本文關(guān)鍵詞：基于乘員傷害分析的顱腦精細(xì)建模與損傷機(jī)理研究

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【摘要】：創(chuàng)傷性顱腦損傷（TBI）是在交通事故中導(dǎo)致永久傷殘乃至死亡的主要原因之一，造成了巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在全球范圍內(nèi)平均每天約有3000人死于交通事故，并花費(fèi)了大量的治療費(fèi)用。近年來(lái)，伴隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我國(guó)汽車總量和交通事故死亡人數(shù)已越居世界首位。僅2010年，國(guó)內(nèi)由交通事故造成的死亡人數(shù)就高達(dá)65225，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)900億元人民幣。盡管約束系統(tǒng)，如安全帶、安全氣囊，被廣泛地應(yīng)用到車輛中以避免乘員受到傷害，但是顱腦損傷仍然存在于車輛碰撞中。顱腦損傷不僅給人體健康造成危害，給家庭形成負(fù)擔(dān)，對(duì)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)也造成了極大的損失。在真實(shí)交通事故中存在骨折、腦出血、腦挫傷等許多形式的腦損傷，開(kāi)展頭部碰撞生物力學(xué)研究對(duì)顱腦損傷、優(yōu)化安全系統(tǒng)提供了理論支持。 本論文首先采用成年男性的頭部CT和MRI掃描數(shù)據(jù)，分別建立了有、無(wú)溝回的二維頭部有限元模型，并且進(jìn)行材料屬性的定義。模型包括大腦、小腦、胼胝體、腦干、腦脊液和顱骨等結(jié)構(gòu)，而且區(qū)分了大腦組織中的白質(zhì)和灰質(zhì)。通過(guò)兩個(gè)模型的仿真對(duì)比研究，結(jié)果表明溝回對(duì)顱腦相對(duì)位移的影響較小。然而二維模型的材料參數(shù)偏高，為了更能說(shuō)明溝回對(duì)顱腦響應(yīng)的影響，在二維模型的基礎(chǔ)上建立了有、無(wú)溝回的切片模型，仿真結(jié)果表明雖然大腦溝回對(duì)顱內(nèi)壓力的影響較小，但改變了應(yīng)力的大小和應(yīng)變的分布，從而建議在人體頭部模型建模過(guò)程中需要考慮到溝回結(jié)構(gòu)。 本文基于頭部CT和MRI掃描數(shù)據(jù)，建立了一個(gè)三維頭部有限元模型。模型包括了大腦溝回在內(nèi)的人體頭部必要的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)。三維頭部有限元模型一共包含695，947個(gè)實(shí)體單元和128，043個(gè)殼單元，模型總質(zhì)量約為4.6kg。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)材料屬性進(jìn)行了定義。 采用Nahum顱內(nèi)壓實(shí)驗(yàn)，Trosseille顱內(nèi)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)以及Hardy顱腦相對(duì)位移實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)三維顱腦有限元模型進(jìn)行有效性驗(yàn)證。同時(shí)根據(jù)Yoganandan的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型的側(cè)面碰撞進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明所建立的三維頭部有限元模型穩(wěn)定性較好，可以進(jìn)行顱腦損傷的研究。 采用三種不同的高度將三維頭部模型跌落，以前額和顳葉兩種不同的部位撞擊泡沫和木質(zhì)兩種材料的地面上，從而對(duì)大腦響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明在撞擊位置不變，地面材料相同時(shí)，顱內(nèi)壓力、大腦最大von Mises應(yīng)力均隨著跌落高度的增加而增大；在撞擊位置不變，跌落高度相同時(shí)，顱內(nèi)壓力、大腦最大von Mises應(yīng)力隨著地面材料從泡沫改變到木板而增大；在跌落高度不變，地面材料相同時(shí)，撞擊顳葉部位會(huì)造成更大的顱內(nèi)響應(yīng)，從而導(dǎo)致更嚴(yán)重的損傷。 綜上所述，雖然二維頭部有限元模型可以作為研究顱腦響應(yīng)的一種方法，但是材料參數(shù)的偏高導(dǎo)致了其應(yīng)用的局限性。而本文中切片模型的應(yīng)用克服了這種問(wèn)題，，能夠更好地觀察大腦局部的損傷，具有很好的研究利用價(jià)值。論文中所建立的三維頭部有限元模型包括了復(fù)雜的大腦溝回結(jié)構(gòu)，更精細(xì)地重現(xiàn)了人體頭部結(jié)構(gòu)，通過(guò)仿真對(duì)顱腦損傷研究提供了借鑒意義。
【關(guān)鍵詞】：有限元模型 顱腦損傷 大腦溝回 損傷機(jī)理
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：R651.15
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 第1章 緒論12-22
• 1.1 課題研究背景和意義12
