【摘要】：破片傷是指爆炸性武器在爆炸時產(chǎn)生的投射物擊中機體后產(chǎn)生擠壓、撕裂、震蕩以及瞬時空腔效應(yīng)等對機體結(jié)構(gòu)和功能造成的損傷。隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭模式的改變,由爆炸性武器產(chǎn)生的高速破片已經(jīng)成為造成參戰(zhàn)人員和戰(zhàn)區(qū)平民傷亡的最主要因素。以往研究高速破片創(chuàng)傷彈道學(xué)特點的方法主要依賴于采用生物組織模擬靶材料和在實驗動物體內(nèi)布置測量儀器等,其局限性在于實驗成本較高、測量位點及方向有限、數(shù)據(jù)采集困難以及動物倫理學(xué)爭議,大大限制了對高速破片致傷機制的深入研究。本實驗基于一種新型的動力加載平臺,采用形態(tài)優(yōu)化的標(biāo)準(zhǔn)化破片對實驗豬下頜部致傷,利用有限元數(shù)字模擬技術(shù)對豬下頜復(fù)合組織高速破片傷進(jìn)行動態(tài)仿真,模擬不同致傷條件下其動態(tài)損傷過程,并將數(shù)值模擬結(jié)果與動物實驗實測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析,以建立科學(xué)性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性俱佳的標(biāo)準(zhǔn)化頜面部高速破片傷有限元模型。本研究將應(yīng)用有限元分析的方法,建立具備高速破片的致傷因素的頜骨高速破片傷的數(shù)字化模型并進(jìn)行動態(tài)模擬,研究其生物力學(xué)特征,使其更接近于真實致傷情況,有利于更準(zhǔn)確的分析致傷機制和傷情特點,為高速破片傷的模擬實驗進(jìn)一步提供計算機模擬模型。實驗方法:實驗首先利用CT三維掃描技術(shù)對新鮮離體豬頭進(jìn)行掃描,獲取新鮮離體豬頭的原始影像學(xué)數(shù)據(jù),再將數(shù)據(jù)在醫(yī)學(xué)圖像控制軟件MIMICS中進(jìn)行編輯,精確選取實驗所需區(qū)域,對該區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化處理并進(jìn)行三維重建。隨后在有限元前處理軟件中對三維幾何模型進(jìn)行有限元前處理,對模型進(jìn)行實體化并劃分網(wǎng)格,形成了豬頭部實體化模型。運用二級輕氣炮加載圓柱狀破片對新鮮離體豬頭進(jìn)行毀傷,通過控制加載裝置設(shè)定不同速度的破片進(jìn)行實驗,并測量碰撞時下頜角區(qū)加速度與髁突部應(yīng)變等生物力學(xué)數(shù)據(jù)。以相同的致傷條件在有限元軟件中對毀傷過程進(jìn)行模擬,采集生物力學(xué)數(shù)據(jù)并與毀傷實驗所得數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗證。實驗結(jié)果:實驗一:本實驗首先通過薄層CT對新鮮離體豬頭進(jìn)行掃描,利用MIMICS軟件將豬頭部CT數(shù)據(jù)中的豬下頜復(fù)合組織分離出來并進(jìn)行了三維重建,生成了豬下頜復(fù)合組織三維模型,該模型尺寸與實物標(biāo)本接近,解剖結(jié)構(gòu)清晰,模型外形光滑,無嚴(yán)重畸變,細(xì)節(jié)保存完好。實驗二:高速度破片擊中新鮮離體豬頭下頜后可見破片均未穿透豬頭,在軟組織表面形成近似圓形傷道,直徑大于圓柱狀破片直徑,傷道大致呈圓柱狀,傷口周圍可見燒傷樣改變。位于下頜角區(qū)的加速度測試儀未發(fā)生松動、脫落。位于下頜升支應(yīng)變片粘貼牢固,無松動,導(dǎo)線完整性良好,無折斷、損壞。三維重建下頜骨后顯示骨損傷均呈入口小出口大,無論入口與出口外形均為不規(guī)則形態(tài),破片殘留于對側(cè)頜骨骨組織內(nèi)。實驗三:通過有限元動態(tài)仿真高速破片擊中豬下頜復(fù)合組織過程,碰撞過程與毀傷實驗相似,對比實驗與模擬骨損傷面積,無論傷道入口還是出口實驗損傷面積均較模擬較大。對比加速度波形圖可知,在入射方向上加速度峰值實驗與仿真仍有一定差距,但是波形以及趨勢擬合度較好,都為碰撞起始時短時間內(nèi)產(chǎn)生巨大加速度,沿入射方向來回波動并逐漸衰減。實驗結(jié)論:1、通過薄層CT對動物標(biāo)本進(jìn)行掃描利用醫(yī)學(xué)影像軟件直接進(jìn)行三維重建并實體化所得到的模型外形逼真、結(jié)構(gòu)清晰,同時提高了建模速度與建模精確性。2、通過二級輕氣炮加載破片對新鮮離體豬頭進(jìn)行毀傷,準(zhǔn)確測得各項生物力學(xué)數(shù)據(jù),準(zhǔn)確性較高,可為頜面部高速破片傷有限元模型的建立打下堅實基礎(chǔ)。3、本研究在建模時將軟組織材料與骨組織相復(fù)合,實現(xiàn)了高速破片毀傷生物體動態(tài)過程的仿真,且符合性較好、真實性較高。
【學(xué)位授予單位】：中國人民解放軍空軍軍醫(yī)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：R782
【圖文】：

