基于中国人体特征的下肢几何建模与长骨验证

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1、基于中国人体特征的下肢几何建模与长骨验证(申请清华大学工学硕士学位论文)培养单位：汽车工程系学科：机械工程研究生：吕方指导教师：马春生副研究员二○一五年一月GeometricalModelingandValidationofLongBonesforLowerLimbbasedonChina’sHumanCharacteristicsThesisSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofMastero

2、fScienceinMechanicalEngineeringbyLvFangThesisSupervisor:AssociateProfessorMaChunshengJanuary,2015摘要摘要在汽车碰撞安全领域，以人体碰撞生物力学为理论基础的人体模型是对人体损伤进行评价的一个重要工具。人体模型主要包括碰撞假人模型与人体数值模型。碰撞假人由于其生物仿真度不足且仅适用于某些特定的碰撞工况，无法准确真实地预测人体损伤，其应用性具有一定的局限性。人体数值模型含有人体骨骼、肌肉、韧带等组织器官，具有较高的生物仿真

3、度，能够更好的预测人体损伤，且随着计算机性能的提升及生物力学数据的积累，人体数值模型在人体损伤评估方面的应用越来越广泛。目前欧美等发达国家在大量人体特征数据统计和碰撞生物力学试验积累的基础上，陆续开发了一系列的人体数值模型，并制定了基于欧美人体特征的伤害限值标准，在此基础上推出了各种形式的汽车碰撞法规。但由于基于欧美人体特征的人体数值模型与我国人体特征在几何尺寸及生物力学参数等方面存在较大差异，对我国汽车安全设计并不完全适用，而基于中国人体特征的人体数值模型开发目前属于空白，因此开发基于中国人体特征的人体数值模型

4、具有重要意义。本文以基于中国人体特征的人体下肢为研究对象，结合人体碰撞生物力学、医用影像学图像处理、有限元建模及仿真分析等学科的知识，建立人体下肢三维数值模型，并对下肢长骨，即股骨、胫骨及腓骨进行准静态三点弯曲试验仿真验证。本课题通过与中国标准化研究院合作，采集了中国成年人男性50百分位的包括身高、体重等重要人体尺寸，并与第三军医大学合作以此为标准选择了一名健康的志愿者进行层间距为0.625mm的全身CT扫描，以DICOM格式存储扫描断层图像，然后通过医学图像处理软件Mimics将CT扫描图像输出下肢股骨、胫骨、

5、腓骨、髌骨及表层皮肤的点云，通过CATIA软件基于该点云进行逆向三维几何建模，并通过HyperMesh软件进行三维网格划分。将下肢长骨有限元模型参照THUMS人体数值模型定义材料属性，参考Yamada生物力学实验进行正向及侧向的准静态三点弯曲试验并进行验证。仿真结果与Yamada生物力学实验的载荷-变形量关系曲线的峰值及整体趋势吻合很好，表明所建立的下肢长骨有限元模型具有较好的生物仿真度。关键词：人体下肢；损伤生物力学；下肢长骨建模；逆向建模；仿真验证IAbstractAbstractInthefieldofau

6、tomotivecrashsafety,thehumanbodymodelbasedonthetheoryofhumanbodycrashbiomechanicsisanimportanttoolfortheevaluationofhumanbodyinjury.Thehumanbodymodelincludesmainlycrashdummymodelandhumanbodynumericalmodel.Becauseofthelackofbiofidelityanditsapplicabilityofcert

7、ainspecificcrashscenarios,thecrashdummycannotaccuratelyandtrulypredicthumanbodyinjuryandhasitslimitationsfortheapplication.Thehumanbodynumericalmodelcontainstissuesandorganssuchashumanbones,muscle,ligament,etc.withhighbiofidelityandisabletopredicthumanbodyinj

8、urybetter.Withthedevelopmentofcomputerperformanceandaccumulationofbiomechanicaldata,thehumanbodynumericalmodelforevaluationofhumanbodyinjuryisbeingusedmoreandmorewidely.Basedonalargeamoun