【摘要】： 頜面部是人體的暴露部位,戰(zhàn)時(shí)防護(hù)薄弱,平時(shí)是暴力、自傷的重點(diǎn)部位,在全身各部位的火器傷中,頜面部火器傷占有較大比例。無論平戰(zhàn)時(shí),頜面部火器傷創(chuàng)傷彈道學(xué)研究都是全身創(chuàng)傷彈道學(xué)研究中的重點(diǎn)問題之一。由于動(dòng)物模型無法直觀動(dòng)態(tài)地觀察到模型內(nèi)部的致傷過程,加上頜面部解剖結(jié)構(gòu)精細(xì)、組織器官生物力學(xué)性質(zhì)相差大,無法采用人工材料進(jìn)行模擬,所以頜面部火器傷的研究中,尚無可以用于致傷過程中生物力學(xué)機(jī)制研究的模型,這也是目前相關(guān)研究的瓶頸之一。 有限元法又稱有限元素法(Finite Element Method,FEM)或有限元分析法(Finite Element Analysis,FEA),是20世紀(jì)50年代末60年代初興起的應(yīng)用數(shù)學(xué)、現(xiàn)代力學(xué)及計(jì)算機(jī)科學(xué)相互滲透、綜合利用的邊緣科學(xué)。有限元法的原理是把整個(gè)結(jié)構(gòu)看作由有限個(gè)細(xì)小單元相互連接而成的幾何實(shí)體,每個(gè)單元的力學(xué)特征的總裝效果反映出結(jié)構(gòu)的整體力學(xué)特性,是解決復(fù)雜工程學(xué)問題的必備工具之一,目前已廣泛應(yīng)用于生物力學(xué)研究中。 火器傷致傷機(jī)理是投射物與機(jī)體二者相互作用的物理、病理和解剖的復(fù)雜變化過程,其實(shí)質(zhì)是投射物與機(jī)體組織之間的生物力學(xué)作用及效應(yīng)。有限元法能夠分析物體間及物體內(nèi)部的復(fù)雜力學(xué)過程,預(yù)測力學(xué)作用的效應(yīng)(如模型的形狀、溫度等改變),并且可以在電腦上直觀顯示或輸出量化的計(jì)算結(jié)果以供分析,具有可重復(fù)性好、節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本、實(shí)驗(yàn)條件容易控制等優(yōu)點(diǎn),可彌補(bǔ)目前火器傷模型在致傷過程生物力學(xué)機(jī)制研究中的不足。因此,將有限元方法運(yùn)用于頜面部火器傷研究中,有助于頜面部火器傷致傷機(jī)理的深入研究,能為頜面部火器傷診斷、救治、防護(hù)及投射物致傷效應(yīng)評(píng)估提供新的工具和思路。 針對(duì)目前頜面部火器傷研究中動(dòng)物、尸體及人工材料模型在致傷生物力學(xué)機(jī)制研究中的不足,本研究建立了豬下頜骨火器傷三維有限元模型,通過動(dòng)物實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所采用有限元方法的合理性;用有限元方法仿真不同力學(xué)載荷、邊界條件下投射物侵徹豬下頜骨的過程,對(duì)下頜骨火器傷的生物力學(xué)機(jī)制進(jìn)行了初步探討。 研究方法和結(jié)果: 1.將豬下頜骨計(jì)算機(jī)X射線斷層掃描(computed tomography,CT)數(shù)據(jù)導(dǎo)入MIMICS軟件,經(jīng)過三維圖像重建、實(shí)體模型重建后得到豬下頜骨面網(wǎng)格模型;將豬下頜骨面網(wǎng)格模型導(dǎo)入ANSA軟件,采用六面體網(wǎng)格與四面體網(wǎng)格結(jié)合的方式建立豬下頜骨火器傷三維有限元模型。建立的豬下頜骨三維有限元模型的單元數(shù)為674863,節(jié)點(diǎn)數(shù)為261997,所有單元均為實(shí)體單元。結(jié)果表明:該模型網(wǎng)格劃分合理,單元質(zhì)量好,與真實(shí)標(biāo)本的幾何外形相似程度高,細(xì)節(jié)損失小;采用四面體單元與六面體單元結(jié)合方式建立豬下頜骨三維有限元模型,降低了建模成本,同時(shí)兼顧了計(jì)算效率和計(jì)算精度,能夠滿足下頜骨火器傷生物力學(xué)機(jī)制研究的需要。 2.通過改良豬下頜骨火器傷動(dòng)物實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?