文摘

本研究的目的是分析的生物力学影响鼻窦在头骨面部反应的影响。两个模型建立,人鼻窦,另一个没有。使用尸体模型验证测试数据,包括影响额骨,颧骨、上颌骨。影响上颌骨、颧骨、鼻窦被发现没有显著的影响在全球分布的压力或面部骨骼的硬度,并在当地的影响是有限的。在额头上的影响,鼻窦显著影响应力应变的分布头骨由于面部骨骼的位置。结果表明,如果窦远离的位置的影响,其影响的总体响应头骨可以被忽略。此外,感兴趣的区域之间的距离和鼻窦是另一个重要的参数研究鼻窦的局部作用。

1。介绍

面部损伤造成的影响面部区域视为一个严重的公共卫生问题在发达国家和发展中国家1- - - - - -4]。道路交通事故是面部损伤的主要原因之一(1,5,6),可能导致残疾和死亡。面部损伤常常与功能障碍有关,面部骨骼断裂,和心理问题1]。很多都使用尸体头进行了调查和物理模型来研究面部和面部骨骼损伤的影响。在一项由欧烁et al。7),第三混合仿真和人类尸体的面部反应调查了额头,颧骨、上颌骨的影响。人类尸体被吸引的力-位移曲线。尼奎斯特et al。8)进行鼻影响实验11尸体韦恩州立大学。鼻骨骨折的观察到在所有的测试中,在一些测试发现了更广泛的骨折,包括一个或多个上颌骨骨折、颧骨和楔形骨。Cormier和Manoogian9)进行了另一个尸体的研究来评估尸体受试者的反应直接影响额骨,鼻骨、上颌骨。的刚度、断裂特征、材料特性和一些脸部骨骼结构研究[7- - - - - -16]。这些实验和计算技术的发展,随后导致数字头模型的发展,特别是有限元(FE)模型,允许更深入的生物力学研究[17]。哈代和马卡18]和尼克尔、匈牙利19)首次尝试建立有限元模型。然而,只有头骨是建模20.]。之后,许多高biofidelity详细有限元模型建立(17,21- - - - - -25]。有限元模型,分布的压力,压力,压力可以检查的过程中碰撞。

近年来,计算模型的头部已经进一步发展的规模和biofidelity。张、杨(23)开发了一个新版本的韦恩州立大学脑损伤模型模拟的直接和间接影响,头骨和骨头被建模为一个三层结构,分配不同的材料,这是类似于真正的骷髅骨头。欧烁的尸体测试等。7)和奈奎斯特et al。8使用这个模型)模拟。可以看出,高biofidelity的模型,可以用来预测损伤。

尽管模型的biofidelity已得到改进,仍然有一些应注意的问题,如面部影响下的鼻窦对反应的影响。在解剖学、窦骨腔和鼻窦的内部表是皮质骨(26]。大部分的鼻窦在脸的骨头并结合鼻蛀牙。面部的反应取决于影响主体结构的脸骨。然而,很少有关于鼻窦的信息在文学影响的结果影响面部或头部受伤。高质量,广泛验证有限元模型是由毛et al。17与35],部分验证实验情况下,包括面部的影响。在这个模型中,包括鼻窦,但他们开发的CAD数据集和鼻窦的几何图形简化。此外,毛泽东等人并没有进一步讨论窦在建模研究的影响。在一些文献[27,28),额窦的想法“减震器”和重复,甚至使用长大。因此,应变、压力、和其他损伤参数可能会影响。尽管如此,窦作为防护结构的概念仍然是完全未测试(26]。还建议,与鼻窦骨更可变形比骨头没有窦(28]。甚至Roux认为鼻窦的地区是没有必要的机械支持29日]。

当前研究的目的是量化的影响鼻窦动力响应的三维有限元模型。摘要头骨模型与鼻窦是建立基于计算机断层扫描(CT)。大脑和其他组件建立网格的头骨的脸。头骨biofidelity保证,而大脑和脑脊液(CSF)被简化,因为头骨反应影响是我们研究的重点。一个新的比较模型构造了基于模型与鼻窦腔的填充鼻窦和删除里面的皮质层的鼻窦。对欧烁的面部模型验证的影响实验,分别为(7),包括额头、颧骨、上颌骨的影响。这两个模型进行了比较和分析以探讨鼻窦对面部的影响的影响。

