CN112036064B - 人颌面部爆炸伤模拟及生物力学仿真方法、系统、介质 - Google Patents
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Abstract
本发明属于计算机建模技术领域，公开了一种人颌面部爆炸伤模拟及生物力学仿真方法、系统、介质。选取TNT炸药为致伤物，爆炸目标为左侧下颌角中点，通过ANSA软件建立人颌面部解剖几何形态，通过光滑粒子动力学方法建立人下颌、TNT炸药的粒子模型，并设定炸药粒子间距，分析爆炸冲击波对人颌面部软硬组织的影响。本发明分析人下颌软硬组织爆炸伤致伤过程及生物力学特点，分析光滑粒子动力学方法在人下颌软硬组织爆炸伤研究中的有效性，为颌面部软硬组织爆炸伤模型提供新方法。本发明光滑粒子动力学方法在颌面部软硬组织爆炸伤中相对于有限元研究方法具有显著优势，为颌面部爆炸伤模型研究提供新方法。
Description
技术领域
本发明属于计算机建模技术领域，尤其涉及一种人颌面部爆炸伤模拟及生物力学仿真方法、系统、介质。
背景技术
目前，爆炸武器在现代战争中广泛应用，颌面部由于缺少防护，导致颌面部爆炸伤比例较高，而且颌面部爆炸伤救治困难，致伤及致死率较高，因此建立人颌面部软硬组织爆炸伤模型以及系统分析颌面部爆炸伤致伤机制、损伤特点以及防护、救治要点是颌面部战创伤研究的重点。三维有限元法(Three-dimensional finite element method，FEM)能够分析物体间及物体内部的复杂力学变化，预测力学作用的效应可应用于颌面部爆炸伤模型研究，是颌面部战创伤模型研究常用的方法。课题组前期已将FEM应用于颌面部骨组织的火器伤、爆炸伤、撞击伤的研究，取得良好实验效果，FEM在爆炸伤研究中具有一定局限性，表现为在模型高速大变形时，容易出现网格过度畸变，从而导致计算出错或结果不可靠，而光滑粒子动力学方法(smoothed particle hydrodynamics，SPH)可弥补FEM研究的不足。
SPH其基本思想是将复杂的颌面部软硬组织三维形状离散成有限个带质量的粒子，粒子之间不需要单元网格连接，而是通过计算函数将它们联系起来，物理性质全部分配在粒子上，由各个粒子表现出力学性质，从而避免了FEM研究中单元格畸变和负体积产生。近年来，SPH是一种新兴的方法，还未在颌面部爆炸伤领域应用，SPH方法在生物力学仿真研究中得到应用，但大多集中于血液流体模拟，对于软硬组织爆炸损伤生物力学模拟，则未见有相关研究。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：SPH方法在生物力学仿真研究中得到应用，大多集中于血液流体模拟，对于软硬组织爆炸损伤生物力学模拟，则未见有相关研究。
解决以上问题及缺陷的难度为：随着现代战争的复杂化，爆炸冲击波是一个典型的大变形、高温、高压及高应变率的损伤，数值模拟技术为研究颌面部软硬组织爆炸伤问题提供了强有利的手段，能在时间和空间上更全面的获得生物力学信息。传统有限元模拟爆炸冲击波时会出现单元格扭曲、网格畸变等问题,严重的影响颌面部软硬组织爆伤损伤。而SPH具有其独特的优势，如不需要对模型进行划分网格，爆炸冲击波也不会使网格扭曲变形，因此SPH方法能够成功实现对颌面部软硬组织爆炸损伤的仿真。
解决以上问题及缺陷的意义为：颌面部爆炸伤的致伤过程是多因素的，全面深入的对颌面部爆炸伤致伤机制的研究，需尽力模拟爆炸伤致伤过程，精准模拟爆炸伤致伤模型，才能对颌面部爆炸伤损伤机制和伤情特点进行全面认识，才能促进颌面部爆炸伤的临床救治和战场防护。本研究通过SPH方法建立人下颌骨硬组织、咬肌软组织的爆炸伤三维模型，研究该模型对颌面部软硬组织爆炸伤仿真的有效性，为颌面部爆炸伤研究提供新方法。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种人颌面部爆炸伤模拟及生物力学仿真方法、系统、介质。
本发明是这样实现的，一种人颌面部爆炸伤模拟及生物力学仿真方法，所述基于光滑粒子离散的人下颌爆炸伤模拟及生物力学仿真方法包括：
