文摘

大脑组织力学性能的重要性调查孩子头部受伤使用有限元(FE)方法。然而,这些属性通常用于儿童头部有限元模型不同在一个大范围的文献发表,因为不足的孩子尸体实验。在这项工作中,头部有限元模型与详细的解剖结构发达的计算机断层扫描(CT)数据6岁健康的孩子的头。脑组织的影响力学性能对创伤性脑响应也是一头的分析了重建对发动机罩的影响根据欧洲五星测试规定使用有限元方法。结果表明,大脑组织机械参数的变化在线性粘弹性本构模型对颅内反应有不同的影响。此外,相反的趋势得到预测剪应力和剪应变的变化所导致的脑组织所提到的参数。

1。介绍

流行病学调查表明,颅脑损伤造成的交通事故是儿童死亡的主要原因之一(1]。孩子头部受伤的标准和耐力极限的重视发展头部保护装置。头部受伤的实验用孩子尸体是最有效的方法来研究头部伤害标准和耐力极限(2]。然而,没有孩子的尸体实验很大程度上阻碍了儿童颅脑损伤的机制的理解在考虑伦理道德。最近,有限元(FE)方法解决这些问题提供了一种新的方法计算力学和计算机技术3- - - - - -7]。罗斯et al。8)创建了一个头部有限元模型的一个6个月大的孩子,包括主要解剖特点的头骨,小脑幕,囟门,大脑镰、脑脊液(CSF)和基于计算机断层扫描(CT)的数据。在这项研究中,有限元模型被用来评估震动和冲击荷载条件下的创伤。罗斯et al。9- - - - - -11)还开发了一个详细的3岁孩子头部有限元模型探讨头部受伤的标准。而按比例缩小的成人头部有限元模型,结果表明,它是不准确的,当扩展一个成年人去获得孩子的头。阮et al。12]从CT数据建立了一个详细的6岁的头部有限元模型和有限元模型进行了验证。曹et al。13)进一步发展详细铁10岁头模型通过使用ANSYS ICEM CFD和HYPERMESH代码从CT数据。

众所周知,适当的大脑组织材料本构模型和有限元方法的关键因素是准确的材料参数对颅脑损伤进行调查。然而,大脑组织的力学性能随儿童年龄逐渐[14,15]。此外,菲头模型中使用的机械性能主要从动物实验获得或缩放数据从成年人由于缺乏儿童尸体实验、有限元方法的精度有限。

在这项研究中,一个有限元模型与详细解剖特点开发了基于头部有限元模型由阮et al。12]。脑组织的影响力学参数变化对颅内响应系统根据欧洲五星评价测试的监管。儿童颅脑损伤机制进行了讨论。

2。方法

2.1。有限元模型描述

基于验证有限元模型由阮et al。12),颅内软脑组织进一步划分,下颌骨头和面部骨骼等硬组织创建了基于CT数据的一个6岁的孩子的头使用铁发展方法在文献[21]。有限元模型的网格品质也在本研究中进行了优化。详细的6岁孩子头部有限元模型如图1;它可以发现头骨包括额骨、蝶骨,筛骨,外板和内板,和发育不全的枕骨板障,顶叶的骨头,骨头和时间。大脑软组织包括大脑、胼胝体、小脑、脑干、心室,间脑,窦,亚麻、脑脊液和硬脑膜。整个铁头部模型103716节点主要包括17346枚炮弹(镰、硬脑膜和小脑幕)和96128砖(其他大脑结构)。网格在脑组织、脑脊液和头骨与常见节点。开发了有限元模型被验证在李的研究(22)和阮的研究(12]。

2.2。大脑组织的机械性能

线性粘弹性本构模型被普遍应用于调查脑组织损伤的头部有限元模型。脑组织的齐纳模型在本研究中,采用本构方程是定义在以下方程: 在哪里是长期的剪切模量,是短期的剪切模量,衰减系数。