2。方法

2.1。模型描述

2.1.1。几何模型

在现在的研究中,人类头骨的几何信息从轴向图像获得50健康的中国男性的像素大小0.342毫米和切片厚度1.0毫米,从CT扫描数据收集。这些医学图像导入到模仿v10.01(出现,鲁汶,比利时)没有软组织重建的人类头骨。基本结构建立后,几何图形被导入到Geomagic工作室12 (Geomagic Morrisville, NC)修改和建筑表面。几何模型是头骨没有其他组件,如皮肤,大脑,或肌肉。

在颅骨重建模型,几何始建于细节。在处理外部轮廓,一些简化了有限元模型可以构造。有一些地方还不清楚只是基于CT数据,以便人类解剖学的阿特拉斯被称为。眼眶,有两个裂缝在每个插座,orbitalis劣质裂,裂orbitalis优越(图1(一))。这些结构包括两个模型结果准确。

为了研究鼻窦效果,biofidelity的准确性是保证,尤其是鼻窦。在此本文中,我们集中在三种窦:额窦、上颌窦、蝶窦(图1 (b))。是努力模型内部和外部头骨的形状,如沟窦petrosi superioris和阿拉巴马州(主要数据1 (c)和1 (d))。这些会影响影响期间力的转移。

2.1.2。有限元模型

受雇于一个半自动网格技术HyperMesh v11.0 (Altair HyperWorks,特洛伊,MI,美国)。的总模型由共有超过24900个节点和113600个元素,质量为4.27千克,包括头皮、颅骨、大脑和脑脊髓液(CSF)。头骨由三层,外层表格,板障,内部表。

头骨的架构类似于三明治结构包含松质和皮质层。骨松质层的一般厚比头骨的内部和外部表。因此,内外层壳元素被定义为1毫米的厚度而松质骨被建模为固体元素可以呈现在不同地区不同厚度的头骨。鼻窦的内部表定义为壳元素1毫米的厚度,。

其他组件的建模使用四元素直接基于内部和外部的要素的头骨,包括大脑、脑脊液和皮肤。在当前研究中大脑的结构非常简单,没有分为小脑,胼胝体,和其他组件,因为面部骨骼的反应是本研究的重点。

2.2。材料特性

在目前的研究中,松质骨的面部和骷髅的骨头被定义为一个组件和材料是一样的。松质骨的网是四面体和皮质骨网三方。

一种弹塑性材料模型用于皮质和松质骨的头。中可用元素删除LS-DYNA材料被引入该模型来预测骨骨折(7]。极限应变失效准则的使用。这个选项删除任何元素的应变超过预设的极限应变大小在每个时间步。杨氏模量为4500 MPa是松质骨,假设和价值用于松质骨在范围中发表文献[21]。15 GPa的杨氏模量是用于皮质骨。张、杨(23)曾提到,当使用超过10 GPa的杨氏模量,硬度非常高,一个可能的原因是,人类没有明确实现结构。这是其中一个原因,我们建立了模型保真度高。脸上的材料一样的皮质骨的材料。

总压头材料的物质属性选择(表列出1)。在这项研究中,有两个模型,该模型没有鼻窦(MWOS)开发了基于模型与鼻窦(多工作站系统)(图2)。他们都是一样的,除了鼻窦。

2.3。实验数据进行模型验证

欧烁et al。7)进行了一系列的面部影响实验15尸体和混合三世虚拟学习头骨和颧骨的反应和上颌骨骨。尸体的头,从39到84岁是固定的,面对向上。14.5公斤半圆形状的铝棒撞击器从460到915毫米的高度下降到额骨区域,从305到610毫米到颧骨和上颌骨的地区。额骨的影响,杆的纵轴将影响眉弓上方大约20毫米。颧骨和上颌骨的影响进行10毫米低于亚轨道岭和10毫米低于前鼻棘,分别。力-位移曲线和尸体面部刚度曲线被吸引。与尸体的结果相比,混合III中脸地区几次假脸硬,应该重新设计。在当前模拟,撞击器是相同的与欧烁的实验(7]。影响计算的速度下降高度。当影响前额和颧上颌骨地区,撞击器是给定的初始速度为3.5米/秒,2.7 m / s, 2.7 m / s,分别。

3所示。结果

3.1。面部数据验证模型的影响

图3显示了面部模型的仿真设置影响测试由欧烁et al。7]。每个尸体的速度测试没有报道,平均速度计算从下降高度为3.5 m / s, 2.7 m / s, 2.7 m / s,分别。验证该模型由于额头和颧上颌骨的影响,模型的力-位移响应进行了计算。

