人上、下頜骨火器傷動態(tài)模擬及有限元生物力學分析的初步研究-.pdf

1、頜面部位置暴露，戰(zhàn)時防護薄弱，和平時也是暴力、自傷的重點部位，在全身火器傷的發(fā)生中，頜面部火器傷所占比例較大。因此，頜面部火器傷的救治是頜面部乃至全身創(chuàng)傷救治中的重點問題。目前用于創(chuàng)傷彈道學研究的頜面部傳統(tǒng)火器傷模型仍然以動物模型為主，輔以尸體及人工材料模型。然而，由于可重復性差以及目前陪受關注的醫(yī)學倫理方面的原因，動物及尸體模型的應用受到很大限制。人工材料模型雖然具有與人體組織相近的生物力學性質。但其制作成本高，費時長。隨著社會和科學

2、技術的發(fā)展，這些模型已越來越顯露出其局限性，因此，我們需要采用新的方法來建立更加理想的致傷模型。
　　 有限元法又稱有限元分析法（Finite Element Analysis，F(xiàn)EA）或有限元素法（FiniteElement Method，F(xiàn)EM），是在工程科學技術領域廣泛應用的數(shù)理方法。有限元法的基本原理是把整個結構看作由有限個細小單元組合而成的實體，整體的力學特性是由每個個體單元的力學特征疊加整合后反映出來，最常用于解決復

3、雜的工程學問題，目前已廣泛應用于生物力學研究中。
　　 有限元法能夠分析物體內及物體間的復雜力學過程，預測力學作用產生的效應（如模型的應力、應變、形狀、溫度等的變化），并且能夠在電腦上直觀顯示或輸出計算結果以供分析，具有可重復性好、節(jié)約實驗成本、實驗條件易控制等優(yōu)點，可以彌補傳統(tǒng)的火器傷模型在致傷過程研究中的不足。因此，有限元法的運用將有助于頜面部火器傷致傷機理的深入研究，并能為頜面部火器傷致傷部位傷情的快速判斷、火器傷的迅速救

4、治、戰(zhàn)時的防護以及評估投射物致傷效應等等提供新的思路和方法。
　　 本研究以前期建立的豬下頜骨火器傷有限元模型為基礎，采用經動物實驗驗證的有限元模型內置參數(shù)，建立了可視化數(shù)字人上、下頜骨火器傷三維有限元模型，用有限元方法動態(tài)模擬不同投射條件下投射物侵徹人上、下頜骨的過程，并對人上、下頜骨火器傷的生物力學機制進行了初步探討。
　　 研究方法和結果：
　　 1．將中國可視化數(shù)字人（Chinese Visible Hu

5、man, CVH）頭面部計算機X 射線斷層掃描（Computed Tomography，CT）數(shù)據導入MIMICS 軟件中，經過三維圖像獲取、實體模型重建后得到人上、下頜骨面網格模型；將上、下頜骨面網格模型導入ANSA 軟件中，采用六面體單元與五面體及四面體單元結合的方式建立人上、下頜骨火器傷三維有限元模型。建立的人上頜骨三維有限元模型的單元數(shù)為372501，節(jié)點數(shù)為751410；下頜骨三維有限元模型的單元數(shù)為275216，節(jié)點數(shù)為13

6、87101，所有單元均為實體單元。結果表明，該模型網格劃分合理，單元質量好，與真實標本的幾何外形相似程度高，細節(jié)損失小。
　　 2．在前期動物實驗建模的基礎上，選擇適合的材料模型、生物力學參數(shù)、邊界條件及接觸算法，對所建立的人下頜骨火器傷三維有限元模型加載不同的入射條件（兩種投射物、兩個投射部位、三個入射角度及三種入射初速度），在LS-DYNA 軟件中進行仿真計算，動態(tài)模擬人下頜骨火器傷的致傷過程、應力傳導及分布的情況。結果表明

7、，本研究所建立的人下頜骨火器傷三維有限元模型幾乎全采用六面體單元建模，滿足了多個投射物多角度多部位打擊下頜骨的研究需要，并提高了計算精度。不僅可以動態(tài)模擬不同入射條件下，下頜骨受打擊的過程及損傷的嚴重程度，還可以觀察投射物的運行軌跡及比較其投射效率；并且，通過對應力的計算，還可以動態(tài)模擬火器傷過程中應力在下頜骨中傳導的方式及各部位應力隨時間分布的情況。
　　 3．采用與下頜骨相同的材料模型、生物力學參數(shù)及接觸算法，設定適合的邊界

8、條件，對所建立的人上頜骨火器傷三維有限元模型加載不同的入射條件（一個入射角度、兩種投射物、兩個投射部位及三種入射初速度），在LS-DYNA 軟件中進行仿真計算，動態(tài)模擬人上頜骨火器傷的致傷過程、應力傳導及分布的情況。結果表明，本研究所建立的人上頜骨火器傷三維有限元模型采用四面體單元、五面體單元與六面體單元結合的方式建立人上頜骨三維有限元模型，在兼顧了計算效率和計算精度的基礎上，降低了建模成本及運算時間，可以動態(tài)模擬不同入射條件下上頜骨受

9、打擊的過程及損傷的嚴重程度，還可以動態(tài)模擬火器傷過程中應力在上頜骨及顱底中傳導的方式及各部位應力分布隨時間的變化情況。
　　 結論：
　　 1．成功建立了人上、下頜骨火器傷三維有限元模型，該模型細節(jié)部分網格劃分十分理想，細節(jié)損失小，幾何相似程度高；各項網格單元質量檢查結果均達到設定的檢查標準，網格單元尺寸較均勻；裝配后的上、下頜骨火器傷有限元模型符合動態(tài)模擬要求。
　　 2．在以下頜角及頦部正中為入射點，且入射角

10、度限定在45°至90°之間時，下頜骨火器傷的致傷特點是：1）、入射角度越小，下頜骨受損傷的程度越重，投射物的致傷效率也越高；2）、入射初速度越大，下頜骨受損傷的程度越重，但投射物的致傷效率卻越低；3）、鋼珠的致傷效率遠高于子彈，而子彈對下頜骨的損傷程度可能在大多數(shù)情況下均大于鋼珠，但在入射角度接近于90°時，隨著入射初速度的增加，鋼珠對下頜骨的損傷程度可能大于子彈；4）、投射物在下頜角部位入射時對下頜骨造成的損傷程度及致傷效率均大于頦部

11、正中入射；5）、在下頜骨的火器傷發(fā)生時，擊入側髁狀突頸部發(fā)生骨折的可能性較大；6）、距離下頜骨傷道越近，應力在該部位分布越集中。
　　 3．在以上頜骨側面的前點及后點入射，且入射角度與矢狀面垂直時，上頜骨火器傷的致傷特點是：1）、在上頜骨前點入射時投射物對上頜骨造成的損傷及致傷效率略大于上頜骨后點入射；2）、入射初速度越大，上頜骨受損傷的程度越重，但投射物的致傷效率卻越低；3）、子彈對上頜骨造成的損傷大于鋼珠，但其致傷效率卻小于