【摘要】：頜面部位置暴露，無論戰(zhàn)時還是平時均易發(fā)生損傷，隨著爆炸性武器的應用日趨廣泛和恐怖活動的日益猖獗，頜面部特別是下頜骨爆炸傷發(fā)生率呈明顯上升趨勢。因此，頜面部頜面部爆炸傷的研究是頜面部乃至全身創(chuàng)傷研究中的重點問題。目前對于頜面部爆炸傷的研究主要集中在創(chuàng)傷的救治及修復重建上，對于爆炸傷模型的建立及生物力學分析等基礎(chǔ)研究相對較少。傳統(tǒng)的爆炸傷模型雖然可以較真實地模擬人體組織遭受爆炸沖擊時的損傷情況，但是隨著科技和社會的發(fā)展，特別是醫(yī)學倫理的限制，使得傳統(tǒng)爆炸傷模型逐漸表現(xiàn)出自身的缺陷。 有限元法(Finite Element Method FEM)是一個具有60年發(fā)展歷史且成熟的計算機模擬方法，在工程機械領(lǐng)域運用非常廣泛，現(xiàn)已成為計算機模擬技術(shù)中使用最為廣泛的方法。有限元在醫(yī)學領(lǐng)域的應用也有40年的歷史，在這40年中，有限元技術(shù)在醫(yī)學特別是口腔醫(yī)學中得到了廣泛的應用，已成為進行生物力學分析的常規(guī)方法之一。由于有限元法可以彌補傳統(tǒng)的爆炸傷實驗在致傷機制研究中的不足，因此，將有限元法運用于頜面部爆炸傷中將有助于深入研究頜面部爆炸傷損傷機制，并能為頜面部爆炸傷致傷部位傷情的快速判斷、迅速救治、戰(zhàn)時防護以及評估沖擊波致傷效應等等提供新的思路和方法。 本研究首先通過建立豬下頜骨爆炸傷三維有限元模型，動態(tài)模擬爆炸沖擊波致傷下頜骨損傷過程，仿真結(jié)果與動物實驗對比，驗證模型及仿真方法的有效性，然后利用中國可視化數(shù)字人(CVH)的頭頸部CT數(shù)據(jù)建立人下頜骨爆炸傷三維有限元模型，動態(tài)模擬不同爆炸條件下沖擊波致傷人下頜骨組織的致傷過程及生物力學分布情況，初步探討爆炸沖擊波與機體組織之間的相互力學作用及效應。 研究方法和結(jié)果： 1.改良豬下頜骨爆炸傷動物實驗模型，用600mg紙質(zhì)RDX電雷管于15cm和5cm距離致傷豬下頜骨標本的下頜角部位，測量各種致傷參數(shù)及致傷過程中豬下頜骨的生物 力學變化參數(shù)，為分析下頜骨爆炸傷生物力學機制和驗證有限元模型和仿真結(jié)果提供動物實驗數(shù)據(jù)。結(jié)果表明：實驗方法重復性好，有效獲取計算機動態(tài)模擬需要的爆炸致傷、生物力學變化數(shù)據(jù)。 2.將豬下頜骨計算機X射線斷層掃描(Computed tomography，CT)數(shù)據(jù)導入影像處理軟件MIMICS中，通過三維重建獲得豬下頜骨面網(wǎng)格模型，然后將該模型導入有限元前處理軟件ANSA中，采用六面體為主，結(jié)合四面體、五面體的方式建立豬下頜骨爆炸傷三維有限元模型。建立的豬下頜骨三維有限元模型的單元數(shù)為36254，節(jié)點數(shù)為38875，所有單元均為實體單元。結(jié)果表明：該模型單元質(zhì)量好，與真實標本的幾何外形相似程度高，滿足仿真模擬要求。 3.選擇適合的材料模型、生物力學參數(shù)及算法，加載與動物實驗相似的力學載荷和邊界條件，用所建立的豬下頜骨爆炸傷三維有限元模型在LS-DYNA軟件中進行仿真計算；通過比較有限元仿真結(jié)果與動物實驗中的實測數(shù)據(jù)，驗證所采用的有限元方法的合理性。結(jié)果表明，本研究所采用的有限元方法對下頜骨爆炸傷生物力學作用機制及其效應有較好的預測能力，能滿足下頜骨火器傷生物力學機制研究的要求。 4.將中國可視化數(shù)字人(Chinese Visible Human, CVH)頭面部CT數(shù)據(jù)導入影像處理軟件MIMICS中，通過三維重建獲得豬下頜骨面網(wǎng)格模型，然后將該模型導入有限元前處理軟件ANSA中，采用六面體為主結(jié)合四面體、五面體的方式建立豬下頜骨爆炸傷三維有限元模型。其中單元數(shù)為26644，節(jié)點數(shù)為27522，所有單元均為實體單元。結(jié)果表明，該模型單元質(zhì)量好，與真實標本的幾何外形相似程度高，滿足下步仿真模擬要求。 5.在前期豬下頜骨爆炸傷三維有限元模擬的基礎(chǔ)上，選擇適合的材料模型、材料參數(shù)、邊界條件及算法，對所建立的人下頜骨火器傷三維有限元模型加載不同的致傷條件(兩個致傷部位、三個爆炸當量及三個致傷距離)，在LS-DYNA軟件中進行仿真計算，動態(tài)模擬人下頜骨火器傷的致傷過程、應力、應變傳導及分布的情況。結(jié)果表明，該方法成功實現(xiàn)CVH下頜骨不同致傷條件下爆炸傷有限元仿真，模擬了下頜骨動態(tài)損傷過程和損傷后形態(tài)，并且能夠動態(tài)觀察、提取、分析不同部位應力、應變變化及分布情況，從而進行相關(guān)的致傷機制的分析和研究。 結(jié)論： 1.成功進行了豬下頜骨爆炸傷三維有限元仿真模擬，通過動物實驗驗證了所建模型及所采用的有限元分析方法的合理性和可靠性，明確了在研究爆炸傷生物力學機制方面，有限元方法可以彌補目前爆炸傷研究動物模型的不足。 2.成功建立了人下頜骨爆炸傷三維有限元模型并成功模擬了人下頜骨在不同致傷條件下的損傷過程，明確了有限元法在頜面部爆炸傷應用中的可行性和可靠性，可以為頜面部爆炸傷致傷機制研究提供參考。 3.成功進行了人下頜骨爆炸傷生物力學分析，Von Mises應力及有效應變可作為判斷和評價骨組織損傷嚴重程度的標準之一，也可以作為有限元仿真過程中預測骨組織損傷的指標。 4.在下頜骨爆炸沖擊波致傷過程中，除直接致傷部位外，雙側(cè)髁狀突及乙狀切跡是高應力、高應變集中區(qū)域，也是骨折好發(fā)部位。 5.本次建立的三維有限元模型和仿真方法需要不斷完善和改進。
【學位授予單位】：第三軍醫(yī)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2012
【分類號】：R782.2

【參考文獻】

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本文編號：2767550