三岁儿童头部有限元模型的构建及颅脑损伤响应研究

摘要

儿童头部损伤生物力学的重要研究内容是探究儿童头部损伤机理及其耐受极限，从而为儿童头部保护装置和安全系统的开发提供理论支撑和生物力学数据。近几十年来，应用真实的头部有限元模型进行尸体实验重构和事故碰撞仿真已成为研究头部损伤生物力学的重要手段，而儿童头部模型的生物仿真度、颅脑组织材料参数的选取及仿真实验条件的设置在很大程度上影响模型在预测儿童头部损伤时的准确性。
　　本研究基于国内外近几十年来针对儿童头部损伤生物力学研究领域所构建的儿童头部有限元模型进行综述，从模型的构建方法、单元属性、验证方法以及模型应用等方面进行全面总结，并基于前人所构建模型的优缺点，建立了真实的三岁儿童头部有限元模型，该模型区分了儿童脑组织的灰质与白质，提取并划分出脑室、海马体、间脑等脑深部组织结构，是目前国内外儿童头部有限元模型中解剖学结构最为详细的模型之一，通过重构儿童头部尸体实验，验证了模型的有效性。
　　应用已验证的三岁儿童头部有限元模型进行冲击仿真，通过实验设计和方差分析，探讨直接冲击载荷条件下的颅脑组织材料参数对儿童头部冲击响应的影响。结果表明，颅骨弹性模量及脑组织粘弹性材料对儿童头部冲击响应具有显著性影响。
　　首次采用对撞的加载方式探究不同年龄儿童头部在同一冲击载荷条件下的颅脑响应差异，进而探讨目前汽车安全法规中使用相同的基于线性加速度的头部损伤判断准则(HIC值不大于1000)来评估不同年龄儿童头部损伤的合理性。结果表明，同一冲击条件下，三岁儿童头部HIC值较六岁儿童大，在碰撞过程中，当六岁儿童头部刚好要发生损伤时，三岁儿童头部可能已经发生较严重的头部损伤，建议针对年龄较小的儿童使用较小的HIC值来评价其头部损伤。
　　借助儿童及成人头部有限元模型进行转动仿真，对比研究儿童脑震荡即弥漫性轴索损伤(DAI)的损伤阈值，根据仿真结果计算得到了以CSDM和MPS两种预测指标为基础的儿童脑损伤风险曲线。基于CSDM和MPS两种预测指标只能通过有限元模型计算得到而无法直接检测的缺点，本文进一步研究得到产生相同脑损伤时的头部转动角速度和角加速度值。首次提出以实际可测的头部转动角速度和角加速度做为损伤阈值来预测转动载荷条件下的脑损伤，为预测实际当中的脑震荡损伤提供了一种新方法。

目录

声明

摘要

1 儿童头部有限元模型研究综述

1．1 儿童头部解剖学结构概述

1．2 儿童头部有限元模型研究进展

1．2．1 胎儿头部有限元模型

1．2．2 新生儿头部有限元模型

1．2．3 婴儿头部有限元模型

1．2．4 三岁儿童头部有限元模型

1．2．5 六岁儿童头部有限元模型

1．2．6 十岁儿童头部有限元模型

1．2．7 儿童头部有限元模型研究总结

1．3 本文研究内容

2 三岁儿童头部有限元模型的构建及验证

2．1 头部模型建模

2．2 头部模型材料选取

2．3 头部模型有效性验证

2．3．1 头部静态压缩仿真

2．3．2 头部跌落仿真

2．4 本章小结

3 颅脑组织材料参数对儿童头部冲击响应的影响

3．1 儿童头部冲击载荷条件设置

3．2 实验设计

3．3 数据分析与讨论

3．3．1 颅骨材料参数对头部冲击响应的影响

3．3．2 脑组织材料参数对头部冲击响应的影响

3．4 本章小结

4 基于头部损伤判断准则(HIC)的儿童颅脑响应研究

4．1 儿童头部碰撞仿真边界条件设置

4．2 仿真结果

4．2．1 头部模型运动初始速度

4．2．2 颅脑响应

4．3 讨论

4．3．1 头部HIC值与质心合加速度

4．3．2 颅内压力

4．3．3 脑组织最大剪应力

4．3．4 额骨von Mises应力

4．3．5 脑组织最大主应变

4．4 本章小结

5 转动载荷条件下的脑损伤机理研究

5．1 转动载荷条件下的儿童脑损伤阈值预测

5．1．1 头部转动仿真边界条件设置

5．1．2 脑组织累积应变损伤响应

5．1．3 脑损伤阈值

5．2 脑组织材料参数对头部转动响应的影响研究

5．2．1 实验条件设置

5．2．2 脑组织材料参数分析

5．3 本章小结

6 结论

7 展望

参考文献

9 攻读硕士学位期间发表论文情况

致谢