豬頜面軟硬復(fù)合組織破片傷有限元模型的建立與與有效性分析

王敬夫　賈駿麒　田磊　李進(jìn)　錢(qián)秉文　何黎升

破片傷是指爆炸性武器在爆炸時(shí)產(chǎn)生的投射物擊中機(jī)體后產(chǎn)生擠壓、撕裂、震蕩以及瞬時(shí)空腔效應(yīng)等對(duì)機(jī)體結(jié)構(gòu)和功能造成的損傷。隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)模式的改變，由爆炸性武器產(chǎn)生的高速破片已經(jīng)成為造成參戰(zhàn)人員和戰(zhàn)區(qū)平民傷亡的最主要因素[1-2]。以往研究高速破片創(chuàng)傷彈道學(xué)特點(diǎn)的方法主要依賴于采用生物組織模擬靶材料和在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物體內(nèi)布置測(cè)量?jī)x器等，其局限性在于實(shí)驗(yàn)成本較高、測(cè)量位點(diǎn)及方向有限、數(shù)據(jù)采集困難以及動(dòng)物倫理學(xué)爭(zhēng)議，大大限制了高速破片致傷機(jī)制的深入研究。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)一種新型的動(dòng)力加載平臺(tái)，采用形態(tài)優(yōu)化的標(biāo)準(zhǔn)化破片對(duì)實(shí)驗(yàn)豬下頜部致傷，同時(shí)利用有限元數(shù)字模擬技術(shù)對(duì)豬下頜復(fù)合組織高速破片傷進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，模擬不同致傷條件下其動(dòng)態(tài)損傷過(guò)程，并將數(shù)值模擬結(jié)果與動(dòng)物實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，以建立科學(xué)性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性俱佳的標(biāo)準(zhǔn)化的頜面部高速破片傷有限元模型。

1　材料與方法

1.1　動(dòng)物實(shí)驗(yàn)材料

新鮮離體豬頭3 只(宰殺后用保鮮膜包裹以防脫水，并在8 h內(nèi)完成實(shí)驗(yàn))； 30CrMnSi合金圓柱體破片(質(zhì)量1.0 g， 直徑尺寸5.5 mm×5.5 mm)； 二級(jí)輕氣炮；激光測(cè)速儀；高速攝影機(jī)；加速度測(cè)量器；應(yīng)變片；示波器等。

1.2　模擬分析硬件

計(jì)算機(jī)：處理器Intel Core i5-3210M，內(nèi)存4 GB， 顯卡GeForce 650 M，硬盤(pán)容量1 T。 CT：飛利浦Brilliance 64通道螺旋CT(荷蘭皇家飛利浦公司， 荷蘭)。

1.3　數(shù)據(jù)處理軟件

Mimic 15.0(Materialise公司, 比利時(shí)); Origin 8.0(OriginLab公司, 美國(guó))；有限元前處理軟件：Hypermesh(Altair公司, 美國(guó))； 有限元分析軟件： ANSYS 15.0(ANSYS公司, 美國(guó))；有限元分析軟件：LS-DYNA、 有限元后處理軟件：LS-PREPOST(LSTC公司, 美國(guó))。

1.4　方法

1.4.1三維有限元模型的建立對(duì)新鮮離體豬頭拍攝CT，將CT的DICOM格式數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics15.0，對(duì)CT圖像進(jìn)行分割，分離出骨組織的圖像和軟組織圖像，對(duì)所得的部分基于CT圖像上的蒙板進(jìn)行三維重建，得到由面三角片組成的三維模型。將所得三維模型導(dǎo)入Hyper Mesh軟件中，形成實(shí)體模型，利用軟件自動(dòng)生成六面體功能對(duì)模型進(jìn)行劃分網(wǎng)格，該模型中下頜組織被劃分成為125 604 個(gè)單元，破片被劃分成為108 個(gè)單元。在Hypermesh軟件中，距離右下頜角2 cm平行于水平X軸建立直徑為5.5 mm， 高度為5.5 mm的圓柱形破片模型，并對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格化分，與下頜復(fù)合組織模型組合，得到下頜復(fù)合組織破片傷三維有限元模型(圖 1， 表 1)。

