文摘

主动脉是人体最大的动脉,它被认为是在连续介质力学作为其生物特性的超弹性的材料。胸主动脉是直接影响车辆碰撞事件的生成压缩胸腔和三点式安全带在动脉壁张力产生损伤。胸主动脉的三维模型是由数字层析图像考虑升主动脉、主动脉弓和降主动脉。模型获得了可接受的特点,如222.8毫米的长度和升主动脉直径22.7毫米,22.7毫米,主动脉弓降主动脉和16.09毫米。150毫秒的时间通过有限元方法数值模拟了(MEF)和模型模拟分析了压缩负载动脉在其前面的位置。边界条件被认为是通过选择特定的节点模型,如动脉的点是在胸腔与其他元素。此外,位移节点被认为建立一个自然行为的动脉。结果显示动脉壁显著位移。受影响最严重的地区是主动脉弓和降主动脉,其位移达到14毫米从其原始位置。基于缩写伤害规模(AIS),主动脉损伤的程度在这碰撞事件估计,与中等严重程度指数和AIS 2需要就医。

1。介绍

交通事故被认为在一些场景中,人体可以承受一些创伤。三点保留系统防止头部和胸腔影响短跑和方向盘,导致由于肋骨受伤的安全带和胸腔之间的压缩效果。主动脉的血管结构的影响,伤害主动脉壁。主动脉创伤是一种危及生命的事件,其特征是致命的伤害,如伤口和眼泪的主动脉。腹部钝伤自发的循环中断人体重要器官的血流量,影响到患者的生命安全。最严重的情况会导致立即死亡,和交通事故的主要原因是这种创伤。压缩损伤胸主动脉通常在主动脉弓和降主动脉。有力的心脏破裂更频繁地发生在交通事故事件(73%),和心脏损伤的死亡率为89%。98%的受害者卷入车祸AIS3主动脉损伤进行分类,其中大多数当场死亡事故。文献报道,主动脉弓遭受临界损伤,和95%的受害者与主动脉破裂接受立即手术治疗生存(1- - - - - -4]。统计信息在胸部受伤事故场景已经通过分析最常见的损伤,系好安全带。百分比是建立了一个致命的主动脉损伤;英国的98.10%和美国的91%使用安全带在汽车正面碰撞。虽然安全带可以减少体内创伤性损伤的风险,有可能挫伤后的器官转移能量的高影响直接影响胸主动脉的胸腔。研究表明高百分比的主动脉损伤使用安全带在正面碰撞。虽然安全气囊被激活,胸部损伤仍然是严重的内部器官。创伤性损伤发生在武器和骨盆区域,生成和淤青也在胸部和腹部。动脉波确认有胸主动脉创伤性损伤,主要在降主动脉,是决定造成的伤害是压缩的两点或三点安全带,将他们与“安全带综合症”(5,6]。研究已经进行胸外伤和主动脉破裂,正面碰撞交通事故。所需要的能量压缩软组织应力成正比应用和材料偏转。它已经建立了器官被描述为粘性材料特点,和压缩力正比于速度的影响。在一定量的能量,当冲击速度上升,结果是胸部压缩公差降低。它已经被实验证实评估理论的正面和侧面的影响在高速事件(超过33公里/小时)。此外,高速情况下产生损伤胸内部器官中至关重要,尤其是心脏破裂,如胸主动脉和大血管的循环系统7]。主动脉一直在评估各部分(升主动脉、主动脉弓和降主动脉)考虑到有一个联合胸椎,心脏,supra-aortic树干,它估计动脉破裂的原因是突然位移血液流动对主动脉地峡(锤血液),骨的动脉结构的压缩与脊柱胸肋骨,以及吸由于突然减速的影响(8]。

