[发明专利]一种高质量网格小型猪头部有限元模型建模方法

说明书

一种高质量网格小型猪头部有限元模型的建模方法，涉及一种建模方法，包括以下步骤：采用断层图像重构法建立新生小猪头部几何模型；再对几何模型分区。采用蝴蝶网格投影方法建立新生小猪头部有限元模型，本发明可以应用于所有不规则的曲面体生物结构，更能进一步进行多工况仿真并获得碰撞接触力、颅骨裂纹扩展等数据和资料，与使用小型猪进行多工况试验相比方便高效，并且能够较为准确描述儿童头部损伤。

技术领域

本发明涉及一种建模方法，具体涉及一种高质量网格小型猪头部有限元模型建模方法。

背景技术

据统计，在儿童身体各部位二级及以上的伤害中，3岁以下儿童的头部伤害占身体各部位伤害的50％甚至更高。为了研究儿童头部的伤害机理及防护措施，采用儿童尸体进行碰撞试验是最有效的手段。但是由于受道德、伦理等因素的限制，很难使用儿童尸体作为样本进行儿童颅骨损伤的研究。由于小型猪头部组织器官结构和位置与儿童头部非常接近，并且与人体头部的力学性能在年龄上呈现一定的对应关系，因此可以使用小猪作为碰撞损伤试验的样本来代替儿童，近似研究儿童头部的伤害机理及防护措施。但是使用小猪样本进行生物实验实验条件复杂且效率低。建立高逼真度的小型猪头部有限元模型并对模型进行验证后，可以使用小型猪头部有限元模型进行多工况仿真并获得碰撞接触力、颅骨裂纹扩展等数据和资料，与使用小型猪进行多工况试验相比方便高效，并且能够较为准确描述儿童头部损伤。

目前对生物结构的网格建立大都倾向于六面体实体单元或者四边形壳单元。相比四面体单元和三角形单元，六面体实体单元和四边形壳单元具有更好的变形特征，能更好地反映应力和应变的特征，更易于针对基本实验数据进行收敛性验证。

小型猪头部主要结构从内向外有脑部组织、软脑膜、硬脑膜、脑脊液、鼻腔、颅骨、骨缝以及头皮。各个部位并不是形状规则的几何体，有的部位甚至曲率比较大。因此如果使用传统的网格划分手法，会在曲率较大的位置产生低质量的网格，影响整个模型的计算精度。

近年来，建立新生小型猪头部的有限元网格模型，模型的完整程度和高质量一直是研究者关注的热点。考虑在有限元仿真研究中的具体用途，当前依然缺少足够完整有效的高质量小型猪头部有限元模型。其难度在于头部的结构复杂且形状不规则。

发明内容

为了解决传统建模方法在曲率较大的位置产生低质量的网格，影响整个模型的计算精度的问题，本发明提供一种高质量网格小型猪头部有限元模型的建模方法，可适用于所有不规则的曲面体生物结构，使得模型具有更好的完整程度和及更高的质量。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：

一种高质量网格小型猪头部有限元模型的建模方法，包括以下步骤：

S1、采用断层图像重构法建立新生小猪头部几何模型；

S2、对新生小猪头部几何模型分区；

S3、采用蝴蝶网格投影方法建立新生小猪头部有限元模型。

进一步的，所述步骤S1的具体步骤如下：

S11、获取新生小型猪头部CT图像

对新生小猪头部进行CT断面扫描图像，以获得新生小型猪头部 CT图像；

S12、对新生小型猪头部CT图像进行阈值分割、区域增长及三维建模，以获得新生小猪颅骨的三维模型STL格式文件

使用MIMICS软件的“Segmentation”工具使颅骨断层图像边缘结构清晰显示并进行阈值分割，将骨骼图像从整体图像中分割出来，获得蒙板A，在蒙板A上使用MIMICS软件的“Region Growing”命令对颅骨图像进行区域增长操作，获取蒙板B，在蒙板B的整体断层图像中分离出新生小猪颅骨的断层图像；使用MIMICS软件的“Calculate 3D”命令对新生小猪颅骨的断层图像进行三维重建，选用中等质量参数来进行三维计算，并输出三维模型STL格式文件；