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《第二军医大学》 2004年
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头颈三维有限元模型构建及颅脑直接冲击伤致伤机制研究

何黎民  
【摘要】:创伤性脑损伤对人类健康危害极大,但其致伤机制,特别是力学致伤机制尚未完全阐明。对颅脑损伤生物力学致伤机制的研究,有助于提高创伤性脑损伤的防治水平。目前颅脑损伤力学机制的研究方法主要包括:动物实验、尸体实验、生物材料力学实验及数学模拟。研究直接冲击造成的颅脑结构应力、应变响应需借助结构分析方法。有限单元法是结构分析的一种方法,适用于头颅复杂结构的受力分析。我们依据正常国人头颈CT、MRI断层扫描图像,改进人体不规则结构有限元建模方法,构建出国人头颈三维有限元模型,并在模型参数研究及有效性检验的基础上,应用该模型计算模拟头颅在不同冲击载荷下的应力应变响应,与临床病例影像发现相结合,探讨了直接冲击造成脑损伤的力学机制。主要研究工作有以下五部分: 1.构建国人头颈三维有限元模型 目的:构建国人头颈三维有限元模型 方法:依据正常国人1.3mm层厚头颅CT断层扫描图像,确定重建对象,用表面重建法及图像数字处理技术,自动重建皮肤、颅骨,半人工重建头颈其他结构,应用有限元代码完成结构网格划分。 结果:完成构建的国人头颈三维有限元模型包括以下结构:面颅、颅顶皮肤、颅骨(颅顶、前中后颅窝颅底)、硬脑膜(含大脑镰、小脑幕)、静脉窦(上失状窦、横窦、乙状窦)、大脑半球皮质、白质、胼胝体、基底节及间脑、中脑、桥脑、延髓、小脑、以及脑室系统、颈部软组织、颈4以上椎体椎间盘及相应节段颈髓。模型总单元数:168733,总节点数80535。 结论:依据医学影像资料,可构建头颈复杂形态结构的三维有限元模型,通过改进图像数字识别技术,可提高有限元建模的自动化程度。 2.三维有限元模型参数研究及其有效性检验 目的:确定三维有限元模型参数,检验模型有效性 方法:定义模型材料为线弹性材料,确定杨氏模量、泊松比等材料参数,对不同材料阻尼参数下的模型进行冲击载荷加载,分析比较计算后不同材料阻尼下颅骨应力时间曲线形态,确定模型采用的材料阻尼参数值。应用弹簧单元模拟 j匡;二早民大攀傅士毕J匕自仑j仁 中文娜要 神月受,卜早斗掌专习匕 寰枕关节,比较模拟前后,模型在冲击载荷下颅骨应力,确定弹簧单元参数。模 拟既往尸体实验,比较模拟计算颅内压结果与实验结果,检验模型有效性。 结果:不同颅骨材料阻尼条件下,额部冲击区域颅骨节点的Von Mi SeS应力 曲线均无第二峰值,应力峰值随阻尼增大而逐渐降低,峰值出现时间后移,枕部 颅骨节点应力曲线在冲击后期应力下降趋势更显著,曲线呈正弦曲线形态,颅骨 材料阻尼系数在0.001一0.004范围内颅骨应力曲线形态最佳。模拟寰枕关节,弹 簧单元采用颅骨材料参数,在XY方向弹簧弹性系数20N/InIn,Z方向的为ION/Inln, 颅骨应力曲线后期可下降。模拟既往头颅冲击的尸体实验,由硬膜节点主应力计 算出的颅内压曲线与尸体实验测定的颅内压曲线吻合。 结论:颅骨线弹性材料阻尼系数对模型颅骨应力响应有显著影响,在0.001 一O,004之间颅骨应力曲线形态最佳。脑组织线弹性材料阻尼系数对模型脑组 织应力响应无显著影响,模型脑组织应力主要受颅骨应力的影响。采用三维弹 簧单元模拟寰枕关节可降低模型颅骨应力,模拟寰枕关节对模型颅骨应力的影 响较颅骨材料阻尼系数的影响小。构建的头颅三维有限元模型对模拟头颅冲击 载荷的应力应变响应是有效的。 3.颅骨脑相对位移模拟的研究 目的:建立模拟颅骨脑相对位移的模拟方法 方法:筛选硬膜脑相邻节点,在节点之间增设弹簧单元,确定相应参数后, 对模型加载冲击载荷,计算硬膜、脑对应节点的相对位移,图形输出脑表面应 力改变范围及大小。 结果:采用弹簧单元模拟硬膜下腔后,硬膜与脑对应节点出现相对位移, 在冲击载荷下,脑表面应力改变范围向颅底移动,颅底脑表面应力峰值升高。 结论:对颅骨一硬膜与软一蛛网膜一脑符合体之间弹性接触问题的有限元 模拟,可通过使用弹簧单元模拟硬膜下腔的方法实现对颅骨脑相对位移的模 拟。 4.车外人员颅脑直接冲击损伤的受力分析 目的:总结交通道路事故中,车外人员颅脑直接冲击损伤的力学致伤特征, 为有限元模型模拟直接冲击脑损伤提供线索和临床资料。 方法:收集自2002年1月至2003年9月上海第二军医大学长征医院神经 外科137例颅脑外伤住院患者临床资料。病例均属车外人员交通伤。在对头颅 分区基础上,统计不同区域头颅受力点所占的比例。总结分析患者顶颅皮肤软 组织病理损伤特征,判断冲击方向。 结果:头颅H区双侧颖枕部受力占18.9%,H区双侧颗部占17.5%,H区枕 部占n.7%。不同冲击受力方向造成的顶颅头皮软组织损伤形态不同,可依此 判断受力方向。 结论:我国道路交通伤中,车外人员颅脑直接冲击伤临床患者的受力部位 常见于枕外粗隆眉弓连线水平的颗枕、枕、颗部。上述部位多受到垂直方向的 冲击力。依据顶颅皮肤软组织损伤特征可判定头颅所受冲击力的方向。 5.头颅额、枕部冲击脑损伤的有限元分析 目的:探究头颅额、枕直接冲击的脑损伤生物力学机制。 方法:应用三维头
【学位授予单位】:第二军医大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2004
【分类号】:R651.15

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