人体上颈椎建模及汽车高速撞击下颈部损伤研究

摘要

随着我国高速公路的飞速发展，汽车在高速公路的碰撞事故愈发频繁，在道路交通事故中所占的比例逐年升高，而这类事故往往因为其巨大的冲击力给乘员造成了非常严重的伤痛。由于交通事故而导致的人体头部、胸部和颈部损伤是造成死亡的主要因素。其中，颈部损伤是各种交通事故中普遍见到的损伤类型。颈部损伤不但具有致命性，而且通常会导致伤者伴有长期的后遗症。对于这种由汽车碰撞引起的颈部损伤，已有一些专家对其进行低速撞击工况（通常小于等于15km/h）下的研究，得到了一些有用的结论，然而对于汽车在高速撞击下的颈部损伤却很少涉及。一方面因为颈椎复杂的解剖结构和生理特性，导致其低速撞击工况下损伤机理仍然难以确定:另一方面，颈椎在高速撞击工况下会涉及到破坏失效的问题，很难进行实验验证。因此，有必要对颈部在高速撞击下的损伤进行初步的探究。目前专家们使用了各种试验和数学仿真方法进行了颈部损伤机理研究，但是试验方法的材料昂贵且难于获取，还受到伦理道德的限制，机械模型和多刚体模型的生物仿真度较差，而随着有限元技术的发展，有限元模型不但能够反映人体颈椎详细的解剖结构，而且可以模拟颈椎在不同加载条件下的生物力学响应，采用有限元分析方法，是目前比较普遍和成本最低的方法，能够有效的对车辆碰撞事故中的颈部损伤机理进行分析和预测。
　　本文采用医院提供的正常国人50百分位颈部CT扫描数据，建立了一个具有高生物逼真度的人体上颈部有限元模型，通过对其进行高速（30km/h、60km/h、90km/h、120km/h）撞击下的模拟研究，分析了高速碰撞下上颈椎的冲击动力响应。该模型由皮质骨、松质骨、小关节、韧带、椎间盘等组织构成，并依据各部位生理特性及相关参考文献，给各部位赋予了不同的材料属性。通过两个经典的实体试验验证了本模型的有效性。运用建立的有限元模型对高速碰撞工况下的颈部损伤进行了研究，通过不同速度条件下的前、后碰撞仿真模拟，分别获取椎骨、椎间盘、横韧带和小关节的力的曲线。通过对曲线和应力云图分析并结合解剖学对前、后碰撞工况下产生的颈部损伤部位以及可能的损伤机理进行了分析和预测。分析结果初步揭示了高速前、后碰撞工况下上颈椎各部位的损伤情况，为后续的高速碰撞研究提供了参考。通过研究表明，本文所建立的上颈椎模型具有较高的生物仿真度，且具有一定的可靠性，因此模型可用于交通事故中颈部损伤机理以及各部位损伤分析研究。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 颈部损伤的研究现状

1．2．1 颈部的损伤机理和准则

1．2．2 颈部损伤研究方法

1．3 本文的主要内容和目的

1．3．1 本文的主要内容

1．3．2 本文的目的和意义

第二章 基于CT图像的上颈椎有限元建模及验证

2．1 颈椎的解剖学特征

2．2 基于Mimics软件的上颈椎几何建模

2．2．1 CT图像的导入和定位

2．2．2 阈值分析

2．2．3 区域增长

2．2．4 去除头骨部分

2．2．5 空洞处理

2．2．6 三维建模

2．2．7 有限元的前处理

2．3 上颈椎三维有限元模型的建立和验证

2．3．1 在ANSYS中进行体网格的划分

2．3．2 在Hypermesh中建立其它部分的模型

2．3．3 在LS-DYNA中定义材料属性和边界条件

2．4 模型验证

2．4．1 志愿者前碰撞试验验证

2．4．2 志愿者后碰撞试验验证

2．5 本章小结

第三章 高速前碰撞工况下上颈椎的动力学响应

3．1 上颈椎各部分动力学响应

3．1．1 撞击速度30km／h

3．1．2 撞击速度60km／h

3．1．3 撞击速度90km／h

3．1．4 撞击速度120km／h

3．2 撞击速度对上颈椎动力行为的影响

3．2．1 速度对平板-C1应力的影响

3．2．2 速度对横韧带-C1力的影响

3．2．3 速度对横韧带-C2力的影响

3．2．4 速度对椎间盘1与C2和C3力的影响

3．2．5 速度对软骨-C3与C1-C2力的影响

3．3 本章小结

第四章 高速后碰撞工况下上颈椎的动力学响应

4．1 上颈椎各部分动力学响应

4．1．1 撞击速度30km／h

4．1．2 撞击速度60km／h

4．1．3 撞击速度90km／h

4．1．4 撞击速度120km／h

4．2 撞击速度对上颈椎动力行为的影响

4．2．1 速度对平板-C1以及C1-C2力的影响

4．2．2 速度对椎间盘1与C2和C3力的影响

4．2．3 速度对软骨-C3力的影响

4．2．4 横韧带与C1和C2之间力的影响

4．3 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 本文工作总结

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文