1.4.2邊界條件及材料力學(xué)屬性的定義實(shí)驗(yàn)中豬頭未做固定，因此，對(duì)髁突及下頜下緣不做約束更接近于真實(shí)撞擊的狀態(tài)。為了簡(jiǎn)化模型、減少運(yùn)算量，將下頜骨設(shè)置為連續(xù)均勻、各項(xiàng)同性的線塑性材料， 即LS-DYNA中1.4.3載荷設(shè)置破片撞擊點(diǎn)設(shè)置為距離右側(cè)下頜角2 cm，破片長(zhǎng)軸與水平方向平行、圓形面正對(duì)下頜組織，設(shè)置破片速度為831、 1 120、 1 536 m/s，不施加旋轉(zhuǎn)。在LS-DYNA中將破片與下頜接觸方式設(shè)置為面面侵蝕接觸算法(ERODING_SURFACE_TO_SURFACE)。設(shè)定仿真時(shí)間為1 s。

表 1　有限元模型各部分單元數(shù)

表 2　下頜骨材料力學(xué)參數(shù)

表 3　軟組織材料力學(xué)參數(shù)

表 4　狀態(tài)方程參數(shù)

表 5　破片材料力學(xué)參數(shù)

24號(hào)材料：MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY[3]。肌肉組織是一種黏滯彈性材料，其特點(diǎn)可用LS-DYNA中10號(hào)材料：MAT_ELASTIC_PLASTIC_HYDRO來(lái)進(jìn)行描述[4-5]。 破片選擇為20號(hào)材料：MAT_RIGID。以上各種材料力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表 2～5。

1.4.4破片傷過(guò)程的仿真用有限元運(yùn)算軟件ANSYS 15.0中的Mechanical APDL Product Launcher 15.0插件打開(kāi)下頜組織三維有限元模型的k文件并進(jìn)行運(yùn)算，得到具有仿真運(yùn)算結(jié)果的d3plot文件，再用有限元后處理軟件LS-PREPOST打開(kāi)d3plot文件，即可得到具有可視化的仿真過(guò)程與力學(xué)結(jié)果。

1.4.5豬頭的預(yù)備與傳感器的布置解剖分離豬頭下頜角頰側(cè)軟組織直達(dá)骨面，上界至顴弓和關(guān)節(jié)囊，前界至磨牙后區(qū)，暴露骨面后用無(wú)水酒精紗布覆蓋骨面進(jìn)行脫水。40 min后用吹風(fēng)機(jī)吹干骨面并打磨平整并用凡士林隔水。用電鉆在豬頭右側(cè)下頜角部打孔，螺絲將一枚加速度傳感器固定。保持應(yīng)變片的零線和火線至少4 mm的間距并用透明膠帶固定，將其測(cè)量面緊貼骨面布置在右側(cè)髁突頸部，并保證其測(cè)量長(zhǎng)軸與髁突頸部長(zhǎng)軸一致。用502膠粘接并緊壓，后用透明膠帶覆蓋以達(dá)保護(hù)及隔水的作用。將傳感器通過(guò)電荷放大器與示波器相連。

1.4.6加載與數(shù)據(jù)采集將豬頭放置到二級(jí)輕氣炮的靶室內(nèi)，以右側(cè)為迎彈面，調(diào)整位置使氣炮的激光準(zhǔn)星對(duì)準(zhǔn)豬頭下頜角部并保持其矢狀面與彈道垂直。驗(yàn)證連接無(wú)誤后關(guān)閉靶室，將輕氣炮各部件按要求裝入相應(yīng)裝置，完畢后用真空機(jī)對(duì)炮管和靶室抽真空，對(duì)輕氣炮的一級(jí)和二級(jí)氣室充入高壓氮?dú)猓{(diào)試激光測(cè)速儀和高速攝影機(jī)無(wú)誤后電引信觸發(fā)。觀察豬頭大體形態(tài)，將致傷后的豬頭均再次進(jìn)行CT掃描，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics15.0進(jìn)行三維重建和分析。

2　結(jié)　果

2.1　三維有限元模型的建立

下頜復(fù)合組織破片傷三維有限元模型建立 首先通過(guò)利用CT掃描數(shù)據(jù)并利用Mimics軟件對(duì)斷層圖像進(jìn)行三維重建的方式建立了包含下頜骨、皮膚、皮下軟組織、咬肌及翼內(nèi)肌在內(nèi)的下頜復(fù)合組織三維模型，隨后對(duì)不同組織賦予不同材料力學(xué)屬性，對(duì)破片以及下頜復(fù)合組織模型施加相應(yīng)的載荷，從而建立了下頜復(fù)合組織的三維有限元模型。

