一种用于汽车碰撞损伤研究的人体头部有限元建模方法与流程

本发明涉及生物力学有限元分析技术领域，尤其涉及一种用于汽车碰撞损伤研究的人体头部有限元建模方法。

背景技术：

交通损伤成为威胁人类安全的主要社会因素之一，头部损伤因其较高的致命性，已成为最严重的交通损伤。随着汽车保有量的逐渐增加，未来几年中国的交通损伤存在着有增无减的趋势。为了更好的在碰撞、运动、跌落等事件中保护头部，对于潜在的损伤机理和耐受限度的研究是有必要的。

目前，研究头部生物力学响应的主要手段包括物理模型试验、动物模型试验和尸体模型试验，这些试验模型都存在着各种各样的局限性，随着计算机技术的不断发展，数学模型逐渐成为了研究头部损伤生物力学的重要工具，主要的数学模型包括多刚体动力学模型和有限元模型。研究表明，多体系统技术适用于整体运动响应的模拟，缺点是无法获得局部的详细力学参数分布情况，而有限元模型是由简单的2D模型到复杂的3D模型的跨越，它能够详细地分析汽车和人体在碰撞过程中的动态响应。然而，大部分的头部有限元模型只是用来研究头部损伤的某一具体方面，考虑到在现实中由于损伤机理的多样性可能导致在颅骨、面部或颅内的损伤出现多种症状的复杂情况，所以仍然需要开发一个数学模型，能够预测头部的所有响应。

技术实现要素：

本发明是为了解决上述背景技术中的问题而进行的，目的在于提供一种用于汽车碰撞损伤研究的人体头部有限元建模方法。

本发明的上述目的通过以下技术措施实现：提供一种用于汽车碰撞损伤研究的人体头部有限元建模方法，包括如下步骤：

步骤1：对人体头部进行断层扫描和核磁共振扫描，结果保存为DICOM格式，得到断层扫描图像；

步骤2：将所述步骤1得到的断层扫描图像导入Mimics中，对断层扫描图像进行预处理，所述预处理包括滤波、图像分割、边界轮廓提取，结果保存为STL格式，得到点云数据；

步骤3：将所述步骤2得到的点云数据导入到Geomagic Studio中，对点云数据进行参数化处理，生成曲面，再检测所述曲面，去除曲面上的噪声点和重复点，再用三次贝塞尔曲线拟合各曲面以得到三维几何模型；

步骤4：将所述步骤3得到的三维几何模型导入到HyperMesh进行网格划分，生成实体三维网格，设置单元体类型为线性四面体单元，在HyperMesh的网格生成器中，用阵面推进法来填充表面四面体单元限定的封闭区域，并且部分离散的病态单元在内置的3-MATIC啮合预处理器中重新划分，然后，将划分好的四面体网格通过结点插入和删除，并且对局部网格进行优化，最后生成三维实体模型；

步骤5：将所述步骤4得到的三维实体模型导入Abaqus，定义组织材料特性参数并为组织添加边界和接触条件，组织材料特性参数定义为非线性黏弹性材料，采用第二代非支配排序遗传算法获取精确的各组织材料力学性能参数，头骨、脑脊液、脑之间采用正常的硬接触压力超闭合边界条件以及摩擦系数为0.2的切向滑动边界条件，其他颅内各组织之问采用网格固连的面-面接触方式，最后生成人体头部的有限元模型。

在本发明提供的一种用于汽车碰撞损伤研究的人体头部有限元建模方法中，还可以具有这样的特征：其中，所述步骤1中，结合断层扫描和核磁共振扫描技术构建的更高生物逼真度的人体头部有限元模型，涵盖面部结构和颅内细节特征，更接近实际几何结构和力学性能。

在本发明提供的一种用于汽车碰撞损伤研究的人体头部有限元建模方法中，还可以具有这样的特征：其中，所述步骤2中的滤波具体为：运用区域生长算法过滤噪声像素。

在本发明提供的一种用于汽车碰撞损伤研究的人体头部有限元建模方法中，还可以具有这样的特征：其中，所述步骤2中的图像分割具体为：运用并行区域技术中的灰度阈值法通过设定不同的特征阈值来进行图像分割。

在本发明提供的一种用于汽车碰撞损伤研究的人体头部有限元建模方法中，还可以具有这样的特征：其中，所述步骤2中的边界轮廓提取具体为：采用数学形态学中的边界提取算法进行目标断层扫描图像的边界轮廓提取，采用最小边界能量与边界曲率分析相结合的轮廓跟踪算法提取边界轮廓关键点，最后通过曲线拟合方法获得边界轮廓。

在本发明提供的一种用于汽车碰撞损伤研究的人体头部有限元建模方法中，还可以具有这样的特征：其中，所述步骤2中，根据断层扫描图像自动生成矢状面和冠状面图像后，利用Calculate 3D生成颅脑组织的点云数据，在颅脑组织的边界轮廓提取过程中，通过设置断层扫描图像的阈值得到颅骨硬组织结构的点云数据，设置核磁共振扫描图像的阈值得到颅内软组织结构的点云数据。

在本发明提供的一种用于汽车碰撞损伤研究的人体头部有限元建模方法中，还可以具有这样的特征：其中，所述步骤3中，对点云数据轮廓线进行自适应重采样和体视化处理与显示。

本发明具有以下优点：所建立的人体头部有限元模型具有详细的头部解剖学结构，涵盖面部结构和颅内细节特征，能够通过分析获得头部受到碰撞时的所有数据，进而能够预测在各种碰撞情况下颅骨、面部和颅内组织的响应，能够更加逼真和稳定地应用于各种汽车碰撞事故案例中。而且所建立的人体头部有限元模型具有较好的稳定性以及生物逼真度，能够正确地反映在碰撞过程中颅内生物力学响应，模型可用于碰撞过程中颅脑伤害评价等相关的工作。

