CN103198196A - 基于有限元法重建在碾压和撞击情况下下肢损伤的方法 - Google Patents

Abstract

一种基于有限元方法重建在碾压以及撞击情况下下肢损伤的方法，包括步骤：步骤一、构建模块化的三维有限元模型；步骤二、对三维有限元模型进行装配，得到下肢碾压伤三维有限元模型和撞击伤三维有限元模型；步骤三、对人体下肢三维有限元模型进行装配，加载不同初始速度，分别对碾压伤发生情景和撞击伤发生情景进行模拟，分别得到碾压伤模拟结果和撞击伤模拟结果；步骤三、碾压伤模拟结果、撞击伤模拟结果与实际损伤对比，筛选出符合损伤的初始条件作为损伤生物力学依据。本发明重建车轮碾压和撞击下肢不同部位形成的骨折，可从不同角度、不同层次观察和记录下肢长骨的骨折发生过程，且操作方便、节省材料。

Description

基于有限元法重建在碾压和撞击情况下下肢损伤的方法

技术领域

本发明涉及一种计算机模拟法医学技术领域，具体是涉及一种基于有限元方法重建在碾压以及撞击情况下下肢损伤的方法。

背景技术

下肢损伤是法医鉴定实践中的常见损伤，可致严重伤残或死亡。现有的鉴定方法主要凭肉眼观察，传统经验判断损伤的致伤方式，存在个人主观性强，其结果笼统、不直观，对下肢损伤力学机制无法给出清晰、直观的解释。由于人体组织的生物力学属性和响应性的差别，对于致伤方式复杂的交通伤鉴定，仅从损伤形态学上准确推断碰撞瞬间的损伤形成过程仍缺乏直观有效的技术手段。因此，有必要建立更为有效的技术方法，对下肢损伤在时－空－力上进行重建，为法医鉴定提供更客观的证据。

有限元法是从工程结构分析发展起来的求解连续介质力学问题的数值分析方法，属于计算力学范畴。该方法在特定载荷的条件下，用离散的单元模拟实物，通过所有单元响应的“和”给出物体的总体响应。人体组织器官通过三维建模和单元离散，最终形成人体有限元模型，在给定边界条件、载荷和材料特性后，通过计算机求解方程组，得到人体模型的位移、应力、应变、内力等结果，从而重建和预测可能发生的损伤部位、损伤形态及损伤程度，为法医损伤鉴定提供参考依据。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种基于有限元方法重建在碾压以及撞击情况下下肢损伤的方法。通过重建基于真实人体解剖学的数字化有限元模型，赋予能反映生物组织力学特性的材料属性，验证有限元模型的有效性，得到可信的下肢模型；在下肢模型上加载人体损伤、车辆检验结果等信息参数作为边界条件，反复迭代运算，得到符合真实损伤的模拟结果，为下肢损伤鉴定提供科学的生物力学证据。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于有限元方法重建在碾压以及撞击情况下下肢损伤的方法，该方法包括如下步骤：

步骤一、构建模块化的三维有限元模型：

（1）对人体或尸体的下肢进行CT扫描，获取影像数据；

应用多层螺旋CT（Multislice CT,MSCT）扫描下肢（从髂前上棘至足底），获取数字影像和通信标准格式（DICOM格式）的下肢影像数据，扫描参数为电压，电流，层厚，螺距，球管转速，床高，采集视野，图像像素；

（2）构建人体下肢三维有限元模型：

构建下肢股骨、胫骨、腓骨、膑骨、半月板、大腿、膝部韧带以及肌肉皮肤模型，并按照标准解剖学位置装配，分别对松质骨、密质骨、肌肉、韧带赋予相应的材料参数，得到下肢三维有限元模型；