2.2　與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)結(jié)果

首先，分別在三維有限元模型和實(shí)驗(yàn)豬頭上對(duì)軟組織傷情進(jìn)行大體觀察，二者傷情特點(diǎn)比較如圖 1所示。隨后對(duì)數(shù)字化模型的下頜骨損態(tài)面積、下頜角部加速度峰值進(jìn)行計(jì)算，對(duì)輕氣炮致傷離體豬頭各位點(diǎn)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，計(jì)算數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)誤差為δ，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果比較(圖 2～3)(表 6～ 7)。

圖 1豬下頜骨及肌肉破片傷三維有限元模型

Fig 13D finite element model of the fragment injure of swine mandible and muscle

圖 2不同速度組軟組織傷道入口示意圖

Fig 2Schematic diagram of the soft tissue wound produced by different speed of the segment

3　討　論

3.1　高速破片傷生物力學(xué)特點(diǎn)

相比較槍彈而言，由高能爆炸性武器產(chǎn)生的高速破片通常速度更高、單個(gè)破片質(zhì)量更小、動(dòng)能更大， 且破片的幾何外形通常為球形、立方體、圓柱體、三棱錐等，故其創(chuàng)傷彈道學(xué)特點(diǎn)無(wú)疑與槍彈有著較大區(qū)別[6]。以往對(duì)生物組織的高速投射物三維有限元的研究多集中在槍彈方面，對(duì)破片的研究目前尚未見(jiàn)報(bào)道，故破片對(duì)生物體生物力學(xué)毀傷的機(jī)制仍局限在傳統(tǒng)戰(zhàn)創(chuàng)傷實(shí)驗(yàn)方面。在本研究的三維有限元模型上發(fā)現(xiàn)：損態(tài)觀察發(fā)現(xiàn)模擬中入口、出口均較實(shí)驗(yàn)中入口、出口小，其中可能的原因?yàn)閿?shù)字化模型利用有限個(gè)體積極小的單元所組成， 而皮質(zhì)骨則由哈弗是系統(tǒng)為其基本組成，其長(zhǎng)度為3～5 mm，直徑約為0.2 mm的縱行圓筒狀骨板結(jié)構(gòu)，沿下頜骨長(zhǎng)軸排列。在受到撞擊時(shí)數(shù)字化模型通過(guò)釋放組成單元來(lái)模擬骨質(zhì)受損，而實(shí)際骨質(zhì)破壞中骨單位與周?chē)|(zhì)間的界面對(duì)于裂紋擴(kuò)展的抵抗較弱[7]，骨折裂紋會(huì)沿著骨單位之間的界面斷裂產(chǎn)生骨折。因此，數(shù)值模擬中入口、出口相較實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)中小。加速度是評(píng)估損傷的重要參數(shù)之一，它的方向是物體速度變化的方向，與合外力的方向相同，高速投射物撞擊時(shí)，在加速度大體呈現(xiàn)逐步上升后逐步下降的規(guī)律，下頜組織在撞擊的極短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生了巨大的加速度，說(shuō)明生物組織受到了劇烈的沖擊，加速度達(dá)到峰值后開(kāi)始衰減，并在正負(fù)方向不斷波動(dòng)，說(shuō)明骨組織在撞擊后產(chǎn)生了沿入射方向的震動(dòng)，這種震動(dòng)會(huì)對(duì)下頜骨一些薄弱區(qū)域產(chǎn)生較大的影響，甚至在應(yīng)力集中區(qū)導(dǎo)致骨折的發(fā)生。

圖 3　數(shù)值模擬與動(dòng)物實(shí)驗(yàn)下頜骨損態(tài)面積對(duì)比

表 7數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)的加速度峰值結(jié)果

Tab 7Numerical simulation and experimental results of the acceleration peak

速度分組加速度峰值(m/s2)數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)誤差δ(%)831m/s53603．6145945．9516．71120m/s68037．3959009．0115．31536m/s72775．1463513．5114．6

