頜面撞擊傷對顱底損傷的生物力學動態(tài)仿真研究.pdf

1、頜面部處于人體暴露部位，易遭受外界撞擊，解剖結(jié)構(gòu)上頜面部緊鄰顱腦，遭受撞擊時極易伴發(fā)顱腦損傷。近年來，隨著我國經(jīng)濟建設和社會的快速發(fā)展及汽車的普及，交通事故導致的伴發(fā)顱腦損傷的頜面部損傷高發(fā)。如何提高伴發(fā)顱腦損傷的頜面撞擊傷(MII)的救治成功率成為頜面外科醫(yī)生需要解決的難題。因此，了解頜面部撞擊傷對顱腦損傷的規(guī)律及特點是解決難題的關(guān)鍵。
　　有限元法（FEM）因其可重復性好，可替代很多動物實驗，因此廣泛應用于工程和生物力學領域。

2、前期也采用有限元方法成功模擬了豬下頜骨槍彈傷和爆炸傷的動態(tài)仿真過程，并在動物實驗上得以驗證。充分證明有限元法在生物力學方面進行仿真模擬的可行性。
　　本研究主要通過建立顱頜面部骨組織三維有限元模型，利用 Hypermesh、LS-DYNA等有限元分析仿真軟件，對頜面撞擊傷進行動態(tài)仿真，模擬面部遭受撞擊后顱底應力傳導和分布，采集仿真結(jié)果數(shù)據(jù)進行分析，探尋面部不同部位撞擊傷對顱底損傷的規(guī)律。嘗試3D打印顱骨進行頜面部生物力學實驗驗證，

3、從而探索用3D打印模型進行有限元生物力學分析驗證的可靠性。
　　方法：頜面部撞擊傷仿真模擬：將采集的志愿者顱頜面計算機斷層掃描（CT）掃描獲取的醫(yī)學數(shù)字圖像和通訊（DICOM）數(shù)據(jù)導入Mimics15.0軟件三維重建，在Hypermesh軟件中進行體網(wǎng)格劃分，完成顱頜面三維有限元模型的建立，最后在LS-DYNA軟件中設置撞擊工況和各項參數(shù)，并計算撞擊的致傷過程。獲取相應數(shù)據(jù)進行分析。
　　實驗驗證有限元方法的探索：利用3D打

4、印的面中部顱骨，枕部固定，選取額部正中和雙側(cè)眶下緣為受力點，對顱骨施加恒定大小的外力，利用應力應變感應片測得顱底標志點應變大小。選取人面中部骨組織三維有限元模型在ANSYS WORKBENCH中進行面部受力穩(wěn)態(tài)模擬，載荷大小與實驗大小一致。采集顱底各標志點應變大小。將模擬數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)進行對比。
　　結(jié)果：
　　1、成功建立了與志愿者顱頜面骨外形高度一致的三維有限元模型，該模型網(wǎng)格數(shù)量為72962。
　　2、對頜面部右

5、側(cè)上頜骨、左側(cè)眶下緣、左側(cè)顴骨體三個部位進行撞擊傷的動態(tài)仿真，撞擊物為底面直徑3cm，質(zhì)量5kg的剛性圓柱體，撞擊速度8.6m/s。撞擊右側(cè)上頜骨時右側(cè)上頜骨、顴骨出現(xiàn)明顯骨折和骨折塊的移位，眶下緣和顴骨體遭受撞擊時為局部粉碎性骨折。
　　3、通過有限元分析和計算，獲取三個撞擊部位遭受撞擊時顱頜面應力云圖，顱底各標記點應力-時間變化曲線；同一時刻顱底各標記點應力大小對比，以及顱底各標記點在撞擊過程中達到最大應力值所需時間的對比。<

6、br>　　4、利用3D打印顱骨進行面部加載荷試驗，測量顱底各標記點應變值大小，與ANSYS WORKBENCH中施加相同載荷時穩(wěn)態(tài)模擬獲取的顱底各標記點應變值大小的對比。
　　5、WORKBENCH穩(wěn)態(tài)模擬與加載實驗測得顱底標記點應變大小數(shù)值的對比分析，顯示軟件模擬數(shù)據(jù)與加載實驗數(shù)據(jù)基本一致。
　　結(jié)論：
　　1、應用CT掃描數(shù)據(jù)和Mimics軟件重建人顱頜面骨的三維模型，從幾何外形和力學特性來說，其相似程度均較高，且

7、技術(shù)比較成熟，應用前景廣泛。
　　2、HYPERMESH、LS-DYNA等有限元應用軟件能仿真模擬頜面部遭受撞擊后的動態(tài)過程，骨折線的分布情況和骨折塊的移位情況與教材典型損傷情形基本一致。
　　3、頜面部撞擊傷的模擬能顯示出顱底應力傳導與分布情況，通過數(shù)據(jù)分析，能發(fā)現(xiàn)面部不同部位遭受撞擊后顱底典型的應力集中區(qū)域，為頜面部撞擊傷的防護提供理論依據(jù)。
　　4、3D打印的顱頜骨模型載荷試驗與有限元ANSYS穩(wěn)態(tài)模擬結(jié)果基本一