[發(fā)明專利]基于有限元法重建在碾壓和撞擊情況下下肢損傷的方法

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310132918.7
• 申請(qǐng)日: 2013-04-17
• 公開（公告）號(hào): CN103198196A
• 公開（公告）日: 2013-07-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳憶九;李正東;鄒東華;劉寧國(guó);黃平;張建華;秦志強(qiáng);邵煜
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 司法部司法鑒定科學(xué)技術(shù)研究所
• 主分類號(hào): G06F17/50
• 分類號(hào): G06F17/50
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司 31213
• 代理人: 張澤純

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種計(jì)算機(jī)模擬法醫(yī)學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體是涉及一種基于有限元方法重建在碾壓以及撞擊情況下下肢損傷的方法。

背景技術(shù)

下肢損傷是法醫(yī)鑒定實(shí)踐中的常見損傷，可致嚴(yán)重傷殘或死亡。現(xiàn)有的鑒定方法主要憑肉眼觀察，傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)判斷損傷的致傷方式，存在個(gè)人主觀性強(qiáng)，其結(jié)果籠統(tǒng)、不直觀，對(duì)下肢損傷力學(xué)機(jī)制無(wú)法給出清晰、直觀的解釋。由于人體組織的生物力學(xué)屬性和響應(yīng)性的差別，對(duì)于致傷方式復(fù)雜的交通傷鑒定，僅從損傷形態(tài)學(xué)上準(zhǔn)確推斷碰撞瞬間的損傷形成過(guò)程仍缺乏直觀有效的技術(shù)手段。因此，有必要建立更為有效的技術(shù)方法，對(duì)下肢損傷在時(shí)－空－力上進(jìn)行重建，為法醫(yī)鑒定提供更客觀的證據(jù)。

有限元法是從工程結(jié)構(gòu)分析發(fā)展起來(lái)的求解連續(xù)介質(zhì)力學(xué)問(wèn)題的數(shù)值分析方法，屬于計(jì)算力學(xué)范疇。該方法在特定載荷的條件下，用離散的單元模擬實(shí)物，通過(guò)所有單元響應(yīng)的“和”給出物體的總體響應(yīng)。人體組織器官通過(guò)三維建模和單元離散，最終形成人體有限元模型，在給定邊界條件、載荷和材料特性后，通過(guò)計(jì)算機(jī)求解方程組，得到人體模型的位移、應(yīng)力、應(yīng)變、內(nèi)力等結(jié)果，從而重建和預(yù)測(cè)可能發(fā)生的損傷部位、損傷形態(tài)及損傷程度，為法醫(yī)損傷鑒定提供參考依據(jù)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于有限元方法重建在碾壓以及撞擊情況下下肢損傷的方法。通過(guò)重建基于真實(shí)人體解剖學(xué)的數(shù)字化有限元模型，賦予能反映生物組織力學(xué)特性的材料屬性，驗(yàn)證有限元模型的有效性，得到可信的下肢模型；在下肢模型上加載人體損傷、車輛檢驗(yàn)結(jié)果等信息參數(shù)作為邊界條件，反復(fù)迭代運(yùn)算，得到符合真實(shí)損傷的模擬結(jié)果，為下肢損傷鑒定提供科學(xué)的生物力學(xué)證據(jù)。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：

一種基于有限元方法重建在碾壓以及撞擊情況下下肢損傷的方法，該方法包括如下步驟：

步驟一、構(gòu)建模塊化的三維有限元模型：

（1）對(duì)人體或尸體的下肢進(jìn)行CT掃描，獲取影像數(shù)據(jù)；

應(yīng)用多層螺旋CT（Multislice?CT,MSCT）掃描下肢（從髂前上棘至足底），獲取數(shù)字影像和通信標(biāo)準(zhǔn)格式（DICOM格式）的下肢影像數(shù)據(jù)，掃描參數(shù)為電壓，電流，層厚，螺距，球管轉(zhuǎn)速，床高，采集視野，圖像像素；

（2）構(gòu)建人體下肢三維有限元模型：

構(gòu)建下肢股骨、脛骨、腓骨、臏骨、半月板、大腿、膝部韌帶以及肌肉皮膚模型，并按照標(biāo)準(zhǔn)解剖學(xué)位置裝配，分別對(duì)松質(zhì)骨、密質(zhì)骨、肌肉、韌帶賦予相應(yīng)的材料參數(shù)，得到下肢三維有限元模型；

（3）驗(yàn)證步驟（2）構(gòu)建的人體下肢三維有限元模型；

（4）設(shè)置車輪寬度和高寬比以及輪胎內(nèi)直徑，并賦予其相應(yīng)的材料參數(shù)，構(gòu)建簡(jiǎn)易車輪三維有限元模型；

（5）設(shè)置簡(jiǎn)易保險(xiǎn)杠的長(zhǎng)、寬、高，并賦予相應(yīng)的材料參數(shù)，從而構(gòu)建簡(jiǎn)易保險(xiǎn)杠三維有限元模型。

步驟二、對(duì)三維有限元模型進(jìn)行裝配，加載不同初始速度，分別對(duì)碾壓傷發(fā)生情景和撞擊傷發(fā)生情景進(jìn)行模擬，分別得到碾壓傷模擬結(jié)果和撞擊傷模擬結(jié)果：

（1）碾壓傷發(fā)生情景模擬：將人體下肢三維有限元模型放于剛性平面，簡(jiǎn)易車輪三維有限元模型以不同初始速度碾壓下肢損傷部位的下肢三維有限元模型，得到碾壓傷模擬結(jié)果；

（2）撞擊傷發(fā)生情景模擬：下肢模型股骨頭上加載集中質(zhì)量，簡(jiǎn)易保險(xiǎn)杠模型由外側(cè)向內(nèi)側(cè)以不同初始速度碰撞下肢損傷部位的下肢三維有限元模型，得到撞擊傷模擬結(jié)果；

步驟三、將碾壓傷模擬結(jié)果、撞擊傷模擬結(jié)果與實(shí)際損傷對(duì)比，篩選出符合損傷的初始條件作為損傷生物力學(xué)依據(jù)。

所述的不同初始速度分別為10m/s，20m/s，40m/s的速度。

步驟四、模擬結(jié)果與實(shí)際損傷對(duì)比，篩選出符合損傷的初始條件作為損傷生物力學(xué)依據(jù)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)效果如下：

1、基于真實(shí)人體的CT掃描數(shù)據(jù)，所構(gòu)建的體下肢三維有限元模型具有高度的人體相似性、特異性，能夠基于具體案例建立相應(yīng)的特異性的下肢模型，從而得到更準(zhǔn)確的模擬結(jié)果。

2、本發(fā)明構(gòu)建的模型經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果吻合，模擬結(jié)果更加可靠、可信，滿足司法鑒定的證據(jù)要求。

3、能夠真實(shí)地重建車輪碾壓和撞擊下肢不同部位形成的骨折，可從不同角度、不同層次觀察和記錄下肢長(zhǎng)骨的骨折發(fā)生過(guò)程。

4、結(jié)果表現(xiàn)形式多樣，可以應(yīng)力、應(yīng)變、位移云圖表示損傷部位，可引入失效準(zhǔn)則直接模擬骨折的發(fā)生部位與損傷程度，同時(shí)亦可應(yīng)用動(dòng)畫直觀表現(xiàn)損傷過(guò)程，或應(yīng)用力學(xué)指標(biāo)數(shù)值定量分析致傷方式和機(jī)制。