（3）验证步骤（2）构建的人体下肢三维有限元模型；

（4）设置车轮宽度和高宽比以及轮胎内直径，并赋予其相应的材料参数，构建简易车轮三维有限元模型；

（5）设置简易保险杠的长、宽、高，并赋予相应的材料参数，从而构建简易保险杠三维有限元模型。

步骤二、对三维有限元模型进行装配，加载不同初始速度，分别对碾压伤发生情景和撞击伤发生情景进行模拟，分别得到碾压伤模拟结果和撞击伤模拟结果：

（1）碾压伤发生情景模拟：将人体下肢三维有限元模型放于刚性平面，简易车轮三维有限元模型以不同初始速度碾压下肢损伤部位的下肢三维有限元模型，得到碾压伤模拟结果；

（2）撞击伤发生情景模拟：下肢模型股骨头上加载集中质量，简易保险杠模型由外侧向内侧以不同初始速度碰撞下肢损伤部位的下肢三维有限元模型，得到撞击伤模拟结果；

步骤三、将碾压伤模拟结果、撞击伤模拟结果与实际损伤对比，筛选出符合损伤的初始条件作为损伤生物力学依据。

所述的不同初始速度分别为10m/s，20m/s，40m/s的速度。

步骤四、模拟结果与实际损伤对比，筛选出符合损伤的初始条件作为损伤生物力学依据。

与现有技术相比，本发明的技术效果如下：

1、基于真实人体的CT扫描数据，所构建的体下肢三维有限元模型具有高度的人体相似性、特异性，能够基于具体案例建立相应的特异性的下肢模型，从而得到更准确的模拟结果。

2、本发明构建的模型经过验证，模型的计算结果与实际结果吻合，模拟结果更加可靠、可信，满足司法鉴定的证据要求。

3、能够真实地重建车轮碾压和撞击下肢不同部位形成的骨折，可从不同角度、不同层次观察和记录下肢长骨的骨折发生过程。

4、结果表现形式多样，可以应力、应变、位移云图表示损伤部位，可引入失效准则直接模拟骨折的发生部位与损伤程度，同时亦可应用动画直观表现损伤过程，或应用力学指标数值定量分析致伤方式和机制。

5、下下肢三维有限元模型一次建模，重复使用，模拟过程操作较简便，结果可重复性好，生物力学依据更具科学客观性。

附图说明

图1是人体下肢三维有限元模型。

图2是下肢有限元模型与尸体实验数据结果之间的对比验证结果，其中（a）为股骨接触力-挠度曲线（b）为小腿弯矩-位移曲线。

图3是碾压伤发生情景模拟模型。

图4是撞击伤发生情景模拟模型。

图5是股骨受车轮碾压骨折发生序列图。

图6是简易保险杠模型撞击胫骨平台情况下骨折发生序列图。

图7是速度20m/s碾压情况下股骨不同部位的应力-时间曲线。

具体实施方式

下面以具体下肢损伤为例，结合附图对本发明作详细实施说明，但并不将本发明的应用范围限制在所述的实施例范围之中。

参考图1～图3，首先对人体（或尸体）进行CT扫描，获取下肢的影像数据用于下肢三维模型构建。在Mimics中建立并装配下肢三维模型，构建车轮以及简易保险杠模型；对骨骼、肌肉、韧带、皮肤、车轮以及保险杠分别赋予材料属性并进行损伤模型的装配，得到碾压伤及撞击伤的下肢有限元模型。参考图4～图6，确定边界条件加载不同的碾压和撞击速度，进行有限元损伤生物力学分析，得到下肢骨折的发生过程。

步骤一、构建模块化的三维有限元模型：

（1）、下肢CT扫描，获取影像数据：

CT：40排多层螺旋CT扫描，尸体呈仰卧位扫描，扫描范围为颅顶至足底，扫描参数为120KV，380eff.mAs，层厚5mm（Acq.40×0.6mm），螺距0.55:1，球管转速0.5s/r，床高125cm，采集视野200mm；图像像素为1024×1024，以DICOM格式断层图像输出。

（2）构建人体下肢三维有限元模型：

下肢DICOM影像数据导入医学图像软件Mimics中，通过Mimics的阈值分割、布尔操作、区域增长、蒙罩编辑、模型生成、曲面光滑、空洞包裹等功能，生成的下肢三维曲面模型，将三维模型导入ICEM CFD中生成实体模型，应用结构化网格方法手动划分骨骼为六面体，自动划分周围肌肉组织为以六面体为主的混合单元模型，韧带为四边形壳单元。

（3）验证步骤（2）构建的人体下肢三维有限元模型：

参考图2，应用下肢长骨及小腿的三点弯曲实验数据对人体下肢三维有限元模型的有校性进行验证，股骨、小腿模型的两端分别固定于圆形的支撑体中，支撑体平放于刚性平面之上，可自由转动。碰撞物直径25mm，方向垂直于股骨及小腿的长轴，方向向下，碰撞速度1m/s，提取碰撞物与股骨的接触力，碰撞物与胫、腓骨的弯矩数据。实验所产生的股骨接触力-挠度曲线以及小腿弯矩-位移曲线与文献尸体试验数据对比。结果证明人体下肢三维有限元模型产生的骨折部位与实验结果一致，三点弯曲产生的最大作用力为3580N，位于实验数据范围之内，接触力-挠度走势与实验数据一致，且大小位于实验数据范围之内。腓骨的最大弯矩为63Nm，胫骨的最大弯矩为176Nm，位于实验结果范围之内。本验证表明了人体下肢三维有限元模型的有效性。

