本文關(guān)鍵詞：三歲兒童頸部有限元模型的構(gòu)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(yán)重程度難以估計(jì),且兒童無(wú)法準(zhǔn)確的描述損傷的原因和部位,常常導(dǎo)致對(duì)兒童損傷的誤診或者未能及時(shí)發(fā)現(xiàn),釀成嚴(yán)重后果。因此,兒童損傷的研究一直是一個(gè)比較復(fù)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(jì)算機(jī)技術(shù)水平的提高,有限元模型被廣泛應(yīng)用到復(fù)雜的生物損傷力學(xué)的研究中并成為重要方法。作者在閱讀大量中外有關(guān)兒童損傷的文獻(xiàn)基礎(chǔ)上,對(duì)前人的工作進(jìn)行了歸納總結(jié),逐步探索并掌握了一套關(guān)于頸部建模的方法。本文采用真實(shí)三歲兒童醫(yī)用CT掃描數(shù)據(jù),克服縮放方法帶來(lái)的縮放后的模型結(jié)構(gòu)與真實(shí)的兒童解剖學(xué)結(jié)構(gòu)不相符的缺點(diǎn),保證數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)模型的真實(shí)性和可靠性。通過(guò)對(duì)模型的網(wǎng)格尺寸和質(zhì)量加以協(xié)調(diào)控制,既保證了模型形狀結(jié)構(gòu)與真實(shí)解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的一致性,同時(shí)也降低了計(jì)算成本。本文模型的幾何參數(shù)來(lái)自于天津市一位健康女性三歲兒童的醫(yī)用CT掃描數(shù)據(jù)。首先,利用醫(yī)學(xué)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(diǎn)云數(shù)據(jù),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(duì)獲取的初始幾何模型進(jìn)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(yùn)用網(wǎng)格劃分軟件Truegrid和Hypermesh對(duì)頸椎和肌肉的幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,單元質(zhì)量檢查和網(wǎng)格調(diào)整,同時(shí)進(jìn)行整體頸椎形狀調(diào)整和構(gòu)建頸部其他的軟組織結(jié)構(gòu),如椎間盤(pán),韌帶,脊髓等組織。最后,根據(jù)兒童解剖學(xué)頸部詳細(xì)解剖學(xué)結(jié)構(gòu),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(gòu)建。根據(jù)前人有關(guān)頸部研究的實(shí)驗(yàn),采用比較經(jīng)典的志愿者后碰撞試驗(yàn)、前碰撞試驗(yàn),頸部拉伸試驗(yàn)和軸向沖擊試驗(yàn)對(duì)本模型進(jìn)行驗(yàn)證。分別設(shè)置與之對(duì)應(yīng)的邊界條件和加載條件,模擬相同條件下頸部的響應(yīng)過(guò)程,并通過(guò)縮放的方法從成人實(shí)驗(yàn)結(jié)果獲取該年齡段的響應(yīng)曲線(xiàn)邊界,與仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,完成了該模型有效性的驗(yàn)證。在驗(yàn)證模型有效性的基礎(chǔ)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(yù)防保護(hù)提供科學(xué)的數(shù)據(jù)指導(dǎo)。
【關(guān)鍵詞】：三歲兒童 全頸椎 有限元模型 構(gòu)建 損傷分析
【學(xué)位授予單位】：天津科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：U467.14
【目錄】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 1 緒論9-13
• 1.1 兒童頸部損傷現(xiàn)狀及統(tǒng)計(jì)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(xué)分析的研究歷程10-12
• 1.4 研究的意義和工作內(nèi)容12-13
• 2 兒童頸部的生理結(jié)構(gòu)及損傷分析13-29
• 2.1 兒童頸部的主要解剖學(xué)結(jié)構(gòu)13-22
• 2.2 兒童頸部解剖學(xué)結(jié)構(gòu)上與成人的區(qū)別22
• 2.3 三歲兒童頸椎結(jié)構(gòu)與六歲兒童的區(qū)別22-23
• 2.4 頸部損傷的現(xiàn)象及損傷機(jī)理23
• 2.5 頸部運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)響應(yīng)23-26
• 2.6 頸部的損傷準(zhǔn)則26-27
• 2.7 頸部損傷的研究方法的對(duì)比27-29
• 3 三歲兒童頸部有限元模型的構(gòu)建29-47
• 3.1 幾何模型的提取、調(diào)整與構(gòu)建29-35
• 3.1.1 幾何模型的提取29-32
• 3.1.2 幾何模型的構(gòu)建32-35
• 3.1.3 幾何模型的調(diào)整35
• 3.2 有限元模型的構(gòu)建35-42
• 3.2.1 有限元軟件的介紹及建模應(yīng)用35-36
• 3.2.2 有限元網(wǎng)格的劃分與調(diào)整36-40
• 3.2.3 有限元模型網(wǎng)格質(zhì)量的檢查與調(diào)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(yàn)證47-68
• 4.1 有限元的基本理論47-50
• 4.1.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)的關(guān)系及其應(yīng)用47-49
• 4.1.2 數(shù)值積分法在有限元求解中的應(yīng)用49-50
• 4.2 模型驗(yàn)證的影響因素50-53
• 4.2.1 單元算法的影響及應(yīng)用50-51
• 4.2.2 沙漏效應(yīng)的影響及控制51-52
• 4.2.3 單元負(fù)體積的產(chǎn)生及控制52-53
• 4.2.4 有限元模型的網(wǎng)格分布的控制53
• 4.2.5 接觸算法的定義及應(yīng)用53
• 4.3 后碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證53-56
• 4.3.1 邊界條件的設(shè)置54
• 4.3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真分析54-56
• 4.4 前碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證56-59
• 4.4.1 邊界條件的設(shè)置57
• 4.4.2 仿真結(jié)果對(duì)比分析57-59
• 4.5 動(dòng)態(tài)拉伸仿真驗(yàn)證59-62
• 4.5.1 邊界條件的設(shè)置60-61
• 4.5.2 仿真結(jié)果對(duì)比分析61-62
• 4.6 頭頸部軸向沖擊試驗(yàn)驗(yàn)證62-66
• 4.6.1 邊界條件設(shè)置62-63
• 4.6.2 仿真結(jié)果對(duì)比分析63-66
• 4.7 討論和結(jié)論66-68
• 5 低速碰撞中頸部生物力學(xué)響應(yīng)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(shè)置72
• 5.2.2 運(yùn)動(dòng)響應(yīng)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(jié)論79-80
• 6 總結(jié)與展望80-82
• 7 參考文獻(xiàn)82-88
• 8 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表論文情況88-89
• 9 致謝89

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本文編號(hào)：1031374