选取TNT炸药为致伤物，爆炸目标为左侧下颌角中点；
在ANSA软件中创建炸药几何形态，并划分为四节点四面体单元，建立空气域四面体网格，将炸药及颌面部软硬组织网格全部包围在内，从而建立人下颌软硬组织爆炸伤FEM模型；
通过编程软件建立TNT炸药的粒子模型，并设定炸药粒子间距，在SPH方法中，TNT爆炸粒子产生的冲击波直接传递并作用于人软硬组织SPH粒子。
通过SPH方法模拟了爆炸冲击波对咬肌、下颌骨爆炸损伤情况，结果显示光滑粒子动力学研究方法在颌面部软硬组织爆炸伤中相对于有限元研究方法对组织大变形、裂纹扩展、爆炸冲击方面相对于有限元研究具有显著优势，可为颌面部爆炸伤模型研究提供新方法。
进一步，所述人颌面部爆炸伤模拟及生物力学仿真方法选取TNT炸药为致伤物，爆炸目标为左侧下颌角中点，爆炸距离为3cm，其中TNT炸药密度为1590kg/m3，1000mg的TNT炸药体积为628.93mm3。
进一步，所述人颌面部爆炸伤模拟及生物力学仿真方法通过编程软件建立TNT炸药的粒子模型，并设定炸药粒子间距为0.5mm，共得到粒子5832个。
进一步，所述人颌面部爆炸伤模拟及生物力学仿真方法的三维有限元法FEM模型的建立包括：利用MIMICS软件中阈值分割功能，从数据中提取下颌骨和咬肌模型，骨阈值226-3071，肌肉阈值-718-177，建立咬肌-下颌骨软硬组织三维模型，将模型进行面网格划分，导入ANSA软件中进行体四节点四面体网格划分，并设置单元格尺寸为3mm，最后生成FEM咬肌-下颌骨实体网格模型。
进一步，所述人颌面部爆炸伤模拟及生物力学仿真方法的SEM模型的建立包括：将建立的咬肌-下颌骨软硬组织三维模型，通过编程软件Microsoft VisualStudio和IntelVisual Fortran将模型离散成SPH粒子，设定粒子间距为3mm，各粒子在三维空间中离散均匀分布，下颌骨和咬肌的模型设置与FEM一致，将FEM中的网格划分改为SPH粒子的建立。
进一步，所述人颌面部爆炸伤模拟及生物力学仿真方法的FEM模型材料属性设置，在LS-DYNA程序中下颌骨组织采用分段线性弹塑性材料模型*MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTI-CITY，咬肌采用各向同性粘弹性材料模型*MAT_VISCOELASTIC，并根据*MAT_ADD_-EROSION设置相应的失效应变，TNT炸药采用高爆材料模型*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN，并设置状态方程*EOS_JW，空气采用空材料模型*MAT_NULL和状态方程*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL进行模拟，节点约束的失效方式设定为应变失效，失效值为0.08；将完成参数设定及算法设定的人下颌软硬组织爆炸伤FEM模型导入有限元运算软件LS-DYNA中，选用LS-DYNA程序中的**CONTACT_ERODING_NODES_TO_SURFACE运算。
进一步，所述人颌面部爆炸伤模拟及生物力学仿真方法的SPH模型的参数设置，下颌骨、咬肌和TNT炸药的材料参数、爆炸状态方程、失效准则与FEM模型中相同，TNT爆点设置在炸药中心；下颌骨与咬肌接触处的粒子保持为共结点耦合关系，而炸药粒子和下颌骨、咬肌粒子之间设置为接触边界条件，将两侧髁突上的粒子进行约束，禁止其向任何方向自由移动；
通过SPH方法模拟了爆炸冲击波对咬肌、下颌骨爆炸损伤情况，结果显示光滑粒子动力学研究方法在颌面部软硬组织爆炸伤中相对于有限元研究方法对组织大变形、裂纹扩展、爆炸冲击等方面相对于有限元研究具有显著优势，可为颌面部爆炸伤模型研究提供新方法。
本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
选取TNT炸药为致伤物，爆炸目标为左侧下颌角中点；
在ANSA软件中创建炸药几何形态，并划分为四节点四面体单元，建立空气域四面体网格，将炸药及颌面部软硬组织网格全部包围在内，从而建立人下颌软硬组织爆炸伤FEM模型；