蒂博,格里斯(14)比较了线性弹性剪切模量的大脑抱小猪(相当于人类婴儿出生)与一岁的猪(相当于一个四岁的人类婴儿),发现即使在低压力剪切模量显然不同。Chatelin et al。15)发现,随着年龄的增长孩子的大脑机械性能变化明显当孩子在低频率小于2年剪切载荷。结果表明,长期和短期剪切模白质,灰质和脑干的孩子2岁以上成年人的相同。此外,脑干的剪切模量是两到三次更严格的比白质和灰质与年龄无关。蒂博,格里斯(14)和罗伯特(23)发现2岁孩子的大脑组织的构成,如DNA聚合酶含量、含水量、脂质含量,主要是成人相同(9,11]。大脑的线性粘弹性本构模型中的力学性能报告在文献总结在表中1(9,16- - - - - -20.]。表2总结了其他头材料属性中使用的有限元模型。

从表1大脑,可以看出,机械性能变化在一个大范围的文献报道。至于短期剪切模型,它在-528年5.99 kPa的范围不同,而长期剪切模量变化范围为2.32 -168 kPa。衰减系数变化在-920年代0.09248的范围⁻¹,变化范围在1.25 -2110 MPa。

评价脑组织力学参数变化的影响在颅内的反应,一个全面的参数进行了研究。不同参数组合的模拟矩阵是表所示3。文献报告的参数(9,17)被采用为基线实验,短期的剪切模量为4.9,49岁,分别和490 kPa。长期剪切模量1.62、16.2和162 kPa,分别。衰减系数不同水平的1.45,14.5,145年和1450年/ s和体积弹性模量变化在21.9的水平,219,和2190 MPa。这些值可以涵盖所有的报告数据表1。特别是,报告结果显示脑组织的体积弹性模量是至少10⁵倍比剪切模量15]。因此,体积弹性模量,剪切模量的比例在所有实验系列应该满足特殊要求。实验系列表3能满足特殊的要求。

2.3。仿真实验加载和边界设置的影响

开发孩子的头之间的影响模型和发动机罩是重建按照欧洲五星测试规定24]。发动机罩表面位置存在,有害的减震器的结构(图2)是选择从孩子的头型测试区作为影响位置(22]。

图3显示了FE模型影响的额头位置的发动机罩表面的模拟,由使用PAM-CRASH代码。质心的速度设置主管菲35公里/小时,发动机罩。速度方向菲头与水平面50度,和影响方向向下和向右前面结构车辆纵向垂直平面上。

3所示。结果与讨论

3.1。颅内的反应不同值

3.1.1。颅内压

虽然,,发挥重要作用在颅内压、Ex_1 Ex_6, Ex_7实验表3只关注体积弹性模量的影响颅内压。结果Ex_1、Ex_6 Ex_7图所示4颅内压的时间与不同的历史值。这表明政变的压力和较低的对侧外伤压力降低值。当值为21.9 MPa,政变压力达到峰值117.1 kPa和峰值对侧外伤−88.1 kPa的压力。政变峰值压力增加到159.8 kPa和峰值压力对侧外伤−97.2 kPa,什么时候值增加到2190 MPa。体积弹性模量的降低值意味着静水压力减少,脑组织。结果,脑组织端变形的影响更容易在相同的加载条件下,结果在一个较低的政变相应的压力。

3.1.2。剪应力和剪应变

峰值剪应力增加,剪切应变随的增加而减小价值。从13.7 kPa峰值剪应力增加到17.9 kPa时值从21.9 MPa提高到2190 MPa。然而,剪切应变急剧减少从0.6到0.1。最大剪应力发生在脑干背桥的时候值为21.9 MPa和219 MPa,它发生在脑干背侧中脑地区时值为2190 MPa。而最大剪切应变发生在大脑顶叶皮层的叶的影响时值为21.9 MPa,它发生在脑干腹外侧脑桥,值为219 MPa和2190 MPa。结果意味着最大剪应力的位置是不一样的,最大剪切应变。