图4显示了额头的影响仿真的结果对尸体测试数据绘制欧烁et al。7]。描绘在图中,断裂前的峰值力和刚度下降的范围内测试结果,但骨折比欧烁的发际线断口观察测试(7]。接触力的模拟减少骨折后,与尸体是不同的测试。多工作站系统和MWOS位移达到0.5厘米,之前是一致的,这一点,骨折后发生。然而,当骨折发生(位移超过0.5厘米),两个模型之间的力-位移的历史是不同的。MWOS下降更快的接触力而多工作站系统稳定一段时间。

图5是一个比较颧骨的力-位移的历史影响。模型预测同意测试数据和每个模型的刚度是可以接受的。也没有明显的区分这两个模型。然而,刚度后增加0.7厘米。此外,峰值高于测试,这是最有可能的两人鼻骨的材料和结构。多工作站系统和MWOS高峰值3320 N和3300 N,分别。鼻窦的峰值力减少模型相比,该模型没有鼻窦是0.6%。因为骨折模式没有报道欧烁的研究(7),这个模拟的骨折没有调查。

图6显示了一个比较上颌骨骨的力与位移的影响。这两个模型几乎是相同的。头部模型的刚度匹配测试,但峰值接触力远远高于尸体的平均力测试。力达到3500 N时发生了断裂。皮肤是反映在一个相对平坦的部分约5毫米,后跟一个斜率变化表明增加刚度。

3.2。的比较最大主应力

除了力-位移的历史,在同一个方向的应力影响这两个模型之间的比较。为了显示鼻窦总头的影响,选择了两个元素的影响。元素鼻窦和附近的一个是位于大脑的前部,而元素B远非鼻窦,位于大脑的中心。元素的位置被显示在图7和峰值的比较是列在表中2。

最大主应力历史的两个元素在不同模型如图额头上的影响8。两个元素的曲线趋势是相似的。但是,负面压力的峰值元素在MWOS达到−1.14 MPa,而在多工作站系统峰值只是−0.70 MPa,大小减少38%。中间的大脑,负面压力的峰值是−0.6 MPa,无论多工作站系统或MWOS。很明显,鼻窦的区别,和大脑的影响是伟大的在前面。中间的大脑差异减少,多工作站系统的峰值低于MWOS仅减少10%。积极的压力只出现在大脑的中间,和多工作站系统经验的增量的17%,相比之下,MWOS。因此,多工作站系统和MWOS明显不同的结果,因为鼻窦的额头上的影响。

压力在前额的轮廓影响两个模型之间的比较(图9)。有一些与高应力区域的大脑MWOS时2 ms。2.2毫秒的时候,有一个当地MWOS高应力影响后面的位置,而没有在多工作站系统。与此同时,骨折发生在两个模型。应力分布是相似的快速断裂后,同意应力历史。

颧骨和上颌骨的影响,应力的峰值(数字10和11多工作站系统和MWOS之间)相似,无论在中间或大脑的前部。它可以看到整个过程的曲线几乎是相同的。这可能是因为鼻窦远从影响位置,与额的影响。只有在上颌骨负面压力的影响。在大脑的额叶,多工作站系统的压力增加了7%。大脑在中间,压力超过−3.00 MPa在两个模型中,但减少只有1%。在颧骨的影响,减少压力是非常相似的,低于7%。同时,不同的是由于比例放大的小基地。分布的轮廓几乎相同的压力,。因此,在颧骨、上颌骨影响鼻窦没有明显差异的颅内压力。 In addition, the conclusion could be drawn that the reduction in front of the brain was bigger than that in the middle. The details of the stress were listed in Table2。

3.3。比较有效的应变

除了压力,中间表面元素的有效应变两个模型相比,太(表3)。图10是额头上的应力历史的影响。元素在两个模型的应变达到0.75和0.56的高峰的时候2女士发生了断裂。的应变在MWOS高于34%的多工作站系统。在元素B中,两个模型之间的差异非常小,压力在MWOS有点高于多工作站系统11%(图12)。方面的压力,鼻窦在应变的影响类似于压力额的影响。

在颧骨和上颌骨的影响(数据13和14鼻窦的影响),在应力、应变与同意。尤其是在上颌骨的影响,与应力应变的趋势是相似的。MWOS的峰值应变达到0.8,在多工作站系统虽然达到了0.9,比上年增长11%。B的峰值应变是类似的减少2%。在颧骨的影响,两个模型之间的差异是非常小的比例的差异是4%和3%,分别。