通过编程软件建立TNT炸药的粒子模型，并设定炸药粒子间距，在SPH方法中，TNT爆炸粒子产生的冲击波直接传递并作用于人软硬组织SPH粒子。
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
选取TNT炸药为致伤物，爆炸目标为左侧下颌角中点；
在ANSA软件中创建炸药几何形态，并划分为四节点四面体单元，建立空气域四面体网格，将炸药及颌面部软硬组织网格全部包围在内，从而建立人下颌软硬组织爆炸伤FEM模型；
通过编程软件建立TNT炸药的粒子模型，并设定炸药粒子间距，在SPH方法中，TNT爆炸粒子产生的冲击波直接传递并作用于人软硬组织SPH粒子。
本发明的另一目的在于提供一种软硬组织爆炸损伤生物力学模拟终端，所述软硬组织爆炸损伤生物力学模拟终端运行所述的人颌面部爆炸伤模拟及生物力学仿真方法。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明建立的人下颌软硬组织爆炸伤光滑粒子动力学模型与人解剖结构相似，细节损失少，爆炸伤仿真结果与三维有限元结果接近，该方法在研究颌面部软硬组织爆炸伤中对组织大变形、裂纹扩展、爆炸冲击等方面相对于有限元研究具有显著优势。光滑粒子动力学研究方法在颌面部软硬组织爆炸伤中相对于有限元研究方法具有显著优势，可为颌面部爆炸伤模型研究提供新方法。
本发明建立人下颌软硬组组爆炸伤SPH模型，分析人下颌软硬组织爆炸伤致伤过程及生物力学特点；对比研究SPH和FEM方法在人下颌软硬组织爆炸伤模型中的有效性，为颌面部软硬组织爆炸伤模型研究提供新方法。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的人颌面部爆炸伤模拟及生物力学仿真方法流程图。
图2是本发明实施例提供的人颌面部软硬组织FEM模型A：肌肉、颌骨B：肌肉、颌骨、空气域及TNT炸药。
图3是本发明实施例提供的人下颌骨、咬肌TNT爆炸伤SPH粒子模型示意图。
图4是本发明实施例提供的爆炸距离3cm，1000mg TNT爆炸后0.1ms时下颌骨爆炸伤应力云图分析(A：SPH应力云图，B：FEM应力云图)示意图。
图5是本发明实施例提供的爆炸距离3cm，1000mg TNT爆炸后0.025ms时咬肌爆炸伤应力云图分析(A：SPH应力云图，B：FEM应力云图)示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种人颌面部爆炸伤模拟及生物力学仿真方法、系统、介质，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明提供的人颌面部爆炸伤模拟及生物力学仿真方法包括以下步骤：
S101：选取TNT炸药为致伤物，爆炸目标为左侧下颌角中点，爆炸距离为3cm，其中TNT炸药密度为1590kg/m3，1000mg的TNT炸药体积为628.93mm3；
S102：在ANSA软件中创建炸药几何形态，并划分为四节点四面体单元，建立空气域四面体网格，将炸药及颌面部软硬组织网格全部包围在内，从而建立人下颌软硬组织爆炸伤FEM模型；
S103：通过编程软件建立TNT炸药的粒子模型，并设定炸药粒子间距为0.5mm，共得到粒子5832个，在SPH方法中，TNT爆炸粒子产生的冲击波可以直接传递并作用于人软硬组织SPH粒子，爆炸冲击波不必通过空气域传播，因此SPH爆炸伤模型不需要对空气域设置；
S104：通过SPH方法模拟了爆炸冲击波对咬肌、下颌骨爆炸损伤情况，结果显示光滑粒子动力学研究方法在颌面部软硬组织爆炸伤中相对于有限元研究方法对组织大变形、裂纹扩展、爆炸冲击等方面相对于有限元研究具有显著优势，可为颌面部爆炸伤模型研究提供新方法。
本发明提供的人颌面部爆炸伤模拟及生物力学仿真方法业内的普通技术人员还可以采用其他的步骤实施，图1的本发明提供的人颌面部爆炸伤模拟及生物力学仿真方法仅仅是一个具体实施例而已。
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。。
1、材料和方法