3.2。颅内的反应不同值

3.2.1之上。颅内压

政变的绝对值的增加和对侧外伤压力上升值,如图5从基线的结果,这是策划,Ex_1, Ex_2实验。从155.1 kPa政变压力增加到180.8 kPa而对侧外伤压力增加从−93.4 kPa−100.5 kPa时增加从4.9 kPa 490 kPa和价值值从1.62 kPa增加到162 kPa。

3.2.2。剪应力和剪应变

在仿真的影响方向是不一样的发动机罩表面的法线方向。因此,合成头加速度不仅包括线性加速度也旋转加速度的影响过程中,从而导致剪切效应对大脑组织。张等人建议轻度创伤性脑损伤的概率可以50%当剪应力达到0.0078 MPa,和概率可能超过0.01 MPa时(80%25]。如果设置了剪应力为0.01 MPa时损伤标准评估大脑组织的仿真结果,可以看出,剪切应力高于0.01 MPa的增加值如图10倍6 (c)。这表明,轻度创伤性脑损伤区域的风险是很高的。所有的剪切应力见图6(一)和6 (b)小于0.01 MPa时减少吗价值10倍,这表明风险较低的轻度创伤性脑损伤的脑组织。如果剪切应力为0.0078 MPa是设置为损伤标准,受伤的风险发生在中脑导水管心室面积与降低10倍值(图6(一))。显然,脑组织损伤的风险增加而增加的价值。

同样,峰值剪切应力也增加不断的增加价值。当值降低了10倍,剪应力峰值为0.011 MPa和发生在脑干的背桥的。当价值增加10倍,峰值剪应力达到0.054 MPa和发生在顶叶皮层外侧侧的影响。因此,高峰值和峰值剪应力领域不断随的增加价值。

然而,大脑组织随剪切应变的增加值(图7),其趋势是相反的剪切应力。最大剪切应变减少时从0.20到0.012增加从4.9 kPa 490 kPa和价值值从1.62 kPa增加到162 kPa。同时,最大剪切应变区发生在颞叶与降低了10倍值虽然发生在胼胝体的影响方面增加了10倍价值。

3.3。颅内的反应不同值

3.3.1。颅内压

仿真结果图8从基地、Ex_3 Ex_4, Ex_5实验表明,颅内压与不同的衰减系数随时间的变化曲线值几乎互相重叠,这表明对颅内压变化没有影响。政变高峰压力不同值是0.159 MPa。

3.3.2。剪应力和剪应变

根据张的剪切应力损伤标准为0.0078 MPa (25),大脑中与不同的剪切应力分布值数据所示9和10。可以看出,受伤的风险区域,特别是在大脑顶叶皮层的叶,脑干腹外侧脑桥,胼胝体和影响方面,随的增加而减小价值。

大脑的上限值与不同的剪切应变价值观调查为了获得相同的高应变区在大脑皮层影响的一面。在图11可以看出,上限剪切应变值是0.055值为1.45年代⁻¹虽然是0.121450年代的价值⁻¹。

虽然对颅内压变化没有影响,它真的有大影响剪应力和剪应变。脑损伤的风险是高的值是1450年代⁻¹。

4所示。结论

孩子的头部有限元模型与详细的解剖结构建立了基于CT图像的6岁健康的孩子的头。根据欧洲五星测试规定,影响孩子的头模型和发动机罩之间的仿真实验进行了研究。大脑的影响力学性能对颅内响应分析系统通过一个全面的参数研究。

颅内压力和剪切应力的大脑组织随着体积弹性模量的增加而增加而剪切应变减小。同样,峰值剪应力和剪应变的价值观都是不同的变化值。

剪切模量的影响颅内压的变化、剪切应力和剪切应变的体积弹性模量有相同的趋势。

至于衰减系数,各种对颅内压值几乎没有影响。然而,峰值剪切应力降低和剪切应变增加更大价值。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

承认

这项工作得到了国家自然科学基金(81201015,81201015,81471274)。