另一方面,数值模拟了包括胸主动脉的行为时受到压缩载荷,模拟两侧面和正面的车辆碰撞事件。Demiray和Holzapfel开发数值模拟应用数学张量表示主动脉机械性能。边界条件被认为是在特定部位的动脉(supra-aortic树干,主动脉弓和降主动脉)。在生成动脉张力,严重受伤升主动脉(9]。韦恩州立人体模型(WSHBM)是一种计算工具,集成了某人的地区如肩膀、排骨、和胸腔,它已经发现,最大主应力之间的压力应用到主动脉后102 kPa和136 kPa [10]。与主动脉LS-DYNA软件被认为是作为一个元素的一个难以理解的横向各向同性超弹性的材料。人们已经发现,在左侧面碰撞的h - 27.6公里的速度在90 ms,·冯·米塞斯应力峰值为1.8 MPa (11]。下面的机械性能被分配考虑主动脉作为弹性材料:密度1.20 E-06 5.00 e 03的杨氏模量,泊松比为0.40。结果表明,降主动脉最大峰值0.148 kPa的礼物。另一方面,主动脉灯泡获得的最大值为0.263 kPa,和应力的最大值为55.4 kPa。

这些值解释为严重的动脉在特定领域,比如主动脉弓(12]。三维建模的方法论部分人体被认为是重要的;6.51研究压缩负载平均加速度在人类胸腔进行,它已经发现,压缩荷载为5.16 N生成一个偏转的肋骨人体内部器官造成伤害。胸腔是受伤害的人体区域由于车祸或高能创伤。研究报告说,受伤胸腔可以是致命的车祸。研究对胸部的行为在不同的负载情况表明,能源汽车产生的影响传播胸腔内的器官。分析病变在胸腔使用第三六岁的混合有限元模型。应用基于翻转车祸的评价标准;记录,人体的胸腔得到更多的伤害当使用安全带3点时,胸部和挠度达到6.21毫米。使用有限元模型应用胸部严重程度指数混合三世虚拟输入额汽车碰撞,病变在胸腔高度的死亡报告。 Numerical simulations of 120 ms period time have been created, and the lesions in the thorax have been analyzed in frontal crash tests, boundary conditions are considered and are automatically assigned by the software, passive safety elements such as the seat belt generates compression loads that cause injuries to the rib cage [13- - - - - -16]。最后,应用粘弹性分级模型MEF被用来创建数值模拟将动脉壁分为3层:内膜,媒体,和动脉外膜。层的行为决定了应力分布和变形下的动脉·冯·米塞斯标准(17]。

本研究旨在分析主动脉的结构行为的数值模拟在不同压缩步骤由于额崩溃。此外,结果专注于建立关系与损伤的类型和结构损伤的工作作为一个预测胸动脉损伤的方法。此外,本研究进一步比现有的主动脉壁的资料分析通过数值模拟基于可编程序控制指令的建设解决了专门的数学语言和使用有限元法应用于三维建模获得TC。因此,结果显示主动脉的结构行为的角度不同的压缩步骤由于汽车的正面影响,强调大量动脉壁的位移。

2。材料和方法

拟议的方法呈现在图1详细的模型开发与文学的特点和将允许应用有限元法进行数值模拟。胸主动脉的三维模型开始通过识别部分和人体中的特定位置。这项研究是根据临床和生物进行报告。一个计算机程序,它允许动脉重建也选择开发三维模型。从初步模型的部分进行评估与特征进行数值分析。

基于文献动脉的生物力学和临床报告收集的研究,它是确定主动脉接收来自张力所产生的压应力的三个紧固点安全带集成到一辆车。额的惯性力的影响迫使人体推进倾向于汽车的方向盘。安全带是激活的,保持人体避免影响仪表板,遮阳篷,或者方向盘。从这个事件中,生成压缩应力向胸腔,最初影响胸腔的骨骼结构,尤其是胸骨,压力传播对人体的内部器官,如胸腺和主动脉。图2代表了正面碰撞事件和影响人体的部分保留的安全带(胸骨、胸腺和主动脉)。

