背面、左侧、正面、右侧)的碰撞仿真,获取行人头部伤害指标(head injury criterion,HIC)和胸壁大运动速度.根据损伤生物力学判据分析行人头部及胸部的损伤程度,并以行人头部和胸部损伤程度以及位置信息作为预测变量,采用遗传神经网络求取碰撞参数的预测值.后利用两起具有确切碰撞参数的轿车-行人视频案例对该方法进行验证.结果 两起视频案例中轿车碰撞行人速度分别为54、49 km/h,行人接触轿车角度均为180°.根据行人损伤信息得到轿车碰撞行人速度的预测值分别为51、43 km/h,行人接触轿车角度的预测值分别为184°和169°,两起事故重构准确度分别为0.94和0.88.结论 利用行人损伤信息可以准确有效地对轿车-行人事故中的碰撞参数进行预测,既能为轿车-行人交通事故成因分析及责任认定提供新的方法,也为进一步提高轿车-行人碰撞中行人头部及胸部损伤的防治效果提供了理论依据.
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头部钝器损伤实验与仿真分析
目的 为了研究头部在钝器作用下的生物力学响应及损伤机理.方法 利用CT图像数据和MRI图像数据对头部骨骼与内部软组织进行几何重建,然后画分网格,构建颅脑有限元模型.另一方面,对连于躯干的头部标本进行10 m/s的低速冲击,测试冲击部位接触力、顶部应变及冲击的对侧(枕部)加速度.把构建的有限元模型导人MADYMO软件进行相同条件下模拟仿真,从输出模块里输出相应部位的结果.结果 仿真结果表明模型的头部接触力、顶部应变、对撞侧加速度与头部标本冲击实验测得值能较好吻合.结论 建立的头部有限元模型及采用的仿真方法可满足头部钝器损伤的仿真研究需要.
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骨盆冲击损伤的生物力学研究进展
随着工业以及交通运输业的发展,交通伤和高处坠落伤的发生率逐年提升,严重威胁着人们的人身安全~([1]).积极采取有效措施避免事故发生及保障人身安全已成为世界许多国家关注的焦点问题.许多学者投入到这一领域的研究,且经过近几十年的努力取得了大量的成果,并逐步形成了一门新的学科--冲击损伤生物力学.对于颅脑、脊柱、胸腹以及下肢的冲击损伤研究较多,经过大量的实验和理论研究,在冲击损伤机理、生物力学响应、人的耐受性、人的代用品及人体防护等方面均取得了重要成果.而目前对于骨盆冲击损伤的研究较少,本文就骨盆冲击损伤的生物力学研究进展做一综述.
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碰撞生物力学基础及其应用
碰撞生物力学亦称为损伤生物力学，是汽车被动性安全研究中人体防护的重要理论基础。在碰撞事故过程中，人体暴露在一个机械冲击载荷的环境中，在惯性力和接触力的作用下，人体的各部分组织将产生一定的生物力学响应。若生物力学响应使人体组织超过可以恢复的限度或导致解剖学组织破坏，或导致正常生理功能变化或丧失，这时就发生了人体损伤，人体组织在碰撞过程中所包含的有关力学问题就称之为损伤生物力学。笔者从汽车安全性研究出发，介绍损伤生物力学的一些基本概念和有关的研究方法。