• 1.2 頭部損傷研究的主要內(nèi)容和方法12-14
• 1.2.1 顱腦損傷生物力學(xué)研究的主要內(nèi)容12-13
• 1.2.2 顱腦損傷生物力學(xué)的研究方法13-14
• 1.3 國(guó)內(nèi)外顱腦損傷有限元模型的研究現(xiàn)狀14-17
• 1.4 頭部損傷類型以及主要損傷機(jī)理17-19
• 1.4.1 頭部損傷類型17
• 1.4.2 顱腦損傷機(jī)理17-19
• 1.5 課題主要研究?jī)?nèi)容19-22
• 第2章 二維片層顱腦有限元模型的建立及損傷研究22-40
• 2.1 顱腦解剖學(xué)結(jié)構(gòu)22-24
• 2.2 顱腦二維片層有限元模型的建立24-27
• 2.2.1 顱腦掃描數(shù)據(jù)獲取24
• 2.2.2 顱腦二維幾何模型重建24-25
• 2.2.3 顱腦二維有限元模型建立25-26
• 2.2.4 顱腦片層有限元模型建立26-27
• 2.2.5 材料屬性定義27
• 2.3 基于二維模型研究溝回對(duì)顱腦相對(duì)位移的影響27-30
• 2.3.1 仿真方法28
• 2.3.2 仿真結(jié)果28-30
• 2.4 基于片層模型研究溝回對(duì)顱腦響應(yīng)的影響30-38
• 2.4.1 仿真方法31-32
• 2.4.2 基于 Nahum 實(shí)驗(yàn)的模型仿真32-36
• 2.4.3 基于 Trosseille 實(shí)驗(yàn)的模型仿真36-37
• 2.4.4 單元大小對(duì)仿真結(jié)果的影響37-38
• 2.5 本章總結(jié)38-40
• 第3章 三維顱腦有限元模型的建立40-50
• 3.1 顱腦三維幾何模型的建立40-43
• 3.1.1 顱骨幾何模型重建40-41
• 3.1.2 腦組織幾何模型重建41-43
• 3.2 顱腦三維有限元模型的建立43-47
• 3.2.1 腦組織有限元建模43-45
• 3.2.2 大腦鐮、小腦幕、腦膜和腦脊液有限元建模45-46
• 3.2.3 顱骨頭皮有限元模型46-47
• 3.3 顱腦材料屬性定義47-48
• 3.4 本章總結(jié)48-50
• 第4章 三維顱腦有限元模型的驗(yàn)證50-66
• 4.1 基于 Nahum 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的模型驗(yàn)證50-54
• 4.1.1 實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)述50-51
• 4.1.2 模型驗(yàn)證51-52
• 4.1.3 仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析52-54
• 4.2 基于 Trosseille 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的模型驗(yàn)證54-57
• 4.2.1 實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)述54-55
• 4.2.2 模型驗(yàn)證55-56
• 4.2.3 仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析56-57
• 4.3 基于 Hardy 顱-腦相對(duì)位移實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證57-63
• 4.3.1 實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)述57-59
• 4.3.2 模型驗(yàn)證59-60
• 4.3.3 仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析60-63
• 4.4 基于 Yoganandan 頭部側(cè)面跌落實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證63-65
• 4.4.1 實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)述63-64
• 4.4.2 模型驗(yàn)證64
• 4.4.3 仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析64-65
• 4.5 本章總結(jié)65-66
• 第5章 基于不同跌落條件下大腦響應(yīng)的對(duì)比分析66-72
• 5.1 研究背景66
• 5.2 仿真條件66-67
• 5.3 結(jié)果分析67-71
• 5.3.1 跌落高度對(duì)腦響應(yīng)的影響67-69
• 5.3.2 地面材料對(duì)腦響應(yīng)的影響69-70
• 5.3.3 撞擊部位對(duì)腦響應(yīng)的影響70-71
• 5.4 本章總結(jié)71-72
• 第6章 總結(jié)與展望72-74
• 參考文獻(xiàn)74-82
• 作者簡(jiǎn)介及科研成果82-84
• 致謝84

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前1條

1 王正國(guó);交通事故傷研究近況[J];中華創(chuàng)傷雜志;1996年03期

中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前1條

1 趙輝;顱腦減速傷的發(fā)生機(jī)制研究[D];第三軍醫(yī)大學(xué);2009年

本文編號(hào)：538350