参数化儿童人体模型建模方法研究

Child body size has a significant effect on child injury. However, current child dummy or child model is based on child's average body size of a specific age, namely, 3-year, 6-year and 10-year child dummy or child model, from which child dummy/model fails to evaluate the child restraint system' protection on child occupant of various age and body size. This project aims to:1) collect 3-10 year-old child's external body contour data and anatomic structure geometry data through 3D body scan and clinical CT, MRI image; 2) develop the statistical model of child's external body contour and anatomic structure geometry data though principal component analysis and multiple regression analysis; 3) explore an accurate method for positioning body external contour and anatomic structure geometry; 4) apply mesh morphing technique on baseline child model to get a high-quality child human mesh model; 5) fit equation of material parameter and verify the model by means of literature review and the calibration between model and test. Finally, a high-accuracy parametric child finite element model with continuously changeable body size is developed. This research can give guidance to developing parametric human finite element model of different age group and can serve as an effective tool for child occupant injury mechanism research and optimizing child restraint system safety.

研究表明，儿童身体尺寸对儿童乘员损伤有着显著的影响。然而，目前儿童假人或儿童模型通常是针对某一年龄平均身材的儿童开发，如3、6、10岁儿童假人/模型，导致儿童假人/模型不能全面评价儿童乘员约束系统对各年龄、各体型儿童的保护效果。本项目拟通过三维人体扫描和临床CT、MRI图像获取3至10岁儿童人体外部轮廓和解剖结构几何数据，运用主成分分析和多元回归分析方法建立儿童外部轮廓和解剖结构几何统计学模型；研究人体外部轮廓和解剖结构几何的精确定位方法；应用网格变形技术对基准儿童模型进行网格变形，得到高质量的儿童人体网格模型；通过文献研究以及模型与试验的对标研究拟合参数化儿童模型的材料参数方程，并验证模型的有效性，最终获得高精度的身体尺寸可连续变化的参数化儿童人体有限元模型。课题的研究成果可用于指导各年龄段参数化人体有限元模型的建立，并为研究儿童乘员损伤机理及优化儿童乘员约束系统安全性能提供有效工具。

单一年龄和体型的儿童假人或儿童模型不能全面评价儿童乘员约束系统对各年龄、体型儿童的保护效果。本项目的研究目标是建立可准确表达各年龄、体型儿童的外部轮廓几何、解剖结构几何和生理组织材料特性的参数化儿童人体有限元模型。项目组开发了低成本、高精度的人体坐姿三维几何扫描系统，招募了89名儿童志愿者，进行测量获得儿童人体坐姿三维几何数据，通过对坐姿几何点云数据孔洞填补、点云平滑、表面重建等处理获得高质量的坐姿三维几何数据，采用统计学分析获得参数化儿童人体外部轮廓几何模型；通过与湘雅三医院合作，采集了3-12岁儿童人体重要身体部位的CT样本数据（头部62例，颈部62例，胸部65例，腹部60例），开发了半自动点云提取算法，快速提取大量样本的标志点信息，并采用统计学分析方法建立了儿童人体参数化解剖结构几何模型；应用网格变形技术对基准儿童模型进行网格变形，得到高质量的儿童人体网格模型；开发了人体外部轮廓和内部解剖结构拼接算法，实现内部骨骼网格模型和外部体表网格模型的匹配，获得具有较高几何精度的儿童人体参数化网格模型。通过文献研究，材料反求技术获得参数化儿童人体材料参数模型，最终获得可代表各年龄、各体型的参数化儿童人体有限元模型，并应用参数化儿童颈部有限元模型研究了年龄、体型对儿童乘员损伤的影响。研究成果可用于指导各年龄段参数化人体有限元模型的建立，是研究儿童乘员损伤机理及优化儿童乘员约束系统性能的有效工具。