用不同射速、不同形狀投射物致傷豬下頜骨標(biāo)本的下頜角部位,測量各種致傷參數(shù)及致傷過程中豬下頜骨的生物力學(xué)參數(shù),為分析下頜骨火器傷生物力學(xué)機(jī)制和驗(yàn)證有限元模型提供可靠的數(shù)據(jù)。結(jié)果表明:實(shí)驗(yàn)方法合理,重復(fù)性好,測量到的數(shù)據(jù)具有代表性。 3.通過選擇適合的材料模型、生物力學(xué)參數(shù)及接觸算法,加載與動(dòng)物實(shí)驗(yàn)相似的力學(xué)載荷和邊界條件,用所建立的豬下頜骨火器傷三維有限元模型在LS-DYNA軟件中進(jìn)行仿真計(jì)算;通過比較有限元仿真結(jié)果與動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中的實(shí)測數(shù)據(jù),驗(yàn)證所采用的有限元方法的合理性。結(jié)果表明,本研究所采用的有限元方法合理、可靠,對(duì)下頜骨火器傷生物力學(xué)作用機(jī)制及其效應(yīng)有較好的預(yù)測能力,能滿足深入研究下頜骨火器傷生物力學(xué)機(jī)制的要求。 4.利用經(jīng)過驗(yàn)證的有限元模型及仿真方法,加載不同力學(xué)載荷、邊界條件,進(jìn)行了不同形狀、不同速度投射物侵徹豬下頜骨過程的有限元仿真;從不同角度觀察并分析投射物侵徹豬下頜骨的有限元仿真結(jié)果,結(jié)合本研究動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果及既往文獻(xiàn)資料,對(duì)下頜骨火器傷的生物力學(xué)機(jī)制進(jìn)行了初步探討。結(jié)果表明:骨組織損傷除了與投射物的物理特性(飛行速度、飛行狀態(tài)、形狀及質(zhì)量等)有關(guān),還和投射物與骨組織間、骨組織與骨組織間的生物力學(xué)作用有關(guān),后兩者是導(dǎo)致入口及出口損傷范圍差異的主要原因;下頜骨損傷的嚴(yán)重程度與骨組織應(yīng)變率相關(guān);所采用的有限元方法能合理解釋投射物侵徹下頜骨過程中部分生物力學(xué)機(jī)制。 5.本研究采用無網(wǎng)格法與有限元法聯(lián)合建立豬下頜軟硬組織復(fù)合體模型并進(jìn)行相關(guān)仿真,初步探討有無網(wǎng)格法仿真肌肉組織火器傷,部分仿真結(jié)果與致傷條件相似的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果接近,說明無網(wǎng)格法在肌肉組織火器傷仿真中有較好的應(yīng)用前景。 結(jié)論: 1.成功建立了豬下頜骨火器傷三維有限元模型,驗(yàn)證了所建模型及所采用的有限元分析方法的合理性和可靠性。明確了在研究火器傷生物力學(xué)機(jī)制方面,有限元方法可以彌補(bǔ)目前火器傷研究模型的不足。 2.投射物侵徹下頜骨過程中,骨組織損傷除了與投射物的物理特性有關(guān),還和投射物與骨組織間、骨組織與骨組織間的生物力學(xué)作用有關(guān),后兩者是導(dǎo)致入口及出口損傷范圍差異的主要原因。 3.投射物侵徹下頜骨過程中,應(yīng)變率的大小及持續(xù)時(shí)間可以作為判斷和評(píng)價(jià)骨組織損傷嚴(yán)重程度的標(biāo)準(zhǔn)之一,也可以作為有限元仿真過程中預(yù)測骨組織損傷的指標(biāo)。 4.投射物侵徹下頜角過程中,下頜骨損傷主要集中在彈孔周圍及彈孔至下頜骨下緣間區(qū)域,單純的下頜角火器傷伴發(fā)其他部位下頜骨骨折的可能性較小。 5.下頜角部火器傷伴發(fā)顱腦損傷時(shí),骨應(yīng)力傳導(dǎo)不是導(dǎo)致顱腦損傷的主要因素。 6.無網(wǎng)格法在肌肉組織火器傷仿真中有較好的應(yīng)用前景。
【學(xué)位授予單位】：第三軍醫(yī)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2010
【分類號(hào)】：R782
【圖文】：

