儿童颈部在汽车碰撞中的损伤研究

摘要

汽车碰撞是造成儿童颈部损伤的重要因素，大约60％-80％的儿童脊椎损伤发生在颈部，而且儿童颈部损伤与成人相比有更高的死亡率。这归因于儿童特殊的生理结构，比如松弛的韧带、平的关节面、未成熟的椎骨及相对较重的头部等，这些导致儿童颈部损伤与成人有很大的不同。但是由于道德及法律等原因，目前对儿童的损伤研究严重不足。为了提高儿童在汽车事故中的安全性，迫切需要对儿童颈部损伤进行研究。
　　本文使用有限元方法分析10岁儿童颈部在碰撞中的损伤，提出获得儿童数据的方法和建立有限元颈部模型的方法，并通过模拟提出儿童颈部损伤特点及机理。本文方法可帮助研究者建立更加精确的儿童有限元模型，研究儿童颈部在汽车碰撞中的损伤特点和机理，从而帮助设计和评估防护措施，提高儿童在汽车碰撞中的安全性。本文的主要内容和创新点包括:
　　(1)提出获得儿童颈椎材料数据的方法。由于缺少儿童实验样本，很难通过实验获得儿童材料数据，而现有儿童颈椎模型缺少获得材料数据的方法，限制了对儿童颈部损伤的研究。本文提出将缩放方法和Pareto及主效应分析相结合的方法，该方法通过数据缩放初步得到儿童的材料数据，之后使用Pareto及主效应分析确定材料参数值。该方法既考虑了儿童与成人几何的差异，又考虑了儿童材料特性较弱的特点。通过与儿童实验数据对比证明了该方法的可靠性，为研究者开发儿童颈椎模型扫除了障碍。
　　(2)提出建立10岁儿童颈椎有限元模型的方法，提高儿童颈椎模型预测损伤的精度。目前儿童颈椎模型多缩放自成人模型，材料模型使用线性材料，建模方法上也存在局限性。本文通过测量24个儿童颈椎尺寸，得到10岁儿童椎骨平均尺寸，通过数据对比证明选定几何数据的正确性。根据几何建立包括儿童特有结构的颈椎有限元模型，实现儿童颈椎模型和解剖结构的一致性。为了提高模拟材料力学特性的准确性，各部件使用非线性材料本构模型，使用本文得到的儿童数据获得各本构模型的参数值，并实现对软组织撕裂的模拟。使用三段颈椎(C0-C2，C4-C5，C6-C7)及整体(C0-T1)的儿童实验数据验证了模型，证明了该建模方法的可靠性。本文预测的软组织失效位置及顺序，可为儿童颈椎实验提供数据支持。
　　(3)提出建立一种新的颈部肌肉有限元模型的方法，提高肌肉模型精度;提出基于径向基函数的代理模型方法对主动收缩肌肉激励曲线进行优化，解决肌肉激励信号寻优问题;提出使用敏感性分析方法研究主动收缩肌肉对头部响应的影响。现有肌肉模型在几何上进行了简化，并且目前的研究仍无法确定各主动收缩肌肉激励曲线的形式，目前也缺少各肌肉在碰撞中对响应影响的了解。本文建立了三种肌肉模型来分析几何对响应的影响，通过与儿童低速正面碰撞实验数据对比，显示几何显著地影响头部响应，本文提出的新的肌肉模型能更好的预测头颈部的响应。使用基于径向基函数的响应面法，对新肌肉模型的肌肉激励曲线进行优化，该方法提高了计算效率，得到了优化的肌肉激励曲线。本文提出评价各肌肉对头颈部响应影响的评价方法，通过计算发现了在正面碰撞中对头颈部响应影响最大的肌肉。
　　(4)针对儿童未发育完全的结构和材料特点，使用椎骨有限元模型进行几何和材料的敏感性分析，获得影响响应的关键因素和儿童颈椎响应及损伤的特点。目前缺少从几何和材料角度研究儿童颈椎响应及损伤的特点。本文使用开发的C4-C6椎段模型进行分析，考虑了所有材料的变化及小关节面和尺寸的几何变化，使用方差分析方法计算各参数对响应的影响程度。根据分析结果提出了儿童颈椎在弯矩和力载荷下响应及损伤的特点，此研究为建立更精确的儿童颈部模型提供了重要的数据支持，并可对儿童颈部损伤诊治提供帮助。
　　(5)针对儿童颈部在碰撞中的损伤问题，使用10岁儿童颈部有限元模型分析儿童颈部在碰撞中的响应，获得儿童颈部的损伤机理，弥补目前对儿童颈部损伤的研究不足。由于儿童尸体样本和模型的缺少，目前仍对儿童颈部在碰撞中的损伤机理缺乏了解，特别是在后面碰撞中。本文使用开发的10岁儿童颈部有限元模型模拟了在正面碰撞和后面碰撞中的儿童头颈部的响应，通过与实验数据的对比证明了模型计算结果的可靠性，通过分析各韧带应变及骨应力分布，获得了儿童颈部损伤的机理。使用腿骨模型模拟轴向冲击下骨折的骨折力和骨折模式，通过与实验数据的对比证明了骨材料模型和参数的可靠性，将此数据应用于儿童椎骨骨折研究中，获得了压缩骨折力与材料参数的关系。