1.1实验设备与软件
实验设备：64排双螺旋CT(General Electric，美国)；Signa HD×3.0TMRI(General Electric，美国)；电脑：处理器Intel i7-7700K，八核，4.20GHz，内存16G，硬盘1TB；仿真模拟软件：MIMICS17.0(Materialise公司，比利时)；有限元处理软件：ANSA12.0.3(BETA公司，希腊)；仿真运算求解软件：LS-DYNA(LSTC公司，美国)；编程软件：MicrosoftVisualStudio 2013(美国微软公司)；Intel Visual Fortran 2013(美国Intel公司)
1.2人下颌软硬组织SPH和FEM模型的建立
健康成年男性(26岁，身高171，体重65kg，签署知情同意书及陆军军医大学第二附属医院伦理委员会审批)在陆军军医大学第二附属医院放射科经CT和MRI扫描，扫描范围为颅顶至第5颈椎层面，扫描层厚为0.625mm，分辨率为512×512像素，像素大小0.533mm，共获得数据393张，将数据以医学数字图像和通讯格式导入MIMICS 17.0进行下颌骨、咬肌三维模型建立。
FEM模型的建立
利用MIMICS软件中阈值分割功能，从数据中提取下颌骨和咬肌模型(骨阈值226-3071，肌肉阈值-718-177)，建立咬肌-下颌骨软硬组织三维模型，将模型进行面网格划分，然后导入ANSA软件中进行体四节点四面体网格划分，并设置单元格尺寸为3mm，最后生成FEM咬肌-下颌骨实体网格模型。
SEM模型的建立
将建立的咬肌-下颌骨软硬组织三维模型，通过课题组开发的编程软件MicrosoftVisualStudio和Intel Visual Fortran将模型离散成SPH粒子，设定粒子间距为3mm，各粒子在三维空间中离散均匀分布。下颌骨和咬肌的模型设置与FEM一致，只是将FEM中的网格划分改为SPH粒子的建立。
1.3人下颌软硬组织爆炸伤SPH和FEM模拟
选取TNT炸药为致伤物，爆炸目标为左侧下颌角中点，爆炸距离为3cm，其中TNT炸药密度为1590kg/m3，1000mg的TNT炸药体积为628.93mm3，在ANSA软件中创建炸药几何形态，并划分为四节点四面体单元。建立空气域四面体网格，将炸药及颌面部软硬组织网格全部包围在内，从而建立人下颌软硬组织爆炸伤FEM模型。通过编程软件建立TNT炸药的粒子模型，并设定炸药粒子间距为0.5mm，共得到粒子5832个，在SPH方法中，TNT爆炸粒子产生的冲击波可以直接传递并作用于人软硬组织SPH粒子，爆炸冲击波不必通过空气域传播，因此SPH爆炸伤模型不需要对空气域设置。
FEM模型材料属性设置
在LS-DYNA程序中下颌骨组织采用分段线性弹塑性材料模型*MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTI-CITY，咬肌采用各向同性粘弹性材料模型*MAT_VISCOELASTIC，并根据*MAT_ADD_-EROSION设置相应的失效应变，TNT炸药采用高爆材料模型*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN，并设置状态方程*EOS_JW，空气采用空材料模型*MAT_NULL和状态方程*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL进行模拟，模型材料参数见表1。为了仿真骨、咬肌受力变形断裂的情况，节点约束的失效方式设定为应变失效，失效值为0.08。将完成参数设定及算法设定的人下颌软硬组织爆炸伤FEM模型导入有限元运算软件LS-DYNA中，选用LS-DYNA程序中的**CONTACT_ERODING_NODES_TO_SURFACE运算。
表1下颌软硬组织爆炸伤模型材料参数
SPH模型的参数设置
在Visual Studio平台中使用Fortran 2003语言编写SPH算法程序，对颌面部软硬组织爆炸伤进行仿真运算。下颌骨、咬肌和TNT炸药的材料参数、爆炸状态方程、失效准则与FEM模型中相同，TNT爆点设置在炸药中心。下颌骨与咬肌接触处的粒子保持为共结点耦合关系，而炸药粒子和下颌骨、咬肌粒子之间设置为接触边界条件，以避免粒子相互穿透。将两侧髁突上的粒子进行约束，禁止其向任何方向自由移动。
