[发明专利]人颌面部爆炸伤模拟及生物力学仿真方法、系统、介质

说明书

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。

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；