基于CT數(shù)據(jù)顱骨有限元模型的建立及枕部墜落傷和打擊傷應(yīng)力分析的研究.pdf

1、目的：
　　顱腦是人體最重要的生命中樞，也是損傷后致死率和致殘率最高的器官。在法醫(yī)傷害案件中，頭部常是主要打擊的目標(biāo)，因此對顱骨墜落傷和打擊傷的鑒別，也一直是法醫(yī)檢案鑒定研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。本研究基于正常人體頭部CT數(shù)據(jù)對顱骨進(jìn)行三維重建并生成顱骨有限元模型。用該經(jīng)過有效性驗(yàn)證后的有限元模型進(jìn)行枕部墜落傷和打擊傷模擬和力學(xué)分析。以數(shù)字技術(shù)為顱骨損傷中墜落傷和打擊傷的鑒別提供理論參考。
　　方法：
　　1.選取一名成年健康

2、女性作為模擬對象，利用螺旋CT采集顱骨數(shù)據(jù)。
　　2.利用Mimics15.0軟件和Geomagic Studio12.0軟件建立顱骨三維幾何模型
　　3.在Mimics15.0的3-matic7.0中和ANSYS Workbench14.0的Explict Dynamics（LS-DYNA Export）模塊構(gòu)建顱骨有限元模型。
　　4.與Yoganandan尸體實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對比來驗(yàn)證模型有效性。
　　5.在ANS

3、YS Workbench14.0和LS-DYNA971軟件中模擬5.1 m/s、6 m/s、10 m/s的速度下枕部墜落傷和打擊傷。分析這兩種工況應(yīng)力傳播途徑，比較應(yīng)力分布情況、接觸力-時(shí)間曲線、沖擊與對沖部位壓力變化。
　　結(jié)果：
　　1.成功地建立了除下頜骨、舌骨以外的顱骨三維幾何模型。
　　2.在Mimics15.0的3-matic模塊中和ANSYS Workbench14.0中生成了顱骨有限元模型。其中包括枕骨

4、密質(zhì)1個(gè)、枕骨松質(zhì)2個(gè)、其余顱骨密質(zhì)1個(gè)和其余顱骨松質(zhì)10個(gè)，總節(jié)點(diǎn)數(shù)為238009個(gè)，總單元數(shù)為942663個(gè)。
　　3.依據(jù)Yoganandan的尸體實(shí)驗(yàn)對本研究所建立的顱骨有限元模型進(jìn)行驗(yàn)證。尸體實(shí)驗(yàn)峰值接觸力為14034N，本驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)峰值接觸力為13323 N，比文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)小了約5％。當(dāng)接觸力達(dá)到峰值后，曲線有下降趨勢表明顱骨發(fā)生了塑性屈服。本研究得出的接觸力-位移曲線與參考的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)測得的曲線在趨勢上基本保持了相似性，證明

5、了本實(shí)驗(yàn)構(gòu)建的有限元模型的有效性，可以進(jìn)一步進(jìn)行顱骨損傷的生物力學(xué)分析研究。
　　4.聯(lián)合ANSYS Workbench14.0和LS-DYNA971軟件，模擬了在不同速度下顱骨枕部的墜落傷，同時(shí)輸出了等效應(yīng)力（Von Mises Stress）分布云圖。由應(yīng)力云圖可知，枕部墜落傷時(shí)應(yīng)力主要傳播途徑為枕部-顱底-額部；以5.1 m/s速度碰撞時(shí)，應(yīng)力除主要集中于枕骨中部外，還在枕骨周圍骨縫、枕內(nèi)隆凸、枕骨大孔、枕骨基底部、頸靜脈孔

6、、乙狀竇溝、內(nèi)耳門、顳骨巖部尖端、破裂孔、卵圓孔、垂體窩、額骨眶板、翼點(diǎn)附近、顴弓、眶下裂及上頜骨處形成應(yīng)力集中區(qū)；以6m/s速度碰撞時(shí)，應(yīng)力除分布于上述部位以外，還波及到視神經(jīng)管和蝶骨小翼；以10m/s速度碰撞時(shí)，應(yīng)力集中部位又增加了篩板以及額骨眉間部位。同時(shí)比較枕部在不同碰撞速度下接觸力-時(shí)間曲線可得知：隨著墜落高度升高，碰撞速度越大，接觸面的峰值接觸力越大，達(dá)到峰值接觸力的時(shí)間越早。額部和枕部壓力曲線表明：沖擊處的枕部壓力為正值，

7、而對沖處的壓力為正負(fù)值交替變化。
　　5.聯(lián)合ANSYS Workbench14.0和LS-DYNA971軟件，模擬了在不同速度下顱骨枕部的錘子打擊傷，輸出了等效應(yīng)力（Von Mises Stress）分布云圖。由應(yīng)力云圖可知，打擊頭顱枕骨中部時(shí)，應(yīng)力也是主要沿著枕部-顱底-額部途徑進(jìn)行傳播；以5.1 m/s速度打擊時(shí)，應(yīng)力集中部位出現(xiàn)在枕骨中部，枕骨周圍骨縫、枕內(nèi)隆凸、枕骨大孔、枕骨基底部、頸靜脈孔、乙狀竇溝、內(nèi)耳門、顳骨巖部尖

8、端、破裂孔、卵圓孔、垂體窩、額骨眶板、翼點(diǎn)附近、顴弓、眶下裂及上頜骨處；以6m/s速度打擊時(shí)，應(yīng)力集中部位除上述部位以外，還波及到視神經(jīng)管；以10 m/s速度碰撞時(shí)，應(yīng)力集中部位也增加了篩板以及額骨眉間部位。但應(yīng)力集中范圍比同速度墜落的小。比較打擊部位在不同速度下接觸力-時(shí)間曲線，表明打擊速度越大，則接觸面的峰值接觸力越大，達(dá)到峰值接觸力的時(shí)間越早。額部和枕部壓力曲線表明：沖擊處的枕部壓力為正值，而對沖處的額部壓力為正負(fù)值交替變化。

9、r>　　6.同速度下，兩種不同損傷的應(yīng)力云圖比較顯示：墜落傷應(yīng)力集中區(qū)域比打擊傷更廣；接觸力-時(shí)間曲線比較顯示：墜落傷峰值接觸力比打擊傷大；沖擊處的枕部壓力比較顯示：墜落傷和打擊傷所造成的枕部壓力差別不大；對沖處的額部壓力比較顯示：墜落傷時(shí)額部正負(fù)壓變化幅度比打擊傷更大。
　　結(jié)論：
　　1.基于正常人頭顱CT數(shù)據(jù)，應(yīng)用相應(yīng)軟件重建出解剖結(jié)構(gòu)相似度高的人體顱骨三維幾何模型和有限元模型。
　　2.與國外經(jīng)典的尸體頭部損傷

10、實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較，驗(yàn)證了本研究模型的有效性，可進(jìn)行生物力學(xué)仿真模擬。
　　3.成功模擬了顱骨枕部的墜落傷和暴力打擊傷并比較了兩種損傷生物力學(xué)指標(biāo)。可知枕骨中部受力時(shí)應(yīng)力傳播主要方向?yàn)檎聿?顱底-額部。顱骨應(yīng)力集中區(qū)域與臨床上顱底骨折的好發(fā)部位一致。同工況下，速度越大，越易發(fā)生顱骨損傷。對沖性額部骨折的原因可能是由于正負(fù)壓交替所致的疲勞性骨折。
　　4.同速度下，墜落造成的減速性顱骨損傷比無墊襯暴力打擊造成的顱骨加速性損傷應(yīng)力分布