3-12岁儿童头部参数化模型建模研究

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在对儿童造成交通事故损伤形式中,头部损伤是其中致死致残概率最大的一种形式。因此,针对儿童头部的研究就显得尤为重要。而目前国内外的儿童尸体实验数据还较少,许多模型的开发也集中在指定年龄、百分位和性别的儿童上。而不同的人体特征参数,儿童头部形态参数也会产生一定变化,这也会造成儿童头部生物力学特性的差异。本文将针对这一现状,开发出具有不同年龄、身高、身体质量指数(Body Mass Index,简称BMI)和性别的儿童头部模型。相较于开发周期较长的传统儿童头部有限元模型建模方式,本文研究将采用参数化建模的方法,利用网格变形技术可以快速生成儿童头部网格模型,从而研究不同人体特征参数对儿童头部形态的影响。主要的工作内容如下:1)通过对60个临床医用计算机断层扫描(Computed Tomography,简称CT)数据进行图像阈值分割、三维重建,随后对模型进行前期预处理、姿势调整、标志点选取、统计学分析和网格变形等过程得到参数化网格模型。并对模型进行精度分析和网格质量检查等工作以证明模型的准确性。最终得到的模型能够很好地表示儿童头部的几何形态,同时具有较高的网格质量。2)在经过网格变形之后的网格模型其材料模型等都并未发生变化,通过预测得到儿童头部模型并进行头部跌落仿真实验并与Loyd等研究学者进行的尸体实验数据进行对比以验证模型的可靠性,为后续的儿童头部损伤有限元分析打下基础。结论证明了预测模型的准确性。3)对预测模型进行形态参数测量并得出形态参数随着年龄、百分位和性别的变化趋势,同时研究得出人体特征参数对形态参数的显著性影响。此外,测量得到头骨厚度随年龄的变化趋势。可以得出形态参数大部分都在随着年龄和百分位呈逐渐增长的趋势,而男性形态参数普遍大于女性。本文研究采用的参数化建模方法能够快速得到儿童头部模型,并具有较高的生物逼真度,这相较传统方法节省了大量的开发时间,有利于后续的相关研究。这对建立儿童头部模型数据库,开发改进适用于具有不同人体特征参数的儿童安全座椅等设施都具有重要意义。
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