基于CT数据颅骨有限元模型的建立及枕部坠落伤和打击伤应力分析的研究

来源 :河北医科大学 | 被引量 : 5次 | 上传用户:jueduizone
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
目的:颅脑是人体最重要的生命中枢,也是损伤后致死率和致残率最高的器官。在法医伤害案件中,头部常是主要打击的目标,因此对颅骨坠落伤和打击伤的鉴别,也一直是法医检案鉴定研究的重点和难点。本研究基于正常人体头部CT数据对颅骨进行三维重建并生成颅骨有限元模型。用该经过有效性验证后的有限元模型进行枕部坠落伤和打击伤模拟和力学分析。以数字技术为颅骨损伤中坠落伤和打击伤的鉴别提供理论参考。方法:1选取一名成年健康女性作为模拟对象,利用螺旋CT采集颅骨数据。2利用Mimics 15.0软件和Geomagic Studio 12.0软件建立颅骨三维几何模型3在Mimics 15.0的3-matic 7.0中和ANSYS Workbench 14.0的Explict Dynamics(LS-DYNA Export)模块构建颅骨有限元模型。4与Yoganandan尸体实验进行对比来验证模型有效性。5在ANSYS Workbench 14.0和LS-DYNA 971软件中模拟5.1 m/s、6m/s、10 m/s的速度下枕部坠落伤和打击伤。分析这两种工况应力传播途径,比较应力分布情况、接触力-时间曲线、冲击与对冲部位压力变化。结果:1成功地建立了除下颌骨、舌骨以外的颅骨三维几何模型。2在Mimics 15.0的3-matic模块中和ANSYS Workbench 14.0中生成了颅骨有限元模型。其中包括枕骨密质1个、枕骨松质2个、其余颅骨密质1个和其余颅骨松质10个,总节点数为238009个,总单元数为942663个。3依据Yoganandan的尸体实验对本研究所建立的颅骨有限元模型进行验证。尸体实验峰值接触力为14034N,本验证实验峰值接触力为13323N,比文献实验小了约5%。当接触力达到峰值后,曲线有下降趋势表明颅骨发生了塑性屈服。本研究得出的接触力-位移曲线与参考的验证实验测得的曲线在趋势上基本保持了相似性,证明了本实验构建的有限元模型的有效性,可以进一步进行颅骨损伤的生物力学分析研究。4联合ANSYS Workbench 14.0和LS-DYNA 971软件,模拟了在不同速度下颅骨枕部的坠落伤,同时输出了等效应力(Von Mises Stress)分布云图。由应力云图可知,枕部坠落伤时应力主要传播途径为枕部-颅底-额部;以5.1 m/s速度碰撞时,应力除主要集中于枕骨中部外,还在枕骨周围骨缝、枕内隆凸、枕骨大孔、枕骨基底部、颈静脉孔、乙状窦沟、内耳门、颞骨岩部尖端、破裂孔、卵圆孔、垂体窝、额骨眶板、翼点附近、颧弓、眶下裂及上颌骨处形成应力集中区;以6 m/s速度碰撞时,应力除分布于上述部位以外,还波及到视神经管和蝶骨小翼;以10m/s速度碰撞时,应力集中部位又增加了筛板以及额骨眉间部位。同时比较枕部在不同碰撞速度下接触力-时间曲线可得知:随着坠落高度升高,碰撞速度越大,接触面的峰值接触力越大,达到峰值接触力的时间越早。额部和枕部压力曲线表明:冲击处的枕部压力为正值,而对冲处的压力为正负值交替变化。5联合ANSYS Workbench 14.0和LS-DYNA 971软件,模拟了在不同速度下颅骨枕部的锤子打击伤,输出了等效应力(Von Mises Stress)分布云图。