附图说明

图1是本发明的有限元建模方法流程图；

图2是本发明的人体头部颅骨侧视图；

图3是本发明的人体头部颅内组织结构示意图，图中各标号：1-灰质，2-脊髓，3-小脑，4-脑干，5-中脑，6-脑干周围的脑脊液，7-大脑的脑室系统，8-白质；

图4是本发明的人体头部有限元模型。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的人体头部有限元建模方法作具体阐述。

如图1所示，一种用于汽车碰撞损伤研究的人体头部有限元建模方法，通过如下步骤进行：

步骤1：首先通过分割得到一个成年男性头部解剖学结构的几何数据，以区分头部不同组织并将具有相同性能的组织归类。其中，通过计算机断层扫描图像提取颅骨信息，所得的断层扫描图像有很高的密度分辨率，其中包括骨骼、软骨以及鼻窦，甚至是紧凑型和松质的骨组织也可以根据断层扫描图像分辨出来，但是这种以自动化强度为基础的分割算法不适用于区分断层扫描图像中的各种软组织，而核磁共振扫描因为它在图像非线性领域的不均匀恰好能克服这一问题，所以对软组织细节采用核磁共振扫描技术，获得的硬膜内神经结构显示良好，可以形成物体内部的结构图像，结果保存为DICOM格式。

步骤2：经步骤1，得到了一个460轴位图像，其中包含了人体头部信息，所得图像的平面分辨率为512×512像素，像素尺寸为0.488mm，切片厚度为1mm，将所得图像导入Mimics中，对所得图像进行预处理，包括滤波、图像分割、边界轮廓提取。首先，运用区域生长算法过滤噪声像素，再运用并行区域技术中的灰度阈值法进行图像分割，通过设定不同的特征阈值，把图像像素点分为若干类。其中，进行脑组织分割时，可以通过肌肉组织的默认阈值范围从断层扫描图像中获得自动分割软组织的工具。血管和神经在断层扫描图像中因为其流动性与骨骼一样具有兼容阈值范围，所以主要是通过动态区域生长和手动编辑删除。边界轮廓提取的原则是在保证重建组织被选取的情况下，尽量不使重建组织以外的结构出现轮廓阴影。通过看图观察，将轮廓的清晰度调节到合适的程度，界定阈值在合适的范围，形成蒙面增加对比度。对图像进行处理过程中，Mimics自动定义前(anterior)、后(posterior)、左(left)、右(right)4个方向，手动定义图像的上(top)和下(bottom)2个方向，Mimics根据断层图像自动生成矢状面和冠状面图像，通过设置阈值来提取颅脑组织的边界轮廓，选择热区，利用Calculate 3D生成颅脑组织的点云数据，在提取颅脑组织的边界轮廓过程中，通过设置断层扫描图像的阈值得到颅骨硬组织结构的点云数据，设置核磁共振扫描图像的阈值得到颅内软组织结构的点云数据。

步骤3：将所述步骤2所得的点云数据导入到Geomagic Studio中，对点云数据进行参数化处理，生成曲面，再检测生成的曲面，以去除曲面上的噪声点和重复点，再用三次贝塞尔曲线拟合各曲面以得到三维几何模型；

步骤4：将所述步骤3得到的三维几何模型导入到HyperMesh进行网格划分，生成实体三维网格，设置单元体类型为线性四面体单元，在HyperMesh的网格生成器中，用阵面推进法来填充表面四面体单元限定的封闭区域。但由于离散的病态单元的存在，会导致模拟时存在数值不稳定的现象，因此，将部分离散的病态单元在内置的3-MATIC啮合预处理器中重新划分。对于那些特别感兴趣并且具有详细特征的区域，运用半自动自适应网格划分技术，采用计算效率和单元质量的优化方法，来实现对网格的细化处理。最后为尽量减少病态单元的出现，提高模型的计算效率与数值稳定性，将划分好的四面体网格通过结点插入和删除，并且对局部网格进行优化，最后生成三维实体模型。

步骤5：将所述步骤4得到的三维实体模型导入Abaqus，定义组织材料特性参数并为组织添加边界和接触条件，本发明的人体头部有限元模型采用更符合人体的非线性黏弹性材料，改进广泛应用于有限元模型分析的线弹性材料求解方法，运用连续体介质力学理论进行分析，采用第二代非支配排序遗传算法获取精确的各组织材料力学性能参数，头骨、脑脊液、脑之间采用正常的硬接触压力超闭合边界条件以及摩擦系数为0.2的切向滑动边界条件，其他颅内各组织之间采用网格固连的面-面接触方式，最后生成人体头部的有限元模型。

最后，如图4所示，本实例中完成的具有详细解剖学结构的人体头部有限元模型重量为4.73千克，与真实人体模型重量接近，达到了有限元建模目的。

对上述有限元建模方法得到的人体头部有限元模型进行有效性及生物逼真度的验证分析，相比以往的有限元模型，获得的人体头部有限元模型具有更高的生物逼真度，且涵盖面部结构和颅内细节特征，更接近实际几何结构和力学性能，能够正确的反映在汽车碰撞过程中颅内生物力学响应。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。