（4）构建185/65 R14（胎宽、高宽比、内径）简易车轮三维有限元模型。控制单元质量以使模型能够稳定高效地运算，本模型单元长/宽比≤5，单元质量≥0.3。

（5）构建300mm×70mm×50mm的简易保险杠三维有限元模型

对下肢各组织、车轮以及保险杠模型赋予材料属性（见表1）。

表1  下肢各组织、车辆及保险杠材料属性

步骤二、对三维有限元模型进行装配，模拟下肢碾压伤发生情景和下肢撞击伤发生情景：

碾压伤发生情景：建立刚性平面模拟地面，在有限元软件中将下肢有限元模型平放于刚性平面，不对下肢模型进行约束，下肢与刚性平面之间定义为面面接触，车轮模型立放于大腿中段部位，以设定速度碾压大腿。

撞击伤三维有限元模型：在下肢有限元模型的股骨头表面的节点上平均分布30kg的集中质量，将下肢模型以站立位立于刚性平面上，下肢与刚性平面之间定义为面面接触，简易保险杠模型位于胫骨近端平面位置，限制上下方向的位移，以一定速度撞击胫骨近端部位。

步骤三、加载不同的初始速度，对碾压伤和撞击伤进行模拟，分析得到碾压伤和撞击伤的模拟结果。

碾压伤的模拟：简易车轮模型分别以10m/s，20m/s，40m/s的速度碾压下肢损伤部位的下肢三维有限元模型，本实施例为大腿模型。车轮重370kg（约为全轿车车重的1/4）。

撞击伤的模拟：简易保险杠模型由外侧向内侧分别以10m/s，20m/s，40m/s的速度碰撞下肢损伤部位的下肢三维有限元模型，本实施例为胫骨模型，简易保险杠模型的最低位置距地面35cm。

参考图4、图6，在碾压情况下与轮胎锐利边相接触的部位应力集中，导致碾压过程中骨骼瞬间发生骨折，而中间部位的骨折其所受的应力在整个过程中则相对稳定，不达到破坏的强度，最终导致股骨呈节段性的骨折的破坏特征。参考图5，在撞击条件下，胫腓骨在保险杠撞击水平部位发生骨折，呈典型的保险杠骨折形态。

步骤四、模拟结果与实际损伤对比，筛选出符合损伤的初始条件（碾压或撞击，作用部位以及作用速度的总称）作为损伤生物力学依据。

实际案例的股骨中段为节段性骨折，而碾压伤损伤模型的骨折亦为节段性骨折，两者的骨折部位与形态较相吻合，撞击情况下下肢有限元模型的碰撞部位出现胫腓骨骨折，其形态具有楔形的保险杠骨折特点，与实际的骨折特点不相吻合。因此，实际损伤与碾压及撞击模拟结果的比较表明，股骨的节段性骨折与车轮碾压之间存在因果关系，可排除保险杠直接撞击的可能性。本发明表明有限元模型的模拟分析可用于人体损伤机制的深入探讨，其结果更清晰、更易理解。

Claims (2)

1.一种基于有限元方法重建在碾压以及撞击情况下下肢损伤的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤一、构建模块化的三维有限元模型：

（1）对人体或尸体的下肢进行CT扫描，获取影像数据；

应用多层螺旋CT从髂前上棘至足底扫描下肢，获取数字影像和通信标准格式的下肢影像数据，扫描参数为电压，电流，层厚，螺距，球管转速，床高，采集视野和图像像素；

（2）构建人体下肢三维有限元模型：

构建下肢股骨、胫骨、腓骨、膑骨、半月板、大腿，膝部韧带以及皮肤模型，并按照标准解剖学位置装配，分别对松质骨、密质骨、肌肉、韧带赋予相应的材料参数，得到下肢三维有限元模型；

（3）验证步骤（2）构建的人体下肢三维有限元模型；

（4）设置车轮宽度和高宽比以及轮胎内直径，并赋予其相应的材料参数，构建简易车轮三维有限元模型；

（5）设置简易保险杠的长、宽、高，并赋予相应的材料参数，从而构建简易保险杠三维有限元模型；

步骤二、对人体下肢三维有限元模型进行装配，加载不同初始速度，分别对碾压伤发生情景和撞击伤发生情景进行模拟，分别得到碾压伤模拟结果和撞击伤模拟结果：

（1）碾压伤发生情景模拟：将人体下肢三维有限元模型放于刚性平面，简易车轮三维有限元模型以不同初始速度碾压下肢损伤部位的下肢三维有限元模型，得到碾压伤模拟结果；

（2）撞击伤发生情景模拟：下肢模型股骨头上加载集中质量，简易保险杠模型由外侧向内侧以不同初始速度碰撞下肢损伤部位的下肢三维有限元模型，得到撞击伤模拟结果；

步骤三、将碾压伤模拟结果、撞击伤模拟结果与实际损伤对比，筛选出符合损伤的初始条件作为损伤生物力学依据。

2.权利要求1所述的基于有限元方法重建在碾压以及撞击情况下下肢损伤的方法，其特征在于，所述的不同初始速度分别为10m/s，20m/s，40m/s的速度。

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