后碰撞中人体颈部冲击动力学响应的有限元分析及研究

论文摘要

各种交通事故引起的损伤中,后碰撞所导致的颈部损伤占较大比例,常造成致命伤害。理解后碰撞造成的损伤及其功能紊乱的潜在机制,对由此造成伤害的进一步防护、诊断、治疗具有重要作用。随着计算机的发展,有限元模型被广泛应用于生物力学研究。旨在根据冲击动力学响应分析要求,建立中国人全颈椎三维有限元模型,以期用于后碰撞中人体颈部冲击动力学响应分析及研究。该模型以中国50百分位成年男性为建模素材,通过螺旋CT扫描生成DICOM格式图像数据;利用Materialist mimics、逆向软件Geomagic及Pro-E进行三维重建;运用TrueGrid划分网格,有限元模型由椎骨、椎间盘（髓核、纤维环及软骨终板）、韧带和肌肉构成,用实体单元、梁单元和索单元进行模拟,其材料分别定义为线弹性、粘弹性和索。在LS-DYNA中仿真,与后碰撞志愿者实验数据基本相符,从而验证了模型的有效性。验证后的模型用于后碰撞过程中人体颈部内、外部响应参数的分析及研究,得到头颈部速度、加速度曲线,各椎骨间相对转角,各椎骨、椎间盘、韧带的应力、应变曲线。颈部“S”形曲线、“C”形曲线得到很好体现;各组织应力及应变数值随时间增长而增大,达到一定峰值后则随时间增大而减小,其峰值都发生在“S”形、“C”形曲线出现阶段。各椎骨的最大应力、应变发生于椎体上,上位颈椎中C2应力、应变值较大,而下位颈椎中T1数值最大。各髓核、纤维环、终板最大应力、应变主要发生在其前后缘,其中髓核、纤维环最大值发生于C7-T1间:终板最大应力值位于C4-C5间,最大应变值出现在C5-C6间。前纵韧带C7-T1段的应力、应变值最大。后碰撞易产生骨折及软组织撕裂等损伤。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 车辆交通事故中颈部损伤问题
• 1.2 研究目的和主要工作
• 2 颈部解剖学结构及其后碰撞生物力学
• 2.1 颈部解剖结构
• 2.1.1 椎骨解剖学结构
• 2.1.2 颈部肌肉的解剖结构
• 2.1.3 椎间盘的解剖结构
• 2.1.4 韧带的解剖结构
• 2.2 颈部在后碰撞中的运动学
• 2.2.1 颈部损伤生物力学
• 2.2.2 后碰撞的运动学分析
• 2.3 颈部损伤现象和损伤机理
• 2.4 颈部损伤准则及耐受极限
• 2.4.1 颈部损伤准则NIC
• km和N^ij'>2.4.2 颈部损伤准则N^km和N^ij
• 2.4.3 颈部损伤准则NDC
• 2.4.4 颈部损伤准则IV-NIC
• 2.4.5 颈部承受力和弯矩的耐受限度
• 2.5 颈部损伤研究方法及现状
• 2.5.1 实验研究
• 2.5.2 仿真研究
• 3 颈部有限元模型的建立
• 3.1 有限元算法基础
• 3.1.1 控制方程
• 3.1.2 有限元方程
• 3.1.3 数值计算
• 3.2 有限元模型的建立
• 3.2.1 几何模型的建立
• 3.2.2 有限元模型建立
• 4 颈部有限元模型的验证
• 4.1 位移载荷方法
• 4.2 加速度载荷方法
• 4.3 讨论
• 5 后碰撞中人体颈部生物力学响应及研究
• 5.1 后碰撞中人体颈部生物力学响应
• 5.1.1 头颈整体动力学响应
• 5.1.2 颈椎局部动力学响应
• 5.1.3 颈部各组织应力及应变
• 5.2 后碰撞中人体颈部耐受性分析
• 5.3 后碰撞中人体颈部损伤预测及保护措施
• 5.3.1 损伤预测
• 5.3.2 建议及保护措施
• 6 结论及展望
• 6.1 课题研究总结
• 6.2 今后工作展望
• 7 参考文献
• 8 论文发表情况
• 9 致谢