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原文传递颈椎建模方法及模型应用研究

论文题名：	颈椎建模方法及模型应用研究
关键词：	生物力学;CT扫描;颈椎模型;建模方法;汽车交通事故
摘要：	汽车交通事故每年都给世界各国造成了巨大的人员伤亡和社会经济损失。其中，颈部损伤是交通伤中最为常见的损伤之一，已经引起了各国政府和研究者的高度重视。各国研究者先后采用了各种方法对颈部损伤机理进行研究，以期望利用其研究结果指导汽车乘员约束系统的开发与设计。计算机仿真方法是目前比较普遍和成本最低的方法。该方法的关键就是如何快速建立一个解剖结构完整、生物逼真度高的颈部有限元模型。本文通过对大量参考文献和前人工作的研究与总结，对颈椎建模方法进行了深入研究，提出了一套快速颈椎建模方法。目前，几何尺寸建模法和三坐标建模法比较常见。但是，几何尺寸建模法的建模精度较低，三坐标建模法的成本较高、容易丢失特征信息且建模效率也是相当低的。因此，本文研究采用的是CT建模方法，该方法不仅克服了以上缺点，而且还确保了数据均来源于活体，保证了数据的准确性。映射网格划分方法也是本次建模的一大特点。它能够有效控制网格单元质量和数量，保证模型的计算精度，大大缩短模型计算时间。多类别数据模型验证更是保证了模型的有效性和应用广泛性，弥补了以往单一数据验证的局限性。本文首先利用CT断层扫描系统对国人50百分位体型志愿者的颈椎进行扫描，获得颈部二维CT图像。然后通过对人体颈椎解剖结构的研究，利用MIMICS软件对CT图像进行处理，提取颈椎的点云数据，并利用点云数据完成人体颈椎几何模型的重构。通过对比分析表明，该颈椎几何模型的解剖结构表达完整，几何轮廓准确的反映了颈椎的真实结构，建模速度较快。在Hypermesh软件平台上对颈椎几何模型进行有限元的前处理工作，完成颈椎有限元模型的建立。该模型对颈椎椎骨、韧带、椎间盘和肌肉等解剖结构进行了准确细致的模拟。为了保证模型的有效性，本文对颈椎模型进行了头颈坠落离体试验和前、后碰撞试验验证。验证结果表明，该模型具有良好的生物逼真度，能够作为颈椎损伤机理研究的有效工具。本文将该颈椎模型与韦恩州立大学所建立的人体模型进行耦合。经过耦合后的韦恩人体模型在颈部方面得到了明显的改进，克服了此前颈椎结构简单、碰撞情况下颈椎动态响应描述不准确、有效仿真结果输出缺乏等缺点。最后，本文以前碰撞为例，采用该模型对人体颈椎响应进行了分析研究。研究结果表明，该模型能够比较准确细致的对人体颈椎在碰撞条件下的响应进行描述，并能输出足够的结果数据进行颈部损伤机理研究。
作者：	奠波
专业：	车辆工程
导师：	曹立波
授予学位：	硕士
授予学位单位：	湖南大学
学位年度：	2008
正文语种：	中文