[发明专利]一种用于汽车碰撞损伤研究的人体头部有限元建模方法

说明书

技术领域

本发明涉及生物力学有限元分析技术领域，尤其涉及一种用于汽车碰撞损伤研究的人体头部有限元建模方法。

背景技术

交通损伤成为威胁人类安全的主要社会因素之一，头部损伤因其较高的致命性，已成为最严重的交通损伤。随着汽车保有量的逐渐增加，未来几年中国的交通损伤存在着有增无减的趋势。为了更好的在碰撞、运动、跌落等事件中保护头部，对于潜在的损伤机理和耐受限度的研究是有必要的。

目前，研究头部生物力学响应的主要手段包括物理模型试验、动物模型试验和尸体模型试验，这些试验模型都存在着各种各样的局限性，随着计算机技术的不断发展，数学模型逐渐成为了研究头部损伤生物力学的重要工具，主要的数学模型包括多刚体动力学模型和有限元模型。研究表明，多体系统技术适用于整体运动响应的模拟，缺点是无法获得局部的详细力学参数分布情况，而有限元模型是由简单的2D模型到复杂的3D模型的跨越，它能够详细地分析汽车和人体在碰撞过程中的动态响应。然而，大部分的头部有限元模型只是用来研究头部损伤的某一具体方面，考虑到在现实中由于损伤机理的多样性可能导致在颅骨、面部或颅内的损伤出现多种症状的复杂情况，所以仍然需要开发一个数学模型，能够预测头部的所有响应。

发明内容

本发明是为了解决上述背景技术中的问题而进行的，目的在于提供一种用于汽车碰撞损伤研究的人体头部有限元建模方法。

本发明的上述目的通过以下技术措施实现：提供一种用于汽车碰撞损伤研究的人体头部有限元建模方法，包括如下步骤：

步骤1：对人体头部进行断层扫描和核磁共振扫描，结果保存为DICOM格式，得到断层扫描图像；

步骤2：将所述步骤1得到的断层扫描图像导入Mimics中，对断层扫描图像进行预处理，所述预处理包括滤波、图像分割、边界轮廓提取，结果保存为STL格式，得到点云数据；

步骤3：将所述步骤2得到的点云数据导入到Geomagic Studio中，对点云数据进行参数化处理，生成曲面，再检测所述曲面，去除曲面上的噪声点和重复点，再用三次贝塞尔曲线拟合各曲面以得到三维几何模型；

步骤4：将所述步骤3得到的三维几何模型导入到HyperMesh进行网格划分，生成实体三维网格，设置单元体类型为线性四面体单元，在HyperMesh的网格生成器中，用阵面推进法来填充表面四面体单元限定的封闭区域，并且部分离散的病态单元在内置的3-MATIC啮合预处理器中重新划分，然后，将划分好的四面体网格通过结点插入和删除，并且对局部网格进行优化，最后生成三维实体模型；

步骤5：将所述步骤4得到的三维实体模型导入Abaqus，定义组织材料特性参数并为组织添加边界和接触条件，组织材料特性参数定义为非线性黏弹性材料，采用第二代非支配排序遗传算法获取精确的各组织材料力学性能参数，头骨、脑脊液、脑之间采用正常的硬接触压力超闭合边界条件以及摩擦系数为0.2的切向滑动边界条件，其他颅内各组织之问采用网格固连的面-面接触方式，最后生成人体头部的有限元模型。

在本发明提供的一种用于汽车碰撞损伤研究的人体头部有限元建模方法中，还可以具有这样的特征：其中，所述步骤1中，结合断层扫描和核磁共振扫描技术构建的更高生物逼真度的人体头部有限元模型，涵盖面部结构和颅内细节特征，更接近实际几何结构和力学性能。

在本发明提供的一种用于汽车碰撞损伤研究的人体头部有限元建模方法中，还可以具有这样的特征：其中，所述步骤2中的滤波具体为：运用区域生长算法过滤噪声像素。

在本发明提供的一种用于汽车碰撞损伤研究的人体头部有限元建模方法中，还可以具有这样的特征：其中，所述步骤2中的图像分割具体为：运用并行区域技术中的灰度阈值法通过设定不同的特征阈值来进行图像分割。

在本发明提供的一种用于汽车碰撞损伤研究的人体头部有限元建模方法中，还可以具有这样的特征：其中，所述步骤2中的边界轮廓提取具体为：采用数学形态学中的边界提取算法进行目标断层扫描图像的边界轮廓提取，采用最小边界能量与边界曲率分析相结合的轮廓跟踪算法提取边界轮廓关键点，最后通过曲线拟合方法获得边界轮廓。