由应力云图可知,打击头颅枕骨中部时,应力也是主要沿着枕部-颅底-额部途径进行传播;以5.1 m/s速度打击时,应力集中部位出现在枕骨中部,枕骨周围骨缝、枕内隆凸、枕骨大孔、枕骨基底部、颈静脉孔、乙状窦沟、内耳门、颞骨岩部尖端、破裂孔、卵圆孔、垂体窝、额骨眶板、翼点附近、颧弓、眶下裂及上颌骨处;以6 m/s速度打击时,应力集中部位除上述部位以外,还波及到视神经管;以10 m/s速度碰撞时,应力集中部位也增加了筛板以及额骨眉间部位。但应力集中范围比同速度坠落的小。比较打击部位在不同速度下接触力-时间曲线,表明打击速度越大,则接触面的峰值接触力越大,达到峰值接触力的时间越早。额部和枕部压力曲线表明:冲击处的枕部压力为正值,而对冲处的额部压力为正负值交替变化。6同速度下,两种不同损伤的应力云图比较显示:坠落伤应力集中区域比打击伤更广;接触力-时间曲线比较显示:坠落伤峰值接触力比打击伤大;冲击处的枕部压力比较显示:坠落伤和打击伤所造成的枕部压力差别不大;对冲处的额部压力比较显示:坠落伤时额部正负压变化幅度比打击伤更大。结论:1基于正常人头颅CT数据,应用相应软件重建出解剖结构相似度高的人体颅骨三维几何模型和有限元模型。2与国外经典的尸体头部损伤实验进行比较,验证了本研究模型的有效性,可进行生物力学仿真模拟。3成功模拟了颅骨枕部的坠落伤和暴力打击伤并比较了两种损伤生物力学指标。可知枕骨中部受力时应力传播主要方向为枕部-颅底-额部。颅骨应力集中区域与临床上颅底骨折的好发部位一致。同工况下,速度越大,越易发生颅骨损伤。对冲性额部骨折的原因可能是由于正负压交替所致的疲劳性骨折。4同速度下,坠落造成的减速性颅骨损伤比无垫衬暴力打击造成的颅骨加速性损伤应力分布范围更广、后果更严重、更易发生对冲性骨折。
其他文献
美国总统依据第一军事条款召集作为一个州的军事力量的陆军国民警卫队,并不意味着将其联邦化成为联邦陆军国民警卫队,尽管把它看成是在联邦服役并且变成陆军的一部分似乎是合
<正>在日本,"和果子"这一概念深入人心:所谓"和果子"指的就是与西石点心不同的, 具有大和民族传统手工艺特色的糕点。在中华美食文化中,我们也不难发现"小吃"也几乎在国人心
会议
背景与目的脑内深部静脉对急性缺血性卒中(acute ischemic stroke,AIS)患者静脉溶栓后神经功能结局的影响目前尚不明确。本研究旨在观察AIS磁敏感影像(Susceptibility-weight
[目的]研究胰腺部分切除的病人术后血糖水平变化与胰腺切除的关系.[方法]选择2012年8月-2013年12月我科胰腺占位病人62例,其中行胰腺局部切除手术病人32例为观察组,不能行胰
<正> 党的十二大报告指出,在建设社会主义精神文明中,要在各行各业加强职业责任、职业道德、职业纪律的教育.本文拟就会计职业道德问题谈一点粗浅意见.十年动乱对会计工作的
礼品瓜以果型小、上市早、味甜、肉质细爽多汁等优点,成为西瓜市场的新宠,价格好,效益高,前景广阔。1品种选择选择优良品种是关键,日光温室栽培西瓜宜选择高档优质品种,同时
目的比较分析静脉滴注唑来膦酸与口服阿仑膦酸钠预防经皮椎体后凸成形(PKP)术后预防骨质疏松性再骨折的效果。方法纳入2014-01—2017-12行PKP手术并获得完整随访的92例骨质疏
赖脯胰岛素和门冬胰岛素分别是美国礼来公司和丹麦诺和诺德公司研制并生产的超短效或称速效胰岛素类似物。人胰岛素由两个多肽链(A链B链)通过2个二硫键连接而成,A链有21氨基酸,B
<正>异位妊娠是引起妇科急腹症的常见病因,在全球呈逐年上升趋势。手术治疗后遗症发生多,严重影响妇女的生育能力。随着诊断技术的提高如快速敏感的血β-HCG测定及高分辨B超
《食品加工新技术》课程是全日制专业学位研究生的专业课,结合6年的教学实践工作,对课程进行了教学方法优化的研究与实践,包括人才培养目标、课程结构和内容、实验和研究平台