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原文传递冲击载荷下的生物组织材料参数反求及损伤研究

论文题名：	冲击载荷下的生物组织材料参数反求及损伤研究
关键词：	损伤生物力学;材料参数反求;创伤性脑损伤;事故重建;有限元方法;道路交通事故
摘要：	随着道路交通事故的不断增加，冲击损伤生物力学研究逐渐受到了广泛的重视。有限元方法作为冲击损伤生物力学研究的有效工具，对损伤机理和耐受限度的研究具有重要意义。在有限元建模过程中，生物组织材料关键特性参数的确定是非常重要的。只有获取了准确可靠的材料参数，才有可能结合各种先进的方法，提高有限元模型的精度，从而更有效地预测碰撞损伤和进行人体防护方面的研究。然而受生物组织结构复杂性等限制，通常很难直接获取其材料参数。因此，基于生物组织力学实验进行材料参数反求正日益成为材料参数获取的重要手段。　　本文从生物力学角度出发，将基于医学影像的三维图形重构、有限元方法和生物组织材料实验相融合，充分发挥多学科交叉的优势，力求在生物组织材料参数的计算反求方面做出系统地研究，并在基于高生物逼真度有限元模型的碰撞损伤研究方面做出一些有意义的尝试和探索。基于此思路，本文在大量文献研究的基础上，开展并完成的主要工作如下：　　 (1)提出了基于三点弯曲实验、特定样本有限元模型和代理模型的生物硬组织弹塑性材料参数的计算反求方法。首先通过先进的医学影像技术(Micro CT)获取生物组织复杂的几何形态和内部结构，利用三点弯曲实验测量样本的生物力学响应，结合有限元方法建立材料参数反求的数学模型，然后基于优化策略实现生物硬组织弹塑性材料参数的计算反求。为了验证该方法在实际损伤生物力学问题中的准确性和有效性，分别进行了面向材料实验和面向有限元模型验证的弹塑性材料参数反求。这些具体实例的求解结果表明该方法具有较强的求解实际问题的能力，能够有效地解决材料参数反求和有限元模型验证问题。　　 (2)针对软组织自身结构的复杂性、相关力学实验的难度以及传统反求方法的局限性，综合无约束压缩实验、基于激光扫描的特定样本有限元模型、序列响应面法提出了生物软组织粘弹性材料参数的计算反求方法。以离体(in vitro)人脑组织.丘脑(Thalamus)为例，对该方法的求解能力进行了验证。实例分析显示所发展的方法收敛效果较好，材料参数的反求结果符合实际情况。该方法为软组织乃至超软组织的材料参数获取提供了一种新思路。　　 (3)鉴于生物超软组织材料实验和边界条件的复杂性，在考虑不确定参量的前提下，发展了基于区间分析理论的生物组织材料参数反求方法。为了客观评估不确定参量对材料参数反求结果的影响，基于区间数学理论，用区间来量化边界条件中的不确定性参量(摩擦系数)，并通过一阶泰勒展式的区间分析方法将不确定边界条件下的材料参数反求问题转化为两类确定性反问题，然后利用智能优化算法实现这两类确定性反问题的准确快速求解，并通过区间运算确定材料参数的上下界限。这为开发具有高生物逼真度和高适用性的人体有限元模型提供了一种有效方法。　　 (4)针对已有的可控皮层撞击脑损伤严重度评价标准的局限性，通过径向基函数代理模型技术，研究了区域的组织水平的应变响应与该区域的大脑损伤程度之间的关系。给出了不同组合的外部碰撞参数(碰撞深度和碰撞端直径)和区域性损伤强度之间的关系。基于区域性组织应变的生物力学研究，为描述颅脑内部不均匀的损伤程度提供了有效的手段。该研究对生物组织损伤的分析由定性发展到定量，同时也对损伤机理和耐受限度的研究具有一定的推动作用。　　 (5)基于交通事故案例，利用有限元方法、代理模型和优化策略，建立了一套完整的事故重建方法，并基于交通事故重建，提出了乘员损伤机理和损伤影响参数的研究方法。事故重建结果表明，该重建方法能够有效地实现碰撞参数的反求，达到与真实交通事故中车辆变形的较好吻合。通过对交通事故中乘员的动力学响应、乘员主动脉的最大主应变和最大压力的研究，指出最大主应变能够较好地表征主动脉的损伤，并且其峰值主要位于主动脉峡部、左锁骨下动脉孔口到末端，与事故中的乘员损伤吻合。基于车辆、人体耦合有限元模型的试验设计结果表明，力的主方向和碰撞速度是导致最大主应变增加和主动脉破裂的关键因素。
作者：	官凤娇
专业：	车辆工程
导师：	韩旭
授予学位：	博士
授予学位单位：	湖南大学
学位年度：	2011
正文语种：	中文