2、结果
2.1人下颌软硬组织FEM模型的建立
建立了人下颌软硬组织爆炸伤的FEM实体网格模型，模型整体网格划分清晰、准确，几何外形与人体解剖结构相似(图2)。建立的咬肌-下颌骨FEM模型的单元格数为34687，节点数为925，所有模型单元格均为实体单元，最终得到的模型单元数及结点数见表2。
表2下颌软硬组织FEM模型四面体单元数及结点数
2.2人下颌软硬组织SPH模型的建立
将实验中的咬肌-下颌骨软硬组织三维模型模型通过编程软件离散成SPH粒子，共得到4538个粒子，设定粒子间距为3mm，各粒子在三维空间中离散均匀分布。爆炸致伤条件为爆炸距离3cm，TNT为1000mg，建立TNT炸药的粒子模型，并设定炸药粒子间距为0.5mm，共得到粒子5832个。成功建立了如图3所示的下颌骨、咬肌组织爆炸损伤SPH粒子模型，共有粒子10370个。
2.3人下颌骨爆炸伤SPH与FEM模型研究结果分析
图4显示为爆炸后0.1ms下颌骨的受力云图(A图)，研究结果显示下颌骨应力最集中的区域为下颌角区，左侧下颌乙状切迹、左侧髁状突颈部出现骨折，这与FEM模型中结果一致(B图)。但是下颌骨的最大应力分布区域与FEM模型中有一定的差别，主要表现为左侧下颌乙状切迹、髁突颈部应力集中面积小，下颌骨骨折不明显。
3、咬肌爆炸伤SPH与FEM模型研究结果受力分析
图5显示为爆炸后0.025ms咬肌的受力云图(A图)。研究结果显示咬肌爆炸伤SPH模型中，咬肌粒子表现出贯穿性撕裂损伤，与FEM模拟(B图)差异主要表现为咬肌撕裂损伤表现不明显，咬肌应力分布区域降低。FEM仿真计算在100μs时出现错误而导致运算中止，采用SPH方法后可仿真计算到6.7ms。
颌面部爆炸仿真研究中，常用的的方法是FEM仿真模拟，其核心思想是将三维模型离散成连续且具有规则形状的有限个单元网格，然后对单元网格赋予的材料模型和材料参数，通过FEM软件来运算单元格在爆炸冲击波中的的受力和变形情况，并且当某个单元格受力达到该材料的失效准则，该单元格就会被删除，从而表现为下颌骨折和肌肉组织撕裂损伤。但是随着对颌面部软硬组织模拟精度的要求越来越高，以及越来越复杂的致伤条件，FEM方法在爆炸损伤生物力学仿真中的局限性越来越明显，甚至成为了限制颌面部软硬组织爆炸损伤生物力学中应用的关键因素。
在颌面部软硬组织爆炸仿真中，冲击波载荷作用时间非常短，而在仿真运算时又必须将作用时间划分成更小的时间点，以便在更小的时间点内计算软硬组织单元格的受力和变形。如果单元格的刚度小，很容易在一个很小的时间点内就发生非常显著的变形，这种大变形会导致两种后果，一是导致应力集中区域单元格极度畸变，从而导致爆炸损伤效果失真，第二个是使单元格极度扭曲变形产生负体积，从而使有限元仿真运算结束。特别是在肌肉等软组织运算中，由于软组织弹性模量小，在冲击波载荷下单元格产生非常大的变形，容易出现上述结果，本发明中咬肌采用FEM爆炸仿真模拟即出现仿真停止现象。由于FEM方法的缺陷，因此在颌面部软组织的爆炸损伤仿真研究中，需要开发新的仿真方法。
SPH其基本思想是将复杂的颌面部软硬组织离散成空间内不连续的点阵，每个点阵称为粒子，因此SPH方法又是一种无网格仿真方法。无网格方法的基本思想是将连续的三维实体离散成有限个带质量的粒子，粒子之间不需要单元网格连接，而是通过计算函数将它们联系起来，物理性质全部分配在粒子上，由各个粒子表现出力学性质。粒子离散的好处是没有单元格的生成，从而避免了在FEM研究中单元格畸变和负体积而产生的影响。