圖 1-1 MIMICS 軟件中導(dǎo)入豬頭 CT 數(shù)據(jù)3. 豬下頜骨圖像分割及三維模型重建用 MIMICS 自帶的閾值選擇功能(Threshoding)，采用軟件預(yù)設(shè)的骨閾值(226-3071選擇擬重建的骨性區(qū)域(包括骨松質(zhì)及骨皮質(zhì))，即可形成以骨組織為主的蒙板(Mask)然后利用蒙板編輯功能(Edit Masks)中的擦除工具(Erase)，將與下頜骨無關(guān)的其他骨性部分(如上頜骨、舌骨、莖突等)全部擦除，利用軟件的區(qū)域增長功能(Region growing生成只含有下頜骨數(shù)據(jù)的蒙板。采用軟件預(yù)設(shè)的骨松質(zhì)閾值(148-661)，用同樣的方法從新生成的下頜骨蒙板中將下頜骨骨松質(zhì)分離出來形成新的蒙板(為簡化模型我們僅勾劃出左側(cè)下頜角區(qū)域骨松質(zhì))。在軟件界面中，下頜骨骨皮質(zhì)(含牙齒)、下頜骨骨松質(zhì)各層蒙板以不同顏色顯示。由于少量骨松質(zhì)閾值低于預(yù)設(shè)閾值，因此在骨松質(zhì)蒙板中可能存在一些散在的細(xì)小間隙，可以通過蒙板編輯功能(Edit Masks)中的描繪工具(Draw)進(jìn)行手工填充。最后采用 MIMICS 的三維重建功能(Calculate 3D)對(duì)分離出來下頜骨及骨松質(zhì)蒙板分別進(jìn)行三維重建，即得到下頜骨及骨松質(zhì)三維重建模型，圖 1-

圖 1-2 MIMICS 軟件中重建的豬下頜骨三維模型四、建立豬下頜骨三維有限元模型利用 MIMICS 獲得的豬下頜骨三維模型并不能直接用于有限元網(wǎng)格劃分，還需要將其重建為實(shí)體模型，才可以進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分。因此，我們利用 MIMICS 將重建的豬下頜骨三維模型進(jìn)行表面輪廓擬合，以面網(wǎng)格(surface mesh)格式輸出，在 ANSA軟件中根據(jù)研究需要和不同解剖結(jié)構(gòu)創(chuàng)建三維實(shí)體模型，然后再進(jìn)行有限元體網(wǎng)格劃分。1. 獲得下頜骨三維模型的面網(wǎng)格模型利用 MIMICS 的面網(wǎng)格劃分功能(Remesh)將重建的下頜骨骨皮質(zhì)、下頜骨骨松質(zhì)的三維模型分別進(jìn)行三角形面網(wǎng)格劃分，然后用面網(wǎng)格劃分功能中的平滑工具(Smoothing)對(duì)面網(wǎng)格模型進(jìn)行平滑處理。選擇參數(shù)為：平滑參數(shù)(Smooth Factor)0.5，

圖 1-3 MIMICS 軟件中建立的豬下頜骨面網(wǎng)格模型2. 體網(wǎng)格劃分將豬下頜骨面網(wǎng)格模型導(dǎo)入(Input)有限元前處理軟件 ANSA。用半自動(dòng)結(jié)合手動(dòng)方式來修正重建的面：刪除重復(fù)面、多余的邊和點(diǎn)，使剩余的面形成一個(gè)閉合結(jié)構(gòu)，然后由這些封閉的面重生成體(solid)。在擬進(jìn)行投射物侵徹仿真的下頜角中央位置劃分出 3×2.5cm 大小范圍的區(qū)域(含下頜骨骨皮質(zhì)、骨松質(zhì))通過手工方式進(jìn)行 8 節(jié)點(diǎn)六面體單元?jiǎng)澐郑瑸楸苊饽Ｐ椭匾馄市螒B(tài)(如下頜管等)失真和產(chǎn)生畸形單元，該區(qū)域的下頜骨采用分層及分塊手工劃分、減小單元尺寸的策略以達(dá)到最佳外形逼近。劃分后，通過自編程實(shí)現(xiàn)六面體單元節(jié)點(diǎn)編號(hào)，使各六面體單元的 8 個(gè)節(jié)點(diǎn)都有獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)編號(hào)，相鄰單元通過共節(jié)點(diǎn)(coincident nodes)方式連接。模型其余部分采用 ANSA軟件自動(dòng)劃分 4 節(jié)點(diǎn)四面體單元，四面體單元及六面體單元之間采用少量楔形單元及金字塔單元填充。為簡化模型，我們將牙體組織包含在下頜骨模型中，并假定其生物

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2763470