2.1。主动脉的三维建模

胸主动脉的三维建模是通过开发SCANIP®计算机程序。首先,动脉是222年重建的序列数字图像属于50百分位的人体胸腔的墨西哥病人。获得三维模型的最佳方式是通过计算机断层扫描(CT)。因此,这些数字图像被配置为一个完整的数据范围,以获得最好的解决每个图像。此外,面具被配置为确定胸主动脉的部分,并通过计算机程序的工作界面划分为三个截面它使用(横、矢状面和额),胸主动脉的重建三维模型考虑几何基于临床报告。

胸腔的重建进程标识特定区域的胸主动脉所在地。面具已经创建的目的表示感兴趣的部分模型的生成(升主动脉、主动脉弓和降主动脉)。动脉元素被认为是边界条件,固定分被认为:主动脉灯泡和supra-aortic树干(头臂动脉干、左颈总动脉和锁骨下动脉)。数字图像的清洗过程是由保存的像素每一层的胸主动脉。模型中生成SCANIP®是一个三维固体,和高斯滤波器用于消除粗糙表面的三维模型中使用其他电脑程序。图3显示胸主动脉的三维模型。几何尺寸所示的每个部分的动脉。

2.2。数值需求

的Meshmixer®软件提供的工具来修复3 d模型获得SCANIP®。首先,检查整个模型和固定;基于指定的动脉壁厚是文学,管状层2.3毫米,华隆主动脉的三个部分(提升、主动脉弓和降)。在图4观察到人类主动脉模型数值模拟。

在Meshmixer®,它建立在表面边界条件在主动脉灯泡和supra-aortic树干。图5显示了平面孔中创建对应的主动脉弓动脉韧带和前纵韧带的胸主动脉位于第三椎和主动脉在哪里。

一旦主动脉的解剖特征和边界条件成立以来,在最后一个阶段,完整的模型被创建为一个坚实的避免错误数值模拟中获得正确的结果。一个文件STL特色创建导入Matlab®软件进行数值模拟。

高能交通事故在正面碰撞情况下负责钝伤,人体由于他们对不同部分的影响。使用约束系统(三点式安全带)的目的是为了避免最大量的乘客受伤。然而,残酷的影响时,压缩载荷产生胸腔和安全带,造成直接伤害到人类主动脉,生产从表面迹象如瘀斑的胸部封闭等主动脉创伤伤口,主动脉瓣解剖,被害人和破裂代表慢性并发症,有时立即死亡。NCAP(新车评估程序)是一个欧洲标准用于汽车评估机动车辆的结构功能和安全系统。在墨西哥Latin-NCAP是当前监管应用。对对象的评价分析正面碰撞事件等安全壁垒,混凝土结构,和其他车辆18,19]。

施工的数值模拟,Latin-NCAP的标准和评估标准。安全系统的基本配置评估提出的标准在sedan-type汽车正面碰撞事件之间的质量1500公斤和2000公斤的描述如下:(1)额的影响发生在64 km / h的速度(40 m / h)(2)汽车撞到一个不平衡的障碍在司机的位置(3)前面的障碍是可变形(4)安全系统(三分安全带,前部和侧安全气囊)

标准认为40%的正面影响与另一个结构元素在大多数交通事故。汽车的能量吸收高影响部分(前面司机或乘客),所以伤害人类的身体可以严重和致命。图6代表了Latin-NCAP[正面碰撞事件标准化20.]。

150 ms的Latin-NCAP评估影响,使用缩写伤害规模(AIS)来确定人体的伤害。在大多数的乘客,胸部保护在额叶的影响来说是足够的。然而,关键等内部器官损伤主动脉可以影响并不排除。

