頸椎建模方法及模型應(yīng)用研究.pdf

1、汽車交通事故每年都給世界各國(guó)造成了巨大的人員傷亡和社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失。其中，頸部損傷是交通傷中最為常見的損傷之一，已經(jīng)引起了各國(guó)政府和研究者的高度重視。各國(guó)研究者先后采用了各種方法對(duì)頸部損傷機(jī)理進(jìn)行研究，以期望利用其研究結(jié)果指導(dǎo)汽車乘員約束系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計(jì)。計(jì)算機(jī)仿真方法是目前比較普遍和成本最低的方法。該方法的關(guān)鍵就是如何快速建立一個(gè)解剖結(jié)構(gòu)完整、生物逼真度高的頸部有限元模型。 本文通過對(duì)大量參考文獻(xiàn)和前人工作的研究與總結(jié)，對(duì)頸椎建模

2、方法進(jìn)行了深入研究，提出了一套快速頸椎建模方法。目前，幾何尺寸建模法和三坐標(biāo)建模法比較常見。但是，幾何尺寸建模法的建模精度較低，三坐標(biāo)建模法的成本較高、容易丟失特征信息且建模效率也是相當(dāng)?shù)偷?。因此，本文研究采用的是CT建模方法，該方法不僅克服了以上缺點(diǎn)，而且還確保了數(shù)據(jù)均來源于活體，保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。映射網(wǎng)格劃分方法也是本次建模的一大特點(diǎn)。它能夠有效控制網(wǎng)格單元質(zhì)量和數(shù)量，保證模型的計(jì)算精度，大大縮短模型計(jì)算時(shí)間。多類別數(shù)據(jù)模型驗(yàn)證更

3、是保證了模型的有效性和應(yīng)用廣泛性，彌補(bǔ)了以往單一數(shù)據(jù)驗(yàn)證的局限性。 本文首先利用CT斷層掃描系統(tǒng)對(duì)國(guó)人50百分位體型志愿者的頸椎進(jìn)行掃描，獲得頸部二維CT圖像。然后通過對(duì)人體頸椎解剖結(jié)構(gòu)的研究，利用MIMICS軟件對(duì)CT圖像進(jìn)行處理，提取頸椎的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)完成人體頸椎幾何模型的重構(gòu)。通過對(duì)比分析表明，該頸椎幾何模型的解剖結(jié)構(gòu)表達(dá)完整，幾何輪廓準(zhǔn)確的反映了頸椎的真實(shí)結(jié)構(gòu)，建模速度較快。 在Hypermesh軟件

4、平臺(tái)上對(duì)頸椎幾何模型進(jìn)行有限元的前處理工作，完成頸椎有限元模型的建立。該模型對(duì)頸椎椎骨、韌帶、椎間盤和肌肉等解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行了準(zhǔn)確細(xì)致的模擬。為了保證模型的有效性，本文對(duì)頸椎模型進(jìn)行了頭頸墜落離體試驗(yàn)和前、后碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明，該模型具有良好的生物逼真度，能夠作為頸椎損傷機(jī)理研究的有效工具。 本文將該頸椎模型與韋恩州立大學(xué)所建立的人體模型進(jìn)行耦合。經(jīng)過耦合后的韋恩人體模型在頸部方面得到了明顯的改進(jìn)，克服了此前頸椎結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、碰