專利名稱：基于有限元法重建在碾壓和撞擊情況下下肢損傷的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種計算機模擬法醫(yī)學技術領域，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：
下肢損傷是法醫(yī)鑒定實踐中的常見損傷，可致嚴重傷殘或死亡?，F(xiàn)有的鑒定方法主要憑肉眼觀察，傳統(tǒng)經(jīng)驗判斷損傷的致傷方式，存在個人主觀性強，其結(jié)果籠統(tǒng)、不直觀，對下肢損傷力學機制無法給出清晰、直觀的解釋。由于人體組織的生物力學屬性和響應性的差別，對于致傷方式復雜的交通傷鑒定，僅從損傷形態(tài)學上準確推斷碰撞瞬間的損傷形成過程仍缺乏直觀有效的技術手段。因此，有必要建立更為有效的技術方法，對下肢損傷在時一空一力上進行重建，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)展起來的求解連續(xù)介質(zhì)力學問題的數(shù)值分析方法，屬于計算力學范疇。該方法在特定載荷的條件下，用離散的單元模擬實物，通過所有單元響應的“和”給出物體的總體響應。人體組織器官通過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，通過計算機求解方程組，得到人體模型的位移、應力、應變、內(nèi)力等結(jié)果，從而重建和預測可能發(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。通過重建基于真實人體解剖學的數(shù)字化有限元模型，賦予能反映生物組織力學特性的材料屬性，驗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、車輛檢驗結(jié)果等信息參數(shù)作為邊界條件，反復迭代運算，得到符合真實損傷的模擬結(jié)果，為下肢損傷鑒定提供科學的生物力學證據(jù)。
本發(fā)明的技術解決方案如下:
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:
(I)對人體或尸體的下肢進行CT掃描，獲取影像數(shù)據(jù)；
應用多層螺旋CT (Multislice CT，MSCT)掃描下肢(從髂前上棘至足底)，獲取數(shù)字影像和通信標準格式(DIC0M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，并按照標準解剖學位置裝配，分別對松質(zhì)骨、密質(zhì)骨、肌肉、韌帶賦予相應的材料參數(shù)，得到下肢三維有限元模型；
(3)驗證步驟(2)構(gòu)建的人體下肢三維有限元模型；
(4)設置車輪寬度和高寬比以及輪胎內(nèi)直徑，并賦予其相應的材料參數(shù)，構(gòu)建簡易車輪三維有限元模型；
(5)設置簡易保險杠的長、寬、高，并賦予相應的材料參數(shù)，從而構(gòu)建簡易保險杠三維有限元模型。
步驟二、對三維有限元模型進行裝配，加載不同初始速度，分別對碾壓傷發(fā)生情景和撞擊傷發(fā)生情景進行模擬，分別得到碾壓傷模擬結(jié)果和撞擊傷模擬結(jié)果:
(I)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，簡易保險杠模型由外側(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)果與實際損傷對比，篩選出符合損傷的初始條件作為損傷生物力學依據(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)果與實際損傷對比，篩選出符合損傷的初始條件作為損傷生物力學依據(jù)。
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的技術效果如下:
1、基于真實人體的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的特異性的下肢模型，從而得到更準確的模擬結(jié)果。
2、本發(fā)明構(gòu)建的模型經(jīng)過驗證，模型的計算結(jié)果與實際結(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骨的骨折發(fā)生過程。
4、結(jié)果表現(xiàn)形式多樣，可以應力、應變、位移云圖表示損傷部位，可引入失效準則直接模擬骨折的發(fā)生部位與損傷程度，同時亦可應用動畫直觀表現(xiàn)損傷過程，或應用力學指標數(shù)值定量分析致傷方式和機制。
5、下下肢三維有限元模型一次建模，重復使用，模擬過程操作較簡便，結(jié)果可重復性好，生物力學依據(jù)更具科學客觀性。


圖1是人體下肢三維有限元模型。
圖2是下肢有限元模型與尸體實驗數(shù)據(jù)結(jié)果之間的對比驗證結(jié)果，其中(a)為股骨接觸力-撓度曲線(b)為小腿彎矩-位移曲線。
圖3是碾壓傷發(fā)生情景模擬模型。
圖4是撞擊傷發(fā)生情景模擬模型。
圖5是股骨受車輪碾壓骨折發(fā)生序列圖。
圖6是簡易保險杠模型撞擊脛骨平臺情況下骨折發(fā)生序列圖。
圖7是速度20m/s碾壓情況下股骨不同部位的應力-時間曲線。
具體實施方式
下面以具體下肢損傷為例，結(jié)合附圖對本發(fā)明作詳細實施說明，但并不將本發(fā)明的應用范圍限制在所述的實施例范圍之中。
參考圖1 圖3，首先對人體(或尸體)進行CT掃描，獲取下肢的影像數(shù)據(jù)用于下肢三維模型構(gòu)建。在Mimics中建立并裝配下肢三維模型，構(gòu)建車輪以及簡易保險杠模型；對骨骼、肌肉、韌帶、皮膚、車輪以及保險杠分別賦予材料屬性并進行損傷模型的裝配，得到碾壓傷及撞擊傷的下肢有限元模型。參考圖4 圖6，確定邊界條件加載不同的碾壓和撞擊速度，進行有限元損傷生物力學分析，得到下肢骨折的發(fā)生過程。