爆炸是一个典型的大变形、高温、高压及高应变率的损伤，数值模拟为研究颌面部软硬组织爆炸伤问题提供了强有利的手段，能在时间和空间上更全面的获得生物力学信息。SPH在颌面部爆炸伤研究中有其独特的优势，不需要对模型进行划分网格，爆炸冲击波也不会使网格扭曲变形，因此SPH方法能够成功实现对颌面部软硬组织爆炸损伤的仿真。为了研究SPH方法在颌面部软硬组织爆炸伤研究中的有效性，本发明中通过SPH方法建立了人下颌骨硬组织、咬肌软组织的爆炸伤三维模型，并对该模型进行分析研究。人下颌占颌面部的1/2，是颌面部易受爆炸攻击的部位，爆炸伤发生概率较高，下颌角与颅脑、颈椎、咽、喉及舌根、眼、耳蜗等重要解剖结构相邻，爆炸伤后易并发颅脑、颈椎或上呼吸道损伤，导致伤员昏迷或休克，爆炸伤可导致舌体肿胀舌根后坠，导致伤员呼吸困难，爆炸伤可颈内外动静脉破裂导致颌面部大出血，因此分析该下颌角区域爆炸伤的生物力学机制对颌面部爆炸伤诊断、救治及防护有重要意义。
研究结果显示SPH模型结构与人解剖结构相似，细节损失少，但是相对于FEM模型其逼真度欠佳，下颌骨和咬肌的解剖特点未表现出来，具体表现为未区分下颌骨骨皮质和骨松质，咬肌未表现出肌肉纤维排列特点。造成这些的结果主要原因一方面是通过SPH方法建立的人下颌骨、咬肌模型粒子数较少，如果将人下颌骨、咬肌再一步细化得到更多的粒子其解剖形态和细节会更加逼真，但是粒子数目的增多会增加仿真模拟运算时间，本组研究中仿真模拟运算时间为72小时。另一方面目前SPH无网格法的研究还处于起步阶段，相关的研究较少，模拟分析软件还不够完善，本发明依据科学计算中常用的Fortran语言，编写SPH仿真算法对颌面部爆炸损伤进行仿真计算，然后将结果导入LS-PrePost后处理工具中进行分析，虽然取得一定的爆炸伤仿真模拟效果但是该软件编程计算效率，计算精度以及稳定性方面还有待进一步研究。
本发明中分别选取0.1ms和0.025的下颌骨、咬肌损伤最严重的时刻进行受力云图分析，结果显示通过SPH方法模拟颌面部爆炸伤显示下颌骨应力最集中的区域为下颌角区，左侧下颌乙状切迹、左侧髁状突颈部出现骨折，这与FEM研究中结果一致。但是下颌骨的最大应力分布区域与FEM中有一定的差别，主要表现为左侧下颌乙状切迹、髁突颈部应力集中面积小，下颌骨骨折不明显。咬肌爆炸伤SPH模型中，咬肌粒子表现出贯穿性撕裂损伤，并有一定程度的咬肌粒子反向飞溅，与FEM模拟差异主要表现为咬肌撕裂损伤表现不明显，咬肌应力分布区域降低。这主要是由于SPH仿真方法与FEM方法中对单元格失效的处理方式不同，在SPH仿真方法中，下颌骨和咬肌模型由离散的空间粒子组成，粒子与粒子之间存在相互作用力，当某个粒子因超过阈值导致失效时，该粒子并不会被删除，而是其与未发生失效的粒子之间不再有相互作用力，同时失效粒子之间仍然相互作用，而在有限元中研究中，当单元的受力达到其设定的失效值，该单元会被删除，从而产生裂纹，当相邻的多个单元被删除时，就产生了明显的骨折线和咬肌撕裂损伤[。
SPH研究方法在研究颌面部软硬组织爆炸伤中对求解组织大形变、裂纹扩展、爆炸冲击等方面相对于FEM研究方法具有显著优势，研究结果显示与FEM仿真结果接近，说明SPH方法在颌面部软硬组织爆炸伤仿真研究中具有较好的应用前景。在以后研究中可以将FEM和SPH方法结合起来，建立FEM与SPH的耦合模型，从而对颌面部软硬组织爆炸伤生物力学进行更加深入细致的研究。
应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种人颌面部爆炸伤模拟及生物力学仿真方法，其特征在于，所述人颌面部爆炸伤模拟及生物力学仿真方法包括：
选取TNT炸药为致伤物，爆炸目标为左侧下颌角中点；
在ANSA软件中创建炸药几何形态，并划分为四节点四面体单元，建立空气域四面体网格，将炸药及颌面部软硬组织网格全部包围在内，从而建立人下颌软硬组织爆炸伤FEM模型；
通过编程软件建立TNT炸药的粒子模型，并设定炸药粒子间距，在SPH方法中，TNT爆炸粒子产生的冲击波直接传递并作用于人软硬组织SPH粒子；
所述人颌面部爆炸伤模拟及生物力学仿真方法选取TNT炸药为致伤物，爆炸目标为左侧下颌角中点，爆炸距离为3cm，其中TNT炸药密度为1590kg/m3，1000mg的TNT炸药体积为628.93mm3；
所述人颌面部爆炸伤模拟及生物力学仿真方法的SEM模型的建立包括：将建立的咬肌-下颌骨软硬组织三维模型，通过编程软件MicrosoftVisualStudio和Intel VisualFortran离散成SPH粒子，设定粒子间距为3mm，各粒子在三维空间中离散均匀分布，下颌骨和咬肌的模型设置与FEM一致，将FEM中的网格划分改为SPH粒子的建立；
