[发明专利]适用于脑组织损伤机理研究的混合式行人计算模型及其构建方法及应用

说明书

本发明公开了一种适用于脑组织损伤机理研究的混合式行人计算模型及其构建方法及应用，将具有详细解剖学结构特征的50^th百分位国人头部有限元模型和Hybrid III假人50^th百分位刚体有限元模型进行拆分、组合、连接等处理，构建了具有详细头部组织结构的刚体‑有限元混合式行人有限元模型。通过对模型进行试验验证，该模型头部运动学响应与Hybrid III假人试验结果高度一致，应用该模型可以模拟车辆‑行人碰撞事故，对需要重点研究的头部损伤机理和行人保护进行深度研究。本发明提出的混合式行人计算模型可以对人体头部损伤进行机理研究又大大提高计算效率，对行人保护及汽车前端部结构设计和研发、法医学案例分析及评价等具有重要的应用价值。

技术领域

本发明属于人体数值计算模型技术领域，涉及一种适用于脑组织损伤机理研究的混合式行人计算模型及其构建方法及应用。

背景技术

在汽车交通事故中，行人作为道路使用者中的弱势群体，由于没有任何的安全保护装置，面临极高的受伤风险。头部是行人-车辆碰撞过程中最易受损伤的部位之一，且头部创伤是导致死亡的主要原因之一。为了降低行人的伤亡率，更好的保护行人，需要详细的研究碰撞过程中人体头部损伤原因及损伤机理。受伦理学和尸体实验的限制，数字化的人体模型是研究人体损伤的重要手段，在现有技术下，在汽车安全领域普遍应用的为刚体人体计算模型和有限元人体计算模型；有限元人体计算模型计算精度高但建模复杂，刚体模型计算精度低但计算速度快。目前使用的刚体模型各简化的刚体运动部件之间通过铰链等方式进行连接，通过定义每个刚体的质量、铰链的约束刚度等属性进行运算求解，在几何上过度简化，结构简单，求解速度快，但不能产生局部变形，忽略了运动系统的几何非线性和材料非线性特征，在生物仿真度上很难达到要求；因此，在刚体假人的碰撞仿真中，不能反映人体真实的变形和人体器官的损伤。高仿真度的有限元模型包括精细的人体组织、器官、解剖学结构特征，能够提供更接近真实的材料属性，得到更加真实的碰撞数据，可以在汽车碰撞仿真分析得到更真实的损伤评价，例如不同脑组织的损伤情况、身体器官的损伤、关节的损伤、韧带的撕裂、骨骼的断裂等；计算精度高，能够用于系统地分析人体的损伤情况，但整人有限元建模复杂，对模型精度要求高，搭建周期长，且计算速度慢。随着科研水平的提高和计算软件的不断更新，目前在很多计算软件中能够兼容和计算不同建模方式的模型。

发明内容

为了解决在汽车被动安全行人保护仿真领域高生物仿真度人体模型建模复杂、计算成本高，刚体模型计算精度低的问题。鉴于很多计算软件已能够兼容和计算不同建模方式的模型，本发明基于刚体模型和有限元模型的优势和不足，提出了一种适用于脑组织损伤机理研究的混合式行人计算模型以及构建方法及应用，通过建立混合模型，在需要进行损伤分析的部位采用高精度的有限元仿真模型，而在其他部位采用刚体计算模型，既提高了计算精度也减少了计算时间和建模成本。

本发明提出了一种适用于脑组织损伤机理研究的混合式行人计算模型的构建方法，在人体头部有限元建模当中几何建模时采用三维重构的技术建立与真人头部有相同尺寸的三维几何模型，几何结构基于真实的50^th百分位成年男性，具有详细的头部解剖学结构，特别是脑组织相关结构；在Hybrid III模型方面，本发明采用LSTC公司公开使用的Hybrid III 50^th百分位站姿假人模型，在假人整体身高、体重以及身体各部位尺寸和重量方面均符合50^th百分位Hybrid III型假人的要求；在混合模型搭建过程中，通过对人体头部有限元模型的网格调整，以达到与Hybrid III型50^th百分位假人相匹配的结构和质量；考虑到模型混合后会造成的影响，接入的人体头部有限元模型与原Hybrid III模型头部质心位置保持一致。通过对混合模型进行试验验证，该模型头部运动学响应与Hybrid III假人高度一致，且能对头部损伤进行深度分析。

所述适用于脑组织损伤机理研究的混合式行人计算模型的构建方法包括如下步骤：

步骤1)：几何重构；