数值模拟主要是在三维模型生成的位移应力压缩发生。它还考虑惯性动作收购额影响和产生的压应力在胸腔的安全带,负责将载荷传递到人体的升主动脉。动脉模型被认为是超弹性的材料几何结构,使数值模拟真实条件和验证按规定标准下的建议。三维模型是在一个垂直的位置,将负载应用于3 d模型的后面(降主动脉)作为惯性运动的影响的正面影响和额部(升主动脉)由于压缩产生的三点式安全带,和图7显示了分配部队”“轴。

机械性能被分配考虑奥格登的本构模型。表1显示主动脉模型的结构配置的值(21,22]。

2.3。数值分析方法

Matlab®软件被用来导入STL,通过开源程序,预处理和后处理是结构化的。STL文件加载与特定的命令,保留原始模型没有令人不安的几何和结构。这个电脑程序允许用户建立标准模型,该模型可以适应在不同情况下进行数值模拟。最初,建立了常规配置通过基于C语言的指令,如字体大小,标签位置和三维模型的视野。一旦完成了初步的配置,导入模型,说明建立指定文件的来源,最后,Matlab®显示默认的图形界面。因此,保留了原始的几何模型建立在前面的包。因此,应该注意的是,三个轴的尺寸从3 d模型获得那些内置扫描IP®。图8显示主动脉的3 d模型和分配的特点。

数值模拟将执行该地区的三维模型。生成的代码分析的输入元素导入的模型,并将其转化为四面体有限元素。导入的模型包含一个内部管道,也获得相同的网格。表2显示的值分配网格导入3 d模型。

模型是完全映射在有限元素选择结构分析。每一个四面体元素的大小是足够的关于建立数值模拟所需的计算资源。有限元素创建如图9特写图片,四面体元素方面的赞赏。

根据人体的解剖学和胸部,特定的三维模型中的边界条件考虑,如升主动脉、主动脉弓和降主动脉选择控制结构代码面孔和节点上创建模型的表面。每个节点的位置包含一个特定值的每个轴,包括负导入三维模型空间的一部分。Matlab®软件解释整个模型的三维空间模型中的每一个点都有一个特定的坐标和有限元的大小。边界条件的选择是通过命令和逻辑运算符,允许三维模型内的点和节点的位置。重建的三维模型的主动脉,主动脉的最后一部分灯泡被认为是平面适应并获得相应节点的选择。主动脉弓如下胸主动脉的一部分;它与升主动脉和降主动脉。此外,在主动脉弓的波峰,有supra-aortic树干分布式对人体的怀抱和左右大脑的额叶。主动脉弓的边界条件区域被认为是基于文学。支持节点连接相同的方式在升主动脉,和这一领域的映射进行了考虑节点对应点。 The aortic arch section presents the most significant number of nodes selected for the boundary conditions, adapting to the conditions involved in the human body anatomy. The last part of the thoracic aorta is the descending aorta. It acquires this name since it is directed towards the lower part of the human body. In this particular area, the end of the three-dimensional modeling is considered a boundary condition, as in the ascending aorta, a flat face was adapted at the end of the duct to achieve the mapping identification of the node’s coordinates. Furthermore, since the case study only involves the thoracic aorta, it was decided to close the duct of the descending aorta without affecting the geometry; most of the nodes of movement (blue ones) are found in this section of the aorta, between the aortic arch and the descending aorta.

另一方面,运动中的面孔和节点模型还代表开发数值模拟的基本功能。额车辆碰撞事件期间,人体遭受由于减速向前位移。安全限制防止胸部和头部的影响与汽车的内部元素生成压缩载荷在胸腔。主动脉经历压缩应力,取代主动脉的免费部分,不分享接触,如上述边界条件。确定节点在蓝色音调不考虑指定边界条件假设的三轴运动的特点,涉及到三维工作空间。图10显示特定点设置边界条件和边界条件的设置。