所述人颌面部爆炸伤模拟及生物力学仿真方法的SPH模型的参数设置，下颌骨、咬肌和TNT炸药的材料参数、爆炸状态方程、失效准则与FEM模型中相同，TNT爆点设置在炸药中心；下颌骨与咬肌接触处的粒子保持为共结点耦合关系，而炸药粒子和下颌骨、咬肌粒子之间设置为接触边界条件，将两侧髁突上的粒子进行约束，禁止其向任何方向自由移动。
2.如权利要求1所述的人颌面部爆炸伤模拟及生物力学仿真方法，其特征在于，所述人颌面部爆炸伤模拟及生物力学仿真方法通过编程软件建立TNT炸药的粒子模型，并设定炸药粒子间距为0.5mm，共得到粒子5832个。
3.如权利要求1所述的人颌面部爆炸伤模拟及生物力学仿真方法，其特征在于，所述人颌面部爆炸伤模拟及生物力学仿真方法的三维有限元法FEM模型的建立包括：利用MIMICS软件中的阈值分割功能，从数据中提取下颌骨和咬肌模型，骨阈值226-3071，肌肉阈值177-718，建立咬肌-下颌骨软硬组织三维模型，将模型进行面网格划分，导入ANSA软件中进行体四节点四面体网格划分，并设置单元格尺寸为3mm，最后生成FEM咬肌下颌骨实体网格模型。
4.如权利要求1所述的人颌面部爆炸伤模拟及生物力学仿真方法，其特征在于，所述人颌面部爆炸伤模拟及生物力学仿真方法的FEM模型材料属性设置，在LS-DYNA程序中下颌骨组织采用分段线性弹塑性材料模型*MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTI-CITY，咬肌采用各向同性粘弹性材料模型*MAT_VISCOELASTIC，并根据*MAT_ADD_-EROSION设置相应的失效应变，TNT炸药采用高爆材料模型*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN，并设置状态方程*EOS_JW，空气采用空材料模型*MAT_NULL和状态方程*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL进行模拟，节点约束的失效方式设定为应变失效，失效值为0.08；将完成参数设定及算法设定的人下颌软硬组织爆炸伤FEM模型导入有限元运算软件LS-DYNA中，选用LS-DYNA程序中的**CONTACT_ERODING_NODES_TO_SURFACE运算。
5.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行权利要求1-4任意一项所述的人颌面部爆炸伤模拟及生物力学仿真方法，包括如下步骤：
选取TNT炸药为致伤物，爆炸目标为左侧下颌角中点；
在ANSA软件中创建炸药几何形态，并划分为四节点四面体单元，建立空气域四面体网格，将炸药及颌面部软硬组织网格全部包围在内，从而建立人下颌软硬组织爆炸伤FEM模型；
通过编程软件建立TNT炸药的粒子模型，并设定炸药粒子间距，在SPH方法中，TNT爆炸粒子产生的冲击波直接传递并作用于人软硬组织SPH粒子。
6.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行权利要求1-4任意一项所述的人颌面部爆炸伤模拟及生物力学仿真方法，包括如下步骤：
选取TNT炸药为致伤物，爆炸目标为左侧下颌角中点；
在ANSA软件中创建炸药几何形态，并划分为四节点四面体单元，建立空气域四面体网格，将炸药及颌面部软硬组织网格全部包围在内，从而建立人下颌软硬组织爆炸伤FEM模型；
通过编程软件建立TNT炸药的粒子模型，并设定炸药粒子间距，在SPH方法中，TNT爆炸粒子产生的冲击波直接传递并作用于人软硬组织SPH粒子。
7.一种软硬组织爆炸损伤生物力学模拟终端，其特征在于，所述软硬组织爆炸损伤生物力学模拟终端运行权利要求1～4任意一项所述的人颌面部爆炸伤模拟及生物力学仿真方法。
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