下頜骨火器傷有限元仿真及生物力學機制的初步研究.pdf

1、頜面部是人體的暴露部位,戰(zhàn)時防護薄弱,平時是暴力、自傷的重點部位,在全身各部位的火器傷中,頜面部火器傷占有較大比例。無論平戰(zhàn)時,頜面部火器傷創(chuàng)傷彈道學研究都是全身創(chuàng)傷彈道學研究中的重點問題之一。由于動物模型無法直觀動態(tài)地觀察到模型內(nèi)部的致傷過程,加上頜面部解剖結(jié)構(gòu)精細、組織器官生物力學性質(zhì)相差大,無法采用人工材料進行模擬,所以頜面部火器傷的研究中,尚無可以用于致傷過程中生物力學機制研究的模型,這也是目前相關(guān)研究的瓶頸之一。
　　

2、 有限元法又稱有限元素法(Finite Element Method,FEM)或有限元分析法(FiniteElement Analysis,FEA),是20世紀50年代末60年代初興起的應(yīng)用數(shù)學、現(xiàn)代力學及計算機科學相互滲透、綜合利用的邊緣科學。有限元法的原理是把整個結(jié)構(gòu)看作由有限個細小單元相互連接而成的幾何實體,每個單元的力學特征的總裝效果反映出結(jié)構(gòu)的整體力學特性,是解決復雜工程學問題的必備工具之一,目前已廣泛應(yīng)用于生物力學研究中。<

3、br>　　 火器傷致傷機理是投射物與機體二者相互作用的物理、病理和解剖的復雜變化過程,其實質(zhì)是投射物與機體組織之間的生物力學作用及效應(yīng)。有限元法能夠分析物體間及物體內(nèi)部的復雜力學過程,預(yù)測力學作用的效應(yīng)(如模型的形狀、溫度等改變),并且可以在電腦上直觀顯示或輸出量化的計算結(jié)果以供分析,具有可重復性好、節(jié)約實驗成本、實驗條件容易控制等優(yōu)點,可彌補目前火器傷模型在致傷過程生物力學機制研究中的不足。因此,將有限元方法運用于頜面部火器傷研究中

4、,有助于頜面部火器傷致傷機理的深入研究,能為頜面部火器傷診斷、救治、防護及投射物致傷效應(yīng)評估提供新的工具和思路。
　　 針對目前頜面部火器傷研究中動物、尸體及人工材料模型在致傷生物力學機制研究中的不足,本研究建立了豬下頜骨火器傷三維有限元模型,通過動物實驗驗證所采用有限元方法的合理性;用有限元方法仿真不同力學載荷、邊界條件下投射物侵徹豬下頜骨的過程,對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(jié)果:

5、r>　　 1.將豬下頜骨計算機X射線斷層掃描(computed tomography,CT)數(shù)據(jù)導入MIMICS軟件,經(jīng)過三維圖像重建、實體模型重建后得到豬下頜骨面網(wǎng)格模型;將豬下頜骨面網(wǎng)格模型導入ANSA軟件,采用六面體網(wǎng)格與四面體網(wǎng)格結(jié)合的方式建立豬下頜骨火器傷三維有限元模型。建立的豬下頜骨三維有限元模型的單元數(shù)為674863,節(jié)點數(shù)為261997,所有單元均為實體單元。結(jié)果表明:該模型網(wǎng)格劃分合理,單元質(zhì)量好,與真實標本的幾何外

6、形相似程度高,細節(jié)損失小;采用四面體單元與六面體單元結(jié)合方式建立豬下頜骨三維有限元模型,降低了建模成本,同時兼顧了計算效率和計算精度,能夠滿足下頜骨火器傷生物力學機制研究的需要。
　　 2.通過改良豬下頜骨火器傷動物實驗?zāi)Ｐ?用不同射速、不同形狀投射物致傷豬下頜骨標本的下頜角部位,測量各種致傷參數(shù)及致傷過程中豬下頜骨的生物力學參數(shù),為分析下頜骨火器傷生物力學機制和驗證有限元模型提供可靠的數(shù)據(jù)。結(jié)果表明:實驗方法合理,重復性好,測

7、量到的數(shù)據(jù)具有代表性。
　　 3.通過選擇適合的材料模型、生物力學參數(shù)及接觸算法,加載與動物實驗相似的力學載荷和邊界條件,用所建立的豬下頜骨火器傷三維有限元模型在LS-DYNA軟件中進行仿真計算;通過比較有限元仿真結(jié)果與動物實驗中的實測數(shù)據(jù),驗證所采用的有限元方法的合理性。結(jié)果表明,本研究所采用的有限元方法合理、可靠,對下頜骨火器傷生物力學作用機制及其效應(yīng)有較好的預(yù)測能力,能滿足深入研究下頜骨火器傷生物力學機制的要求。
　

8、　 4.利用經(jīng)過驗證的有限元模型及仿真方法,加載不同力學載荷、邊界條件,進行了不同形狀、不同速度投射物侵徹豬下頜骨過程的有限元仿真;從不同角度觀察并分析投射物侵徹豬下頜骨的有限元仿真結(jié)果,結(jié)合本研究動物實驗結(jié)果及既往文獻資料,對下頜骨火器傷的生物力學機制進行了初步探討。結(jié)果表明:骨組織損傷除了與投射物的物理特性(飛行速度、飛行狀態(tài)、形狀及質(zhì)量等)有關(guān),還和投射物與骨組織間、骨組織與骨組織間的生物力學作用有關(guān),后兩者是導致入口及出口損傷

9、范圍差異的主要原因;下頜骨損傷的嚴重程度與骨組織應(yīng)變率相關(guān);所采用的有限元方法能合理解釋投射物侵徹下頜骨過程中部分生物力學機制。
　　 5.本研究采用無網(wǎng)格法與有限元法聯(lián)合建立豬下頜軟硬組織復合體模型并進行相關(guān)仿真,初步探討有無網(wǎng)格法仿真肌肉組織火器傷,部分仿真結(jié)果與致傷條件相似的動物實驗結(jié)果接近,說明無網(wǎng)格法在肌肉組織火器傷仿真中有較好的應(yīng)用前景。
　　 結(jié)論:
　　 1.成功建立了豬下頜骨火器傷三維有限元模型

10、,驗證了所建模型及所采用的有限元分析方法的合理性和可靠性。明確了在研究火器傷生物力學機制方面,有限元方法可以彌補目前火器傷研究模型的不足。
　　 2.投射物侵徹下頜骨過程中,骨組織損傷除了與投射物的物理特性有關(guān),還和投射物與骨組織間、骨組織與骨組織間的生物力學作用有關(guān),后兩者是導致入口及出口損傷范圍差異的主要原因。
　　 3.投射物侵徹下頜骨過程中,應(yīng)變率的大小及持續(xù)時間可以作為判斷和評價骨組織損傷嚴重程度的標準之一,也