4所示。讨论

两个模型均基于三个案例进行验证的影响欧烁et al。7]。一般来说,面部的模型能够预测响应的影响。力-位移的历史表明,模型的刚度脸上类似尸体测试。然而,在额头上的影响,模拟的骨折是比尸体的测试,它正确的原因是接触力在模拟骨折后不同的尸体测试。

在颧骨的影响,0.7厘米后刚度的变化可能是由于鼻骨的结构。Cormier和Manoogian9)还指出,响应的脚趾区域由于鼻几何的变化之间存在着显著的差异。鼻骨的长度影响方向会影响的深度撞击器会与初始接触后的鼻骨鼻子。峰力高于尸体测试。更高的峰值力可能是由于面部骨骼的厚度和材料。面部骨骼和头骨的材料是一样的。我们已经改变了面部材料变成另一个软,弹性模量是5000 MPa。然而,刚度的可接受范围和大变形发生在面部骨骼在额头,上颌骨、颧骨和影响,但上颌骨的峰值力影响减少到2250 N。它表明,上颌骨的材料是软的材料额骨头和元素失效准则的参数应该被改变。我们将解决这个问题在下个六面体网格模型。

目前的研究表明,影响鼻窦的额头影响更显著,而在颧骨和上颌骨的影响的影响是最小的。

在额头上的影响,前两个模型的刚度是相同的断裂;力-位移的历史是相同的。窦应被视为一个实体和传播力直在这个时期。但是,它的分布不同。一旦发生了断裂,或鼻窦破碎,情况不同了。起初,鼻窦结构竣工和力可以在同样的方式传播。虽然窦破裂或裂缝发生,结构改变和传播力的改变,。然而,腔不能发射或吸收能量,然后更多的变形出现了。这就是为什么接触强迫时间历史多工作站系统没有立即减少但压力小。结论可以从结构应力和应变随时间的变化在额头上的影响,。 The stress and train reached the peak at the same time which was about 2 ms. However, the stress and strain of element A in MWOS were higher by about 35% than that in MWS, while the difference in element B was very little. It was also obvious in the contours of stress that sinuses made the difference in local area, but the stress was similar in other areas in two models. The results showed that the sinuses make a significant difference in local area, no matter in stress or strain. The influence was sharply decreased in the location far from the sinus.

在颧骨和上颌骨影响,全球反应的两个模型都是相同的,原因是鼻窦过于远离位置的影响。换句话说,鼻窦不让全球效应,除了当地鼻窦。此外,这样的效果是有限的,在额头上的影响。撞击器打骨头时,能传输没有鼻窦的效果。这和额头上的影响,不同的结构被打破的断裂,因此,力和能量改变。在颧骨和上颌骨影响,鼻窦并没有改变全球的情况,而在额头上影响窦。鼻窦不影响面部骨骼的刚度或全球应力或应变分布,和弱者在鼻窦局域效果有限。

很明显,元素的差异大于B元素在所有影响,这意味着鼻窦距离增加后减少的影响。如果窦工作,周围地区的差异最为明显。基于两种模型的比较,可以得出结论,鼻窦之间的距离和位置的影响是关键鼻窦是否会做出重大影响面部的反应的影响。当鼻窦远离的位置影响,全球鼻窦的影响可以忽略,或者鼻窦会有些影响。

5。结论和局限性

总之,一个新的3 d有限元模型和鼻窦解剖学结构了。面部的验证模型试验的影响。结果相关的额影响,颧骨的影响,和上颌骨的影响。

更重要的是,鼻窦的影响研究通过比较两个模型。结果表明,鼻窦在颧骨没有全球效应影响和上颌骨的影响。在额头上的影响,全球的影响窦是有限的。在所有影响,窦将在当地产生影响。然而,额头上的差异是显著的影响,而更小的差异在颧骨和上颌骨的影响。

当影响窦附近的位置,如前额影响本文鼻窦将全球影响力和在当地的影响力。如果远离鼻窦的位置影响,全球影响非常小,可以忽略,和当地的效果取决于窦之间的距离和位置的影响。

然而,鼻窦筛骨的不远的位置的影响。它是一种多孔结构和多种纤维素酶的数量不同于人。共同点,有3 - 18在一个窦筛骨的多种纤维素酶。在目前的研究中,窦筛骨的不包括在内,这可能影响骨折的位置。更准确的有限元模型可以帮助更详细地研究这个问题。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是由中国国家自然科学基金(批准号51175218),国家重点实验室开放研究基金项目的先进的汽车设计和制造的身体(批准号31115004),在大学长江学者和创新研究团队项目(批准号IRT1017), 973项目(批准号2012 cb723802)。