模型中的边界条件点建立非常亲密和类似的近似比文学。此外,集成到模型的设置也必须配置适当轴允许确定点负载时,不应该被取代。然而,如果它是震级高、夹紧点的影响。

的FEBIO与Matlab®®解算器是用来模拟压缩的额部3 d模型。一个颜色条显示了生成的位移建模;负载仿真显示了初始位置的位移和获得有关颜色条阴影。此外,图形化显示的结果是压力的函数。柯西应力被认为是时间的函数,和位移产生的图模型;模拟的持续时间(外加负载)不超过150 ms Latin-NCAP建立的规则。图11显示了数值模拟的组件。

额碰撞关注评估动脉压缩通过安全带负载产生的约束系统。在数值模拟,结果三个特定部分的主动脉:升主动脉、主动脉弓和降主动脉。主动脉的灯泡,supra-aortic树干,降主动脉无法移动的三维轴。相比之下,左肺动脉的边界条件和边界条件后模型的一部分分配给禁用三个轴的运动。AIS分类生成在人体的伤害。它分为身体地区,类型的解剖结构和特定的解剖结构。位移,在胸腔的元素类型的损伤(内脏)AIS相关规模考虑损伤主动脉中生成的类型。表3显示了分类根据AIS在主动脉钝创伤代码。

Holzapfel的本构模型是最接受的模型来描述动脉。这是一个简化模型的假定的动脉壁的响应是由两种材料组成的结构动脉壁。这个模型是制定的条款不变的基础上,tension-based的应变能函数的柯西quasi-incompressible,获得以下表达式:

此外,Holzapfel的粘弹性能量密度决定了无限时间可以描述如下:

能量密度的功能决定的并考虑变形的某些内部变量 ,如下:

获得以下正常化的条件:

通过模型来描述的力学行为描述为了获得应力应变模式应用于有机组织如人类主动脉。奥格登模型被认为是一个适用的模型和超弹性的材料行为和表达了应变能考虑到主要的扩展: 。

该数学模型生成的结果在一个可接受的近似压力测试。适用的表达式是

3所示。结果

数值模拟的执行期间,有具体点的主动脉的行为感激当压应力。例如,在毫秒的24.90,49.80,74.70,99.60,124.50,和149.40;可以想象主动脉的位移在特定领域从主动脉灯泡到降主动脉,和行为基于模型的力学性能和特点考虑压力应用来说是足够的。尽管数值模拟时间是298.00毫秒,压缩效果在主动脉结束149.40毫秒的瞬间,和总动脉产生的位移。图12礼物的行为主动脉提到的时期。

在降主动脉动脉位移产生明确主动脉弓和降主动脉模型的最后一部分认为所有的边界条件。然而,飞机上的运动” ”包括食道接触(胸部分)。因此,胸主动脉的行为是至关重要的,强调主动脉弓是最高的区域位移产生的位置,位移在124.50毫秒增加到14毫米,和被认为是重要的,因为它是压应力集中的地方。

4所示。讨论

这项研究进行了静态分析仿真的动脉壁的行为使用MEF胸主动脉。三维模型配置考虑超弹性的软组织的力学性能。此外,研究认为腹部钝伤的起源,压缩加载由于汽车碰撞。然而,元素,如汽车,乘客舱,和安全带不考虑。

一个有趣的行为是观察颈总动脉后,在压缩的胸主动脉,中央supra-aortic树干礼物至少通过时间模拟和恒定位移,这是1毫米。立场是远离区域进行位移的胸主动脉(升主动脉和主动脉弓)。左锁骨下动脉显示了线性从3毫米增加到13毫米的位移由于其接近主动脉弓,虽然头臂动脉干了最大位移达到7毫米。升主动脉最大位移到6毫米149.40 ms。一个虽然位移很小,它可以在高速碰撞场景中被认为是致命的。然而,主动脉区不存在基于数值模拟的严重伤害。最后,降主动脉平均增加2毫米总位移的同时14毫米。

