6岁儿童下肢长骨有限元模型验证及参数研究

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1、32卷6期中国生物医学工程学报V01．32No6December20132013年12月ChineseJournalofBiomedicalEngineering6岁儿童下肢长骨有限元模型验证及参数研究李海岩李蓓崔世海贺丽娟吕文乐(天津科技大学损伤生物力学与车辆安全工程中心，天津300222)摘要：研究在动态载荷下6岁儿童下肢长骨的损伤极限。分别对股骨、胫骨的有限元模型进行动态三点弯曲仿真试验，并通过有限元模型仿真试验与尸体试验结果的对比，探究相关参数对6岁儿童下肢长骨骨折的影响。仿真试验所得冲击块的撞击力一位移曲线走势与尸体试验的结果基本吻合，验证

2、了该模型的有效性。股骨和胫骨失效时的撞击力分别为2．52和1．96kN，位移分别为11．88和23．49mm。与成人相比，儿童骨骼的弹性模量略低，并且骨骼韧性较好，使得撞击时发生骨折的风险相对降低。本研究为儿童下肢损伤机理及防护措施的研究提供了科学的基础数据。关键词：6岁儿童；下肢；长骨；损伤极限；有限元分析中图分类号R318文献标志码D文章编号0258—8021(2013)06-0752—05ValidationandParameterStudyofaFiniteElementModelof6-Year·OldChildSLowerExtremit

3、yLongBoneLIHai．YanLIBeiCUIShi．HaiHELi—JuanLVWen．Le(CollegeofMechanicalEngineering，TianfinUniversityofScience＆Technology，Tianjin300222，China)Keywords：6-year—oldchild；lowerlimb；longbone；failuretolerance；finiteelementanalysis扫描仪对其下肢进行4层螺旋扫描。扫描参数：层引言厚1mm，球管电流127．50mA，电压120kV。CT图儿童是

4、交通事故中的弱势群体，人们对儿童乘像以DICOM格式输出，并导入到三维医学软件员的保护意识相对薄弱；大多数汽车公司只致力于MIMICS中，通过阈值分割的方法提取股骨、胫骨、成人保护系统的研究，对儿童安全保护系统的研究腓骨和膝盖骨以及肌肉等解剖学结构生成几何模相对欠缺。我国儿童交通事故的死亡率是欧洲的型，然后利用逆向工程软件Geomagic对几何模型进2．5倍、美国的2．6倍，交通事故已成为14岁以下行处理并划分曲面片，最后导入有限元网格划分软儿童的第一死因¨。在行人受伤方面，头颈部和下件Truegrid和Hypermesh中来划分网格，构建有限肢损伤

5、占总数的70％以上，其中中等损伤级别AIS2元模型。—4的下肢损伤占到了37％[23。本研究利用上述模型的股骨和胫骨进行了动近年来，研究人员借助尸体试验来研究人体下态三点弯曲仿真试验，参照相关尸体试验对其进行肢的损伤机理，但大多数研究只针对成人]。有效性验证，并分析了结构和材料参数对儿童下肢由于伦理道德等方面的原因，使得儿童碰撞的试验长骨骨折仿真结果的影响。数据相对欠缺。随着计算机技术的发展，采用有限1材料与方法元方法研究交通事故中儿童的损伤机理，可以有效地避免这种局限性。1．1下肢有限元模型本研究对象为一名健康的6岁儿童，利用CT研究用到的模型主要

6、包括股骨和胫骨。股骨doi：l0．3969／j．issn．0258-8021．2013．06．015收稿日期：2013-07-01，录用日期：2013．11-05基金项目：美国福特公司研究计划；天津市应用基础及前沿技术研究计划项目(10JcYBJc259o0)通信作者。E-mail：lihaiyan@tust．edu．cn6期李海岩，等：6岁儿童下肢长骨有限元模型验证及参数研究2．2结构与材料参数的研究间和位移与成人的尸体试验结果相比，表现出一定以上研究所采用的参数均为成人尸体试验的的差异，这主要是由于在几何尺寸方面儿童长骨与参数，虽然验证了模型的有

7、效性，但儿童长骨在解成人长骨的区别所致。剖学和生物力学方面均与成人长骨有所不同，儿童6岁儿童与成人在解剖学、几何特征尺寸以及的骨骼柔韧性更好。所以，为了研究材料参数对骨骼参数方面都存在差异，图5为6岁儿童下肢股6岁儿童下肢长骨骨折的影响，必须参考儿童骨骼骨有限元模型中不同弹性模量仿真试验结果的对的参数。本研究基于以上试验，参考了Slooff等比，其中试验1和试验2的弹性模量分别为17．3、人¨在文献中的函数曲线，选取6岁儿童下肢长骨10．5GPa。可以看出，改变弹性模量后，股骨骨折时的弹性模量为1O．5GPa，并对模型进行了股骨三点冲击力的峰值基本没

8、有发生变化，而冲击块位移有弯曲仿真试验。将仿真所得撞击力一位移曲线与成所增大，并且撞击力随位移变化的趋势有所