圖 1 修整后有限元模型驗計算模型分為 5 部分，劃分為 542483 個單元、共有 176635 個有 5 部分，分別是豬下頜骨有限元模型如圖 2、左頰側(cè)軟組織有限頰側(cè)軟組織有限元模型如圖 4、左舌側(cè)軟組織有限元模型如圖 5、元模型如圖 6。破片長徑比為 5.5mm，劃分為 1155 個四面體單元如圖 7 所示。所有有限元單元均為實體單元，有限元模型整體網(wǎng)準(zhǔn)確，幾何外形較為逼真，整體模型十分理想，為有限元分析與實的基礎(chǔ)。

圖 1 修整后有限元模型本實驗計算模型分為 5 部分，劃分為 542483 個單元、共有 176635 個節(jié)點。其中豬下頜有 5 部分，分別是豬下頜骨有限元模型如圖 2、左頰側(cè)軟組織有限元模型如圖 3、右頰側(cè)軟組織有限元模型如圖 4、左舌側(cè)軟組織有限元模型如圖 5、右舌側(cè)軟組織有限元模型如圖 6。破片長徑比為 5.5mm，劃分為 1155 個四面體單元，共有 1440個節(jié)點，如圖 7 所示。所有有限元單元均為實體單元，有限元模型整體網(wǎng)格劃分較為清晰、準(zhǔn)確，幾何外形較為逼真，整體模型十分理想，為有限元分析與計算打下了較為堅實的基礎(chǔ)。

圖 1 修整后有限元模型本實驗計算模型分為 5 部分，劃分為 542483 個單元、共有 176635 個節(jié)點。其中豬下頜有 5 部分，分別是豬下頜骨有限元模型如圖 2、左頰側(cè)軟組織有限元模型如圖 3、右頰側(cè)軟組織有限元模型如圖 4、左舌側(cè)軟組織有限元模型如圖 5、右舌側(cè)軟組織有限元模型如圖 6。破片長徑比為 5.5mm，劃分為 1155 個四面體單元，共有 1440個節(jié)點，如圖 7 所示。所有有限元單元均為實體單元，有限元模型整體網(wǎng)格劃分較為清晰、準(zhǔn)確，幾何外形較為逼真，整體模型十分理想，為有限元分析與計算打下了較為堅實的基礎(chǔ)。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2806423