頜面撞擊傷對(duì)顱底損傷的生物力學(xué)動(dòng)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(shí)極易伴發(fā)顱腦損傷。近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)的快速發(fā)展及汽車(chē)的普及，交通事故導(dǎo)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(duì)顱腦損傷的規(guī)律及特點(diǎn)是解決難題的關(guān)鍵。
　　有限元法（FEM）因其可重復(fù)性好，可替代很多動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，因此廣泛應(yīng)用于工程和生物力學(xué)領(lǐng)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(dòng)態(tài)仿真過(guò)程，并在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)上得以驗(yàn)證。充分證明有限元法在生物力學(xué)方面進(jìn)行仿真模擬的可行性。
　　本研究主要通過(guò)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(duì)頜面撞擊傷進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，模擬面部遭受撞擊后顱底應(yīng)力傳導(dǎo)和分布，采集仿真結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，探尋面部不同部位撞擊傷對(duì)顱底損傷的規(guī)律。嘗試3D打印顱骨進(jìn)行頜面部生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，

3、從而探索用3D打印模型進(jìn)行有限元生物力學(xué)分析驗(yàn)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(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）掃描獲取的醫(yī)學(xué)數(shù)字圖像和通訊（DICOM）數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics15.0軟件三維重建，在Hypermesh軟件中進(jìn)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(shè)置撞擊工況和各項(xiàng)參數(shù)，并計(jì)算撞擊的致傷過(guò)程。獲取相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。
　　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(diǎn)，對(duì)顱骨施加恒定大小的外力，利用應(yīng)力應(yīng)變感應(yīng)片測(cè)得顱底標(biāo)志點(diǎn)應(yīng)變大小。選取人面中部骨組織三維有限元模型在ANSYS WORKBENCH中進(jìn)行面部受力穩(wěn)態(tài)模擬，載荷大小與實(shí)驗(yàn)大小一致。采集顱底各標(biāo)志點(diǎn)應(yīng)變大小。將模擬數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)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(duì)頜面部右

5、側(cè)上頜骨、左側(cè)眶下緣、左側(cè)顴骨體三個(gè)部位進(jìn)行撞擊傷的動(dòng)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(shí)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(shí)為局部粉碎性骨折。
　　3、通過(guò)有限元分析和計(jì)算，獲取三個(gè)撞擊部位遭受撞擊時(shí)顱頜面應(yīng)力云圖，顱底各標(biāo)記點(diǎn)應(yīng)力-時(shí)間變化曲線；同一時(shí)刻顱底各標(biāo)記點(diǎn)應(yīng)力大小對(duì)比，以及顱底各標(biāo)記點(diǎn)在撞擊過(guò)程中達(dá)到最大應(yīng)力值所需時(shí)間的對(duì)比。<

6、br>　　4、利用3D打印顱骨進(jìn)行面部加載荷試驗(yàn)，測(cè)量顱底各標(biāo)記點(diǎn)應(yīng)變值大小，與ANSYS WORKBENCH中施加相同載荷時(shí)穩(wěn)態(tài)模擬獲取的顱底各標(biāo)記點(diǎn)應(yīng)變值大小的對(duì)比。
　　5、WORKBENCH穩(wěn)態(tài)模擬與加載實(shí)驗(yàn)測(cè)得顱底標(biāo)記點(diǎn)應(yīng)變大小數(shù)值的對(duì)比分析，顯示軟件模擬數(shù)據(jù)與加載實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致。
　　結(jié)論：
　　1、應(yīng)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(xué)特性來(lái)說(shuō)，其相似程度均較高，且

7、技術(shù)比較成熟，應(yīng)用前景廣泛。
　　2、HYPERMESH、LS-DYNA等有限元應(yīng)用軟件能仿真模擬頜面部遭受撞擊后的動(dòng)態(tài)過(guò)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(yīng)力傳導(dǎo)與分布情況，通過(guò)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(yīng)力集中區(qū)域，為頜面部撞擊傷的防護(hù)提供理論依據(jù)。
　　4、3D打印的顱頜骨模型載荷試驗(yàn)與有限元ANSYS穩(wěn)態(tài)模擬結(jié)果基本一