本文關鍵詞：三歲兒童頸部有限元模型的構建及損傷分析

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【摘要】：由于兒童頑皮,好奇,造成兒童損傷形式多樣,損傷的嚴重程度難以估計,且兒童無法準確的描述損傷的原因和部位,常常導致對兒童損傷的誤診或者未能及時發(fā)現,釀成嚴重后果。因此,兒童損傷的研究一直是一個比較復雜而重要的課題。隨著有限元理論和軟件的不斷發(fā)展和完善,計算機技術水平的提高,有限元模型被廣泛應用到復雜的生物損傷力學的研究中并成為重要方法。作者在閱讀大量中外有關兒童損傷的文獻基礎上,對前人的工作進行了歸納總結,逐步探索并掌握了一套關于頸部建模的方法。本文采用真實三歲兒童醫(yī)用CT掃描數據,克服縮放方法帶來的縮放后的模型結構與真實的兒童解剖學結構不相符的缺點,保證數據和基礎模型的真實性和可靠性。通過對模型的網格尺寸和質量加以協調控制,既保證了模型形狀結構與真實解剖學結構的一致性,同時也降低了計算成本。本文模型的幾何參數來自于天津市一位健康女性三歲兒童的醫(yī)用CT掃描數據。首先,利用醫(yī)學影像軟件MIMICS,采用閾值分割的方法分別提取了三歲兒童頸部各部分組織的點云數據,獲取了初始幾何模型,包括C1-C7頸椎,第一胸椎和頸部主要的肌肉等組織;其次,利用逆向工程軟件Geomagic對獲取的初始幾何模型進行幾何清理,光滑平順,曲面片劃分等操作,生成具有NURBS曲面的CAD模型。再次,運用網格劃分軟件Truegrid和Hypermesh對頸椎和肌肉的幾何模型進行網格劃分,單元質量檢查和網格調整,同時進行整體頸椎形狀調整和構建頸部其他的軟組織結構,如椎間盤,韌帶,脊髓等組織。最后,根據兒童解剖學頸部詳細解剖學結構,將劃分完成的各部分組織的有限元模型連接成整體,完成三歲兒童全頸椎有限元模型的構建。根據前人有關頸部研究的實驗,采用比較經典的志愿者后碰撞試驗、前碰撞試驗,頸部拉伸試驗和軸向沖擊試驗對本模型進行驗證。分別設置與之對應的邊界條件和加載條件,模擬相同條件下頸部的響應過程,并通過縮放的方法從成人實驗結果獲取該年齡段的響應曲線邊界,與仿真實驗結果進行對比分析,完成了該模型有效性的驗證。在驗證模型有效性的基礎上,模擬了兒童墜落和低速后碰撞工況下可能造成的頸部損傷情況,為該年齡段兒童頸部損傷的診斷、研究和預防保護提供科學的數據指導。
【關鍵詞】：三歲兒童 全頸椎 有限元模型 構建 損傷分析
【學位授予單位】：天津科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：U467.14
【目錄】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 1 緒論9-13
• 1.1 兒童頸部損傷現狀及統計分析9
• 1.2 頸部損傷的研究背景9-10
• 1.3 頸部有限元模型損傷生物力學分析的研究歷程10-12
• 1.4 研究的意義和工作內容12-13
• 2 兒童頸部的生理結構及損傷分析13-29
• 2.1 兒童頸部的主要解剖學結構13-22
• 2.2 兒童頸部解剖學結構上與成人的區(qū)別22
• 2.3 三歲兒童頸椎結構與六歲兒童的區(qū)別22-23
• 2.4 頸部損傷的現象及損傷機理23
• 2.5 頸部運動生物力學響應23-26
• 2.6 頸部的損傷準則26-27
• 2.7 頸部損傷的研究方法的對比27-29
• 3 三歲兒童頸部有限元模型的構建29-47
• 3.1 幾何模型的提取、調整與構建29-35
• 3.1.1 幾何模型的提取29-32
• 3.1.2 幾何模型的構建32-35
• 3.1.3 幾何模型的調整35
• 3.2 有限元模型的構建35-42
• 3.2.1 有限元軟件的介紹及建模應用35-36
• 3.2.2 有限元網格的劃分與調整36-40
• 3.2.3 有限元模型網格質量的檢查與調整40-41
• 3.2.4 各部分組織的連接41-42
• 3.3 模型材料屬性的獲取及定義42-47
• 4 三歲兒童全頸椎有限元模型的驗證47-68
• 4.1 有限元的基本理論47-50
• 4.1.1 運動學與動力學的關系及其應用47-49
• 4.1.2 數值積分法在有限元求解中的應用49-50
• 4.2 模型驗證的影響因素50-53
• 4.2.1 單元算法的影響及應用50-51
• 4.2.2 沙漏效應的影響及控制51-52
• 4.2.3 單元負體積的產生及控制52-53
• 4.2.4 有限元模型的網格分布的控制53
• 4.2.5 接觸算法的定義及應用53
• 4.3 后碰撞試驗驗證53-56
• 4.3.1 邊界條件的設置54
• 4.3.2 實驗結果與仿真分析54-56
• 4.4 前碰撞試驗驗證56-59
• 4.4.1 邊界條件的設置57
• 4.4.2 仿真結果對比分析57-59
• 4.5 動態(tài)拉伸仿真驗證59-62
• 4.5.1 邊界條件的設置60-61
• 4.5.2 仿真結果對比分析61-62
• 4.6 頭頸部軸向沖擊試驗驗證62-66
• 4.6.1 邊界條件設置62-63
• 4.6.2 仿真結果對比分析63-66
• 4.7 討論和結論66-68
• 5 低速碰撞中頸部生物力學響應68-80
• 5.1 墜落碰撞損傷分析68-71
• 5.2 后碰撞損傷分析71-80
• 5.2.1 加載條件設置72
• 5.2.2 運動響應及損傷分析72-75
• 5.2.3 局部損傷分析75-79
• 5.2.4 討論和結論79-80
• 6 總結與展望80-82
• 7 參考文獻82-88
• 8 攻讀碩士學位期間發(fā)表論文情況88-89
• 9 致謝89

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1 甘小勇;古元;張西北;;解剖學標本數字化手段的點滴改進[A];中國臨床解剖學雜志2013年7月第31卷第4期[C];2013年

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本文編號：1031374