目录

声明

摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 颈部损伤研究内容

1．2．1 颈部损伤流行病学

1．2．2 人体样本实验

1．2．3 动物实验

1．2．4 假人的开发与损伤标准

1．2．5 数值仿真

1．3 颈部肌肉研究内容

1．3．1 人体实验研究

1．3．2 数值仿真研究

1．4 本文主要研究内容

第2章 儿童颈椎损伤生物力学有限元模型的建立及验证

2．1 引言

2．2 10岁儿童颈椎几何

2．3 构建10岁儿童颈椎有限元模型

2．3．1 椎骨模型

2．3．2 椎间盘模型

2．3．3 韧带模型

2．3．4 小关节模型

2．3．5 上颈椎模型(C0-C2)

2．3．6 整体头颈椎模型

2．4 颈椎材料本构模型及参数获取方法

2．4．1 韧带材料模型及儿童材料数据获取方法

2．4．2 椎间盘纤维环基质材料参数获取方法

2．4．3 椎骨缩放系数及材料参数

2．4．4 获取椎间盘纤维环纤维拉伸曲线

2．4．5 椎间盘髓核材料参数

2．4．6 椎间盘撕裂模拟方法

2．5 基于试验设计分析策略的材料参数确定

2．5．1 基于儿童椎段拉伸实验工况下的模型计算

2．5．2 试验设计分析策略

2．5．3 参数的确定

2．6 拉伸和前屈／后伸下儿童颈椎模型验证

2．6．1 基于儿童和成人椎段实验的模型验证

2．6．2 基于儿童整体颈椎实验的模型验证

2．7 结果与讨论

2．7．1 椎段拉伸下软组织失效模式

2．7．2 椎段前屈／后伸下位移预测

2．7．3 整体颈椎拉伸失效预测及前屈／后伸位移预测

2．7．4 讨论

2．8 本章小结

第3章 儿童颈部主动收缩肌肉在低速正面碰撞中的响应

3．1 引言

3．2 软组织粘性参数确定及肌肉模型建立

3．2．1 髓核粘性本构模型及参数确定

3．2．2 韧带粘性数值实现方法

3．2．3 主被动收缩肌肉数值模型

3．2．4 三种肌肉有限元模型开发

3．3 低速正面碰撞下三种肌肉模型响应对比

3．3．1 基于志愿者低速碰撞实验工况下的模型加载及约束

3．3．2 弯曲-引导肌肉模型的高预测性分析

3．4 弯曲-引导模型的主动收缩肌肉激励曲线优化

3．4．1 肌肉激励曲线控制变量提取和目标函数设定

3．4．2 基于径向基函数的代理模型优化方法

3．4．3 优化后的主动收缩肌肉激励曲线评价

3．5 主动收缩肌肉敏感性分析

3．6 本章小结

第4章 基于材料和几何敏感性分析的儿童颈椎响应及损伤特点

4．1 引言

4．2 发育中的儿童颈椎解剖结构的差异性

4．3 基于儿童个体间差异的材料及几何影响分析方法

4．3．1 基于椎段实验工况下的独立功能椎段分析模型

4．3．2 考虑儿童颈椎个体差异的各参数范围确定

4．3．3 考虑儿童颈椎特点的加载、约束及目标

4．3．4 各载荷下模型预测位移评估

4．3．5 基于方差分析方法的参数影响值计算

4．4 分析结果与儿童颈椎响应及损伤特点总结

4．4．1 基于方差分析计算结果及主效应图的参数影响分析

4．4．2 考虑儿童个体差异的儿童颈椎运动范围

4．4．3 基于敏感性分析结果的儿童颈椎响应及损伤特点总结

4．5 本章小结

第5章 儿童颈部在碰撞中的损伤机理

5．1 引言

5．2 儿童颈部在正面碰撞中的损伤研究

5．2．1 8g和15g正面碰撞载荷下的儿童头颈部响应

5．2．2 8g正面碰撞下儿童颈部软组织撕裂及骨损伤

5．3 儿童颈部在后面碰撞中的损伤研究

5．3．1 有头枕保护的儿童头颈部响应及韧带损伤

5．3．2 无头枕保护的儿童头颈部韧带及骨损伤

5．4 儿童椎骨轴向压缩骨折力研究

5．4．1 基于骨折的材料参数验证

5．4．2 椎骨轴向压缩分析模型及约束加载情况

5．4．3 结果分析

5．4．4 儿童椎骨压缩骨折力参数化分析

5．5 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录A1 攻读学位期间发表和提交的学术论文

附录A2 攻读学位期间所参与的科研项目