步驟一、構(gòu)建模塊化的三維有限元模型:
(I)、下肢CT掃描，獲取影像數(shù)據(jù):
CT:40排多層螺旋CT掃描，尸體呈仰臥位掃描，掃描范圍為顱頂至足底，掃描參數(shù)為 120KV，380eff.mAs，層厚 5mm (Acq.40X0.6mm)，螺距 0.55:1，球管轉(zhuǎn)速 0.5s/r，床高125cm，采集視野200mm ;圖像像素為1024X1024，以DICOM格式斷層圖像輸出。
(2)構(gòu)建人體下肢三維有限元模型:
下肢DICOM影像數(shù)據(jù)導入醫(yī)學圖像軟件Mimics中，通過Mimics的閾值分割、布爾操作、區(qū)域增長、蒙罩編輯、模型生成、曲面光滑、空洞包裹等功能，生成的下肢三維曲面模型，將三維模型導入ICEM CFD中生成實體模型，應用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格方法手動劃分骨骼為六面體，自動劃分周圍肌肉組織為以六面體為主的混合單元模型，韌帶為四邊形殼單元。
(3)驗證步驟(2)構(gòu)建的人體下肢三維有限元模型:
參考圖2，應用下肢長骨及小腿的三點彎曲實驗數(shù)據(jù)對人體下肢三維有限元模型的有校性進行驗證，股骨、小腿模型的兩端分別固定于圓形的支撐體中，支撐體平放于剛性平面之上，可自由轉(zhuǎn)動。碰撞物直徑25mm,方向垂直于股骨及小腿的長軸,方向向下,碰撞速度lm/s，提取碰撞物與股骨的接觸力，碰撞物與脛、腓骨的彎矩數(shù)據(jù)。實驗所產(chǎn)生的股骨接觸力-撓度曲線以及小腿彎矩-位移曲線與文獻尸體試驗數(shù)據(jù)對比。結(jié)果證明人體下肢三維有限元模型產(chǎn)生的骨折部位與實驗結(jié)果一致，三點彎曲產(chǎn)生的最大作用力為3580N，位于實驗數(shù)據(jù)范圍之內(nèi)，接觸力-撓度走勢與實驗數(shù)據(jù)一致，且大小位于實驗數(shù)據(jù)范圍之內(nèi)。腓骨的最大彎矩為63Nm,胚骨的最大彎矩為176Nm,位于實驗結(jié)果范圍之內(nèi)。本驗證表明了人體下肢三維有限元模型的有效性。
(4)構(gòu)建185/65 R14 (胎寬、高寬比、內(nèi)徑)簡易車輪三維有限元模型?？刂茊卧|(zhì)量以使模型能夠穩(wěn)定高效地運算，本模型單元長/寬比< 5，單元質(zhì)量> 0.3。
(5)構(gòu)建300mmX70mmX50mm的簡易保險杠三維有限元模型
對下肢各組織、車輪以及保險杠模型賦予材料屬性(見表I)。
表I下肢各組織、車輛及保險杠材料屬性
權(quán)利要求
1.一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，其特征在于，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)對人體或尸體的下肢進行CT掃描，獲取影像數(shù)據(jù)； 應用多層螺旋CT從髂前上棘至足底掃描下肢，獲取數(shù)字影像和通信標準格式的下肢影像數(shù)據(jù)，掃描參數(shù)為電壓，電流，層厚，螺距，球管轉(zhuǎn)速，床高，采集視野和圖像像素； (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，膝部韌帶以及皮膚模型，并按照標準解剖學位置裝配，分別對松質(zhì)骨、密質(zhì)骨、肌肉、韌帶賦予相應的材料參數(shù)，得到下肢三維有限元模型； (3)驗證步驟(2)構(gòu)建的人體下肢三維有限元模型； (4)設置車輪寬度和高寬比以及輪胎內(nèi)直徑，并賦予其相應的材料參數(shù)，構(gòu)建簡易車輪三維有限元模型； (5)設置簡易保險杠的長、寬、高，并賦予相應的材料參數(shù)，從而構(gòu)建簡易保險杠三維有限元模型； 步驟二、對人體下肢三維有限元模型進行裝配，加載不同初始速度，分別對碾壓傷發(fā)生情景和撞擊傷發(fā)生情景進行模擬，分別得到碾壓傷模擬結(jié)果和撞擊傷模擬結(jié)果: (O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，簡易保險杠模型由外側(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)果與實際損傷對比，篩選出符合損傷的初始條件作為損傷生物力學依據(jù)。
2.權(quán)利要求1所述的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，其特征在于，所述的不同初始速度分別為10m/s,20m/s,40m/s的速度。
全文摘要
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，包括步驟步驟一、構(gòu)建模塊化的三維有限元模型；步驟二、對三維有限元模型進行裝配，得到下肢碾壓傷三維有限元模型和撞擊傷三維有限元模型；步驟三、對人體下肢三維有限元模型進行裝配，加載不同初始速度，分別對碾壓傷發(fā)生情景和撞擊傷發(fā)生情景進行模擬，分別得到碾壓傷模擬結(jié)果和撞擊傷模擬結(jié)果；步驟三、碾壓傷模擬結(jié)果、撞擊傷模擬結(jié)果與實際損傷對比，篩選出符合損傷的初始條件作為損傷生物力學依據(jù)。本發(fā)明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骨的骨折發(fā)生過程，且操作方便、節(jié)省材料。
文檔編號G06F17/50GK103198196SQ201310132918
公開日2013年7月10日 申請日期2013年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月17日
發(fā)明者陳憶九, 李正東, 鄒東華, 劉寧國, 黃平, 張建華, 秦志強, 邵煜 申請人:司法部司法鑒定科學技術研究所