应该注意的是,考虑到数值模拟构造,附近的管状结构的行为主动脉弓被迫搬到食道(胸区)。图13礼物的关系结果如图12在149.40毫秒,受影响最严重的地区是主动脉弓,被认为是部分的主动脉破裂的可能性。也观察到边界条件的点集中维持模型受人尊敬的和现在的最小位移作为行为的一部分,胸腔内的存在。

动脉壁的位移产生的压缩荷载数值模拟代表变形中动脉。的属性描述主动脉的超弹性和粘弹性类型。虽然动脉的位移在发生正面碰撞是相当大的,他们不代表失败在动脉的材料,因此可以认为动脉遭受突然主动脉弓的位移会严重影响血液流动。

在胸腔的影响由于安全带的张力,前面提到的汽车安全系统和胸腔也参与其中。最初,元素接收到最高压力压缩是胸骨,这被认为是能量的转移对主动脉与汽车速度的影响是很重要的。对于这个案例研究,在64公里/小时,动脉发生位移14毫米主动脉弓和降主动脉迫使动脉和左肺韧带取代。最后,基于AIS的规模,在主动脉损伤的程度分类。因此,代码对应于一个AIS 2需要就医和损伤是可逆的。结果表明,主动脉是流离失所的14毫米从原来的位置和适度影响由于胸腔的挫伤。根据主动脉结构行为的数值模拟,它可以与临床分析洛伦佐et al .,这报告的主要变形在主动脉弓。魏等人做了一个模拟27千米/时横向影响,它描述了同样的行为少主动脉弓的位移由于压力由27千米/时的场景。(等人同样显示主动脉弓和降主动脉的行为5毫米的位移30 ms模拟压缩载荷。最后,Belwadi等的侧面碰撞仿真表明,左锁骨下动脉也受伤的压力压缩之后,根据边缘水平降主动脉。

因此AIS 2是选择创伤的代码在这个研究案例作为一个温和的描述没有做作的器官损伤数值结果如图12。表4显示了AIS编码及其描述。

开发数值模拟分析胸主动脉的结构性行为压缩加载汽车安全带由于压力的事件。数值模拟也可以在三维模型考虑设置压缩应力边界条件来模拟碰撞场景。通过有限元数值模拟施工通过专门的计算代码允许创建一个三维的工作区,导入STL对象,设置任何有限元,分配材料特性和解决案例研究应用对象上的压力预测材料的行为。主动脉的行为与应用力学特性是相似的,建立在压缩载荷影响最大的区域保留系统在主动脉弓。应该注意的是,这项工作并不包括元素的数值模拟的案例研究(安全带和汽车)由于计算机程序提供的限制使用。然而,由数值模拟程序指令导致的建设场景模拟人体的器官。

5。结论

在这项工作中,主动脉结构行为的数值模拟进行了静态字段,应用压缩加载升主动脉的3 d模型,TC发达。压缩荷载模拟的动脉进行了考虑边界条件在特定地区的主动脉模拟压力应用的张力带约束系统的汽车。基于机械张力器允许使用数学模型数值模拟建设建立材料的类型根据软组织的家庭在动脉壁所属。奥格登和粘弹性模型应用程序通过矩阵方法在解决方案集的连续介质力学行为hyper-elastic材料。根据应用的数学模型,分析了位移矩阵求解考虑碰撞事件。anatomical-based编码系统的AIS分数描述损伤的严重程度。数值结果表明,在主动脉弓的胸主动脉到达14毫米的位移和并不代表主要动脉损伤。然而,根据AIS分数和医疗报告,突然压力在64 km / h胸腔需要就医的协议冲突场景。建议这项工作比较的结果与其他作者和临床报告。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者承认金融支持这项工作的实现,墨西哥政府Consejo Ciencia y Tecnologia (CONACYT)和西班牙Politecnico Nacional (IPN)。作者还要感谢的支持项目20210282和一个EDI格兰特,所有的SIP / IPN。