3.2　本有限元模型的優(yōu)勢(shì)和有效性

目前，通過(guò)有限元法對(duì)高速投射物沖擊進(jìn)行模擬，進(jìn)而分析其力學(xué)效應(yīng)是沖擊動(dòng)力學(xué)的一種較為先進(jìn)的研究方法，在過(guò)去幾十年國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開(kāi)展了大量的研究，有限元法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于軍事工業(yè)、航空航天、車(chē)輛工程等領(lǐng)域。然而，此類(lèi)研究大多局限于工科領(lǐng)域，而醫(yī)學(xué)領(lǐng)域此類(lèi)研究相對(duì)較少，雖有學(xué)者對(duì)頜面部高速投射物傷進(jìn)行有限元模擬，但是，這些研究多集中在單純的骨組織上，將軟硬組織復(fù)合建模仍未見(jiàn)公開(kāi)文獻(xiàn)報(bào)道；且高速投射致傷物均主要以鋼珠來(lái)模擬槍彈，高速破片傷的研究報(bào)道很少。然而，隨著戰(zhàn)爭(zhēng)特點(diǎn)的演化和武器裝備的提升，傳統(tǒng)戰(zhàn)爭(zhēng)中武器直接擊中人體造成的槍彈傷的比例逐漸下降，而由高能爆炸武器造成的破片傷已成為參戰(zhàn)人員傷亡的主要原因。槍彈傷與破片傷在致傷機(jī)理中仍有很大不同，槍彈多呈錐形，投射過(guò)程中伴有旋轉(zhuǎn)，在侵徹過(guò)程中由于幾何穩(wěn)定性差,將發(fā)生翻轉(zhuǎn)效應(yīng),從而產(chǎn)生殺傷，而破片則速度更高，且投射過(guò)程中幾乎不發(fā)生旋轉(zhuǎn)，因此，造成的傷情亦不盡相同[8]。對(duì)于常見(jiàn)破片，分為平板型、普通型和長(zhǎng)桿型三種，長(zhǎng)徑比小于1的為平板型，長(zhǎng)徑比約等于1的為普通型，長(zhǎng)徑比大于1的為長(zhǎng)桿型，本課題組研究發(fā)現(xiàn)，不同長(zhǎng)徑比破片所形成的彈道差異明顯[9-10]。因此，本實(shí)驗(yàn)采用圓柱狀破片作為實(shí)驗(yàn)材料，通過(guò)改變長(zhǎng)徑比來(lái)模擬三種類(lèi)型的破片，使得本實(shí)驗(yàn)具有較強(qiáng)的代表性，又避免了采用不規(guī)則形態(tài)破片所引起的重復(fù)性差的問(wèn)題，使本實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛘鎸?shí)模擬戰(zhàn)爭(zhēng)中所出現(xiàn)的傷情特點(diǎn)。在高速投射物撞擊傷的研究中，雖然速度是組織損傷重要致傷因素之一，但是組織受損程度還取決于其吸收能量多少、被擊中部位組織的解剖結(jié)構(gòu)與組織致密度、粘滯性、含水量等諸多因素。因此，研究復(fù)合組織在破片傷中的致傷機(jī)理會(huì)更加準(zhǔn)確與真實(shí)。

本實(shí)驗(yàn)在計(jì)算機(jī)上對(duì)不同速度下柱形破片正交侵徹離體豬下頜角進(jìn)行建模，而且模擬與實(shí)驗(yàn)采用的著彈點(diǎn)、入射方向、及速度基本相同。通過(guò)與輕氣炮致傷豬下頜角實(shí)驗(yàn)對(duì)比軟組織、下頜骨損態(tài)、加速度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)等方法進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)損態(tài)誤差低于27%，與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相比加速度誤差低于17%，根據(jù)之前文獻(xiàn)報(bào)道誤差10%～17%可靠性較好，本模型的模擬損態(tài)均較實(shí)際損態(tài)偏小，加速度可靠性較好。故本模型數(shù)值仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合，認(rèn)為模型具有一定的有效性及可靠性。

3.3　本有限元模型的應(yīng)用前景

本研究在建模時(shí)將軟組織材料與骨組織相復(fù)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高速破片生物體動(dòng)態(tài)過(guò)程的仿真，并且數(shù)據(jù)誤差控制良好?？梢哉J(rèn)為，本模型相比較以往模型而言，準(zhǔn)確性更好且更具有真實(shí)性。本有限元模型具有較好的可靠性，其以較高的科學(xué)性和經(jīng)濟(jì)性可以作為頜面部高速破片傷的標(biāo)準(zhǔn)化有限元模型。除可通過(guò)改變破片形狀、速度等參數(shù)對(duì)各種類(lèi)型破片沖擊豬下頜骨進(jìn)行有限元模擬外，還可對(duì)不同防護(hù)條件下的不同生物體進(jìn)行破片傷模擬，特別是作為倫理學(xué)無(wú)法進(jìn)行的人體實(shí)驗(yàn)代替品。本模型的成功建立無(wú)疑對(duì)高速投射物損傷的力學(xué)機(jī)制研究、防護(hù)研究和臨床救治研究提供了一種新思路，其操作簡(jiǎn)單、成本低廉、可靠性較好、且能夠全面了解生物體力學(xué)特性等優(yōu)點(diǎn)使其具有較好的應(yīng)用前景。

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