六岁儿童头部的有限元建模及碰撞仿真分析

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近年来,颅脑损伤在儿童中经常发生。儿童的脑部正处于发育期,故对损伤较为敏感,即使从外表看伤情不重,但仍可能造成脑组织的损伤而影响智力的发展。因此,对于儿童头部的损伤问题越来越受到科学家的重视。本研究利用儿童头部CT扫描图像,借助图形处理和阈值分割,三维重建和有限元网格划分技术,建立一个具有详细解剖结构的6岁儿童头部的有限元模型。该模型通过尸体实验验证了其有效性。在相同的加载条件下,仿真分析得出的颅内压力分布趋势与尸体实验基本一致。在7900N的输入力下,仿真实验中撞击侧脑组织最大压力值出现在额叶区域为220.2Kpa,对撞侧脑组织最大压力值出现在小脑区域为-135.2Kpa。造成儿童与成人颅内压力不同的因素主要有两方面原因,一是儿童头部的颅骨的弹性模量较成人的值要小且存在骨缝,二是儿童颅骨的厚度要比成人的小。通过对比尸体实验数据,儿童与成人在受到相同的载荷下或相同HIC值下,儿童更容易损伤。研究主要内容如下:1)根据解剖学知识,分析了儿童与成人头部的主要区别;综述生物力学的一些基本概念以及头部遭到碰撞损伤的特点;综述了成人头部损伤准则和儿童损伤准则的发展;2)基于CT扫描图片,通过阈值分割提取头部的相关结构,利用逆向工程软件和网格划分软件,构建六岁头部的三维有限元模型;3)验证模型有效性,并讨论了影响儿童头部颅内压力的主要因素;4)利用模型模拟了正面碰撞实验和侧面碰撞实验。本研究,构建了一个具有详细解剖结构的6岁儿童头部有限元模型,为后续儿童头部颅内损伤的研究以及儿童防护装置的开发,具有十分重要的价值。
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