脑组织材料本构模型构建及基于有限元的颅脑损伤机理研究

The head finite element(FE) models are an important tool to investigate the injury mechanism of brain.However, the mechanical properties of brain tissues used in the model is measured under quasi-static condition rather than under the injury conditions.Therefore,its reasonability and accuracy should be improved furtherly. The tension and compression experiments of humanoid brain tissue samples in vitro and in vivo are conducted under the load speed that the brain may be injuried.And the stress - strain curve of brain tissues are measured. New constitutive model of brain tissue are developed by using the secondary development interface of finite element software.The experiments of brain tissues in vitro and in vivo are reconstructed using the finite element method, which can not only verify the validity of the constitutive model but also determine the parameters of constitutive model.The brain FE models including brain tissues is developed based on CT images. The rules among load, stress and strain relations of brain tissues and traumatic brain injury classification and severity are constructed by using the FE models and traumatic brain injury statistics in different accidents. the traumatic brain injury criterions related to skull fracture, cerebral concussion and diffuse axonal injury(DAI) are constructed based on stress and strain response of brain tissues.The results will afford biomechanics basis for the design of oucuptant restraint system and dummy, and it is also useful to establish automotive safety regulations and clinical medicine application.

有限元模型成为开展头部损伤以及探讨损伤机理的重要工具，但模型采用的脑组织力学参数多是在准静态条件下而非损伤条件下测量得到的，其合理性以及准确性应进一步提高。本项目拟采用类人动物的脑组织样本，在发生脑损伤的载荷速度下进行样本体外拉压试验和体内脑组织挤压试验，测量脑组织的应力-应变曲线，借助有限元软件提供的二次开发接口，开发新型脑组织本构模型，利用有限元方法重构体外与体内样本试验，不仅验证所建本构模型的有效性还能确定本构模型中的参数。基于活体人头部的CT图像构建包括脑组织在内的成人和儿童系列颅脑有限元模型，利用所构建的本构模型，结合事故中颅脑创伤统计数据，建立冲击载荷-颅脑组织应力应变关系-颅脑损伤形式之间的内在联系，构建以脑组织应力应变等指标为标准的颅脑损伤（颅骨断裂、脑震荡、弥散性轴束损伤）准则。研究结果将为乘员约束系统和假人的设计、汽车安全法规制定及临床医学等领域的研究提供生物力学依据。

从医院获得不同年龄段国人头部的CT扫描影像，通过图像处理，利用三维重构和单元网格划分技术，建成具有详细解剖学结构的成人5百分位，50百分位和95百分位以及1岁、3岁和6岁儿童的系列头部有限元模型库，模型包括头皮、颅骨皮质骨（内板和外板）、颅骨松质骨（板障）、颅骨骨缝、窦沟、面骨、颌骨、脑脊液、大脑、小脑、脑干、脑室、海马体、胼胝体、间脑、大脑镰、小脑幕、硬脑膜、软脑膜等组织结构，通过重构尸体试验验证了系列模型的有效性。. 基于实验设计方法，对尸体实验进行仿真计算，探讨了脑组织线性粘弹性和粘滞超弹性本构模型的相关参数对脑组织生物力学响应的敏感性以及不同本构模型对颅脑损伤评估的准确性。结果表明，应用粘滞超弹性材料模拟脑组织能够在一定程度上提高颅脑损伤预测的准确性。胼胝体处的剪应变和中脑处的剪应变率对Mooney-Rivlin刚度、粘性因子中的剪切模量及其二者的交互作用都较为敏感。. 应用所构建的系列头部模型，通过对比小尺寸头部、大尺寸头部以及大尺寸头部缩放到小尺寸，小尺寸头部缩放到大尺寸等在相同载荷下的加速度、颅内压力和剪应力等说明了头部尺寸对其生物力学响应存在着较大的影响，探讨了尺寸缩放方法在用于考虑头部尺寸的生物力学研究中的合理性和局限性。. 重构不同旋转方向、不同载荷强度的尸体头部撞击试验，运用任意拉格朗日欧拉（ALE）方法求解，探讨ALE方法在颅脑损伤评估中的应用，结合尸体试验中的损伤现象和相应的损伤机理，探讨了脑组织的剪应变分布和探索旋转载荷作用时颅脑损伤的机理，建立了载荷—颅脑组织应力应变关系—颅脑损伤形式之间的内在联系，研究了以脑组织应力应变等指标为标准的颅脑损伤（脑组织挫伤和蛛网膜下出血）的阈值测定方法。借助儿童及成人头部模型进行转动仿真，基于脑损伤预测工具MPS，建立了不同严重程度的脑损伤风险曲线，以头部转动的角速度和角加速度作为损伤阈值，预测转动载荷条件下的脑损伤，为预测现实中颅脑损伤提供了一种新方法。