Harm利用美国国家事故采样系统(NASS)中的数据统计整理的道路交通事故中人体各部位损伤比例分别是:头部35.3%,面部2.8%,颈部4.6%,胸部26.7%,腹部18.2%,上肢4.1%,下肢5.1%^{[ 1]}。可见,在汽车碰撞事故中胸部损伤仅次于头部损伤,其中肋骨骨折是最常见的胸部损伤类型。因此,研究胸部肋骨的损伤机理对于改善与优化汽车的设计,采取安全的防护措施和降低伤害的发生率具有重要的意义。随着计算机技术的不断发展,有限元模型成为研究胸部肋骨损伤生物力学的重要工具^{[ 2]}。近年来研究人员开始用有限元方法开发了各种胸部有限元模型并进行了验证,但是很少有文献对肋骨进行单独的仿真验证,而且模型的材料参数基本上是直接引用国外经典文献的材料参数。由于生物材料的复杂性及试验样本的差异,同一种生物组织的材料参数在不同的文献中通常具有较大的差异,甚至相差一个数量级。因此,直接采用国外经典文献的材料参数,对模型的生物逼真度有一定的影响。

本文利用CT扫描数据,建立了具有解剖学结构的人体胸部肋骨有限元模型。为提高所建模型材料参数的准确度,肋骨的材料参数通过以下两种途径获取:一是直接引用相关经典文献中的材料参数;二是进行动物组织试验,并结合有限元分析技术和优化算法对肋骨的材料参数进行反求。将两种途径获取的材料参数分别用于所建立的肋骨模型,并采用维吉尼亚大学Kindig等^{[ 3]}于2009年所做的人体肋骨载荷试验数据对两组仿真进行验证,结果表明,其位移-反作用力曲线与试验曲线吻合较好,并且采用反求方法获取的材料参数进行仿真计算时具有更好的生物仿真度,该模型可以用于胸部肋骨损伤机理和安全防护研究,并为后续整个人体有限元模型的开发奠定了基础。

对一位男性志愿者进行CT断层扫描,扫描层厚为0.6 mm。首先从最初的CT数据进行医学影像的肋骨轮廓边界的分割提取;然后把分割提取出来的各断层医学图像进行影像配准;最后将正确配准叠加起来的各断层CT图像运用三维重构技术建立肋骨的几何模型。

本文利用专用的有限元网格划分软件对第六根和第十根肋骨的三维几何模型进行网格划分,模型全部使用六面体实体单元建模。建立肋骨有限元模型主要步骤如下:

(1)将处理好的肋骨曲面几何模型导入专用软件的网格划分模块中,旋转观察模型的几何特征,构思创建Block的方法,如图8所示:

图8

Fig.8

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图8 肋骨曲面模型Fig.8 Surface model of the rib

(2)创建Block,并用Split Block工具对Block进行雕琢,得到Block拓扑结构,如图9所示:

图9

Fig.9

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图9 块的划分Fig.9 Block division

(3)使用Associate工具将Block上的顶点关联到模型表面上,如图10所示:

图10

Fig.10

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图10 顶点与几何表面的关联Fig.10 Vertex and geometric surface connection

(4)利用网格划分功能把Block分割成内外两层结构,如图11所示:

图11

Fig.11

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图11 内外两层Block分块Fig.11 Inside and outside block

(5)点击模型树上的Pre-mesh选项,可以网格进行预划分操作,观察模型质量是否理想,并能借助Pre-mesh Quality工具查看模型质量分布值,如图12所示:

图12

Fig.12

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图12 肋骨预网格Fig.12 Preliminary grid of the rib

(6)对模型网格质量适当调整,检查合格后将预网格转化成非结构体网格完成网格划分,按照需要将划分的有限元模型以适当格式输出,输出后导入CAE软件,如图13所示:

图13

Fig.13

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图13 肋骨网格模型Fig.13 Grid model of the rib

为了确保模型的精度和计算效率,在模型网格划分时对网格质量进行控制。依据实体单元网格质量控制标准,如表1所示,对肋骨所有单元进行质量检查。通过模型简化、网格调整使所有单元都符合要求。

为提高人体模型的生物逼真度,进行单个组织的验证十分必要。因此,本文参考维吉尼亚大学Kindig等^{[ 3]}于2009年所做的人体肋骨载荷试验对建立的肋骨模型进行验证。

试验验证第六、第十根肋骨,两根肋骨从男性尸体上与脊椎等分离开所得,与肋骨相连的所有肌肉、韧带等软组织全部被剔除。试验过程中肋骨的底端约束5个自由度,仅可绕 轴旋转。试验加载条件为:由上端向下持续地以500 mm/s的速度加载。试验输出结果为肋骨底端 三个方向反作用力的合力与肋骨上端位移的变化过程。试验设备与试验方法主要参考Cormier^{[ 11]}和Charpail^{[ 12]}等人的肋骨载荷试验。

仿真模拟中分别采用通过反求获得的材料参数和直接从参考文献获得的材料参数。对每根肋骨的两端截取一部分定义为刚体,以模拟试验夹具对试验的影响。约束及加载条件如试验方法所述,在上端所有节点以恒定速度加载。

仿真输出了各肋骨底端反作用力与位移的对应关系,并与原试验作了比较,如图14所示:

图14

Fig.14

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图14 肋骨底端反作用力-位移曲线Fig.14 Reaction-displacement curve of the rib’bottom

图中参数优化前仿真曲线的材料参数直接引用参考文献;参数优化后仿真曲线的材料参数通过反求方法得到。

从图14可以看到,当直接引用参考文献的材料参数进行肋骨有限元模型的仿真验证时,虽然在趋势上跟试验一致,但是两者的反作用力值相差比较大。当采用反求方法获取的材料参数进行仿真验证时,仿真曲线不仅在整个历程的变化趋势上与试验曲线一致,而且其反作用力大小均与原试验大致相同。结果表明,通过动物组织的材料参数反求方法获取材料参数是可行的,而且可以有效提高模型的生物仿真度。

本文建立的肋骨有限元模型在仿真验证中的响应与人体肋骨载荷试验曲线的相应区间的响应能较好地吻合,表明所建立的模型具有较高的生物仿真度,可以用于胸部肋骨损伤机理和安全防护研究,并为后续整个人体有限元模型的开发奠定了基础。CT影像数据可以很好地体现骨骼等硬组织的细节,因此,对于建立骨骼组织的生物力学有限元模型,可以通过CT影像数据获得三维结构,然后利用网格划分软件生成六面体有限元网格。通过动物组织试验,进行材料参数反求,并将反求获取的参数用于仿真模型。通过对比发现,由反求方法获取的材料参数可以明显提高模型的生物仿真度。对于人体其他组织的材料参数也可以通过类似的方法进行反求来获得。本文重点剖析了人体第六、第十根肋骨的参数反求和建模,胸腹部的其他结构也可以类似地完成模型化工作,而且骨骼组织的其他参数,如泊松比、剪切模量、切线模量的反求问题也可做类似的研究。