[发明专利]六岁儿童乘员的有限元模型的构建方法及系统、儿童约束系统评价方法及系统

说明书

本发明提出了一种六岁儿童乘员的有限元模型的构建方法，及其坐姿调整方法。本发明还提出了一种基于六岁儿童乘员的有限元模型来评价儿童约束系统有效性的方法，通过带有力学属性的单元和节点来计算人体在特定状态下头颈部、胸腹部、四肢等部位的运动学参数以及其应力应变分布情况，准确判断出人体不同部位及内部组织器官的变形以及损伤情况，以此来判断儿童约束系统对儿童乘员的保护效果，以便对不同类型的约束系统进行更加细致的评价。并期望更深入的研究六岁儿童乘员在汽车碰撞事故中的损伤机理，以此来对约束系统进行改进及优化，使其达到最优的保护效果。

技术领域

本发明涉及计算机数值模型技术领域和人体损伤生物力学研究方法，具体涉及一种六岁儿童乘员的有限元模型的构建方法和系统，以及应用该模型进行儿童约束系统评价的方法。

背景技术

损伤机制是对导致人体机能损伤的机械和生理变化的描述，对损伤机制的研究是了解和学习损伤生物力学学科的基础。为充分了解人体损伤过程，找到减少或者消除冲击环境中可能对人体组织结构和功能造成损伤的方法，国内外学者对此进行了大量研究，常见的生物力学研究方法主要有尸体实验、假人模型和有限元模型等。由于社会伦理道德和法律法规的约束，对于尸体实验样本的获得十分困难，而且多数为一些成年人尸体，儿童标本则少之又少，单个的尸体实验数据并不具备普遍性，且尸体各器官组织的力学特性取决于保存技术和死亡后存放时间，使得尸体实验存在一些局限性。假人模型是进行实车碰撞实验中不可缺少的部分，虽然其形状、尺寸和质量分布与人体高度一致，但只能在安装传感器的特定部位输出一些动力学参数，对于研究人体在交通事故中的损伤机理十分有限。随着计算机技术和有限元理论的不断发展，计算机仿真模型在汽车碰撞安全领域得到了广泛的应用，通过计算机模型来模拟碰撞过程，可以更好的理解人体响应和发生损伤的过程。现阶段构建的一些儿童有限元模型，大多是通过对成人有限元模型进行缩放获得，但由于儿童和成人在解剖学结构上的差异，通过缩放获得的模型在几何仿真度上存在着较大的局限性，并不能准确的模拟出儿童在事故中的损伤机理。

六岁儿童处于生长发育的分水岭，其头骨骨缝逐渐骨化消失，胸骨和髋骨的软骨部分也逐渐骨化形成整骨，是一个比较特殊的年龄阶段。而且从儿童在交通事故中的损伤比例可以看出，这个年龄段的儿童也最容易受到损伤。因此，选择六岁儿童作为研究对象，并基于一个真实的六岁儿童志愿者CT数据进行坐姿有限元模型的构建，以此对儿童的损伤机理进行研究。

相较于成年人，儿童的骨骼还未完全发育成熟，社会认知能力有限，而且遇到突发事件时不能够及时做出有效的反应和判断，因此，在交通事故中处于弱势群体，面临着很大的受伤风险。儿童约束系统作为一种保护装置，能够限制儿童在汽车碰撞过程中身体的偏移，有效地减轻佩戴者在交通事故受到的伤害，因此，对儿童约束系统保护效果的研究十分有必要。现阶段，对儿童约束系统的评价主要是通过动态试验实施，即按照儿童约束系统的产品分组分别搭乘相应的假人进行滑车实验，通过测量儿童假人运动姿态以及伤害指标，考核儿童约束系统对儿童乘员的保护效果。虽然假人模型在约束系统评价方面发挥着重要的作用，但仅通过在假人特定部位安装的传感器，只能输出一些加速度、作用力等动力学参数，这对于儿童损伤情况的表征十分有限，而通过儿童有限元模型，不仅可以最大限度地还原碰撞过程中人体的生物力学响应，还可以根据不同部位的应力应变分布情况，精确地判断出损伤情况。通过对儿童损伤情况更详细的输出，也就可以更准确地评价约束系统的保护效果。

发明内容

本发明为了克服现有技术的缺陷，提出了一种六岁儿童乘员的有限元模型的构建方法，包括：

步骤A：通过几何重构构建六岁儿童模型；