一种具有中国三岁儿童体征的汽车乘员损伤仿生模型及其构建和应用方法

本发明属于计算机数值模型技术和人体损伤生物力学研究，涉及一种具有中国三岁儿童体征的汽车乘员损伤仿生模型及其构建和应用方法。

背景技术：

1、随着汽车保有量的持续增长和人们安全意识的提升，道路交通事故中儿童乘员碰撞安全问题也越来越引起人们的重视。相较于成年人，儿童社会认知能力有限，作为交通事故中的弱势群体，在遇到突发事件时不能及时做出有效的反应和判断，因此，在交通事故中面临很大的受伤风险，而且儿童与成人在身体上存在很大的差异，但由于各国对于儿童志愿者以及尸体试验限制的原因，关于儿童的生物力学特征数据十分匮乏，现在常用的数据和模型大多是按照成人与儿童之间的比例缩放得到的。事实上，儿童跟成年人相比有着特殊生理结构特征，不仅体现在身体比例上的差异，还体现在骨骼结构、人体组织等方面，仅通过成人有限元模型缩放得到的儿童有限元模型存在一定的局限性。

2、目前在儿童乘员碰撞损伤研究中，国内外大多都基于各国已有的法规、标准以及新车评估规程进行损伤评价，其主要包括儿童乘员的运动学响应、损伤值，以及儿童约束系统的差异性影响等。在汽车碰撞试验中，由于儿童假人结构尺寸与人体相似，利用其在碰撞试验中的运动学响应可测试汽车安全装置的性能，因此被广泛应用于汽车碰撞试验中乘员保护的评估认证。但相对于真实人体而言，儿童假人无法准确模拟人体的绝大部分器官组织，因此其生物力学性能受到一定的局限性。

3、随着计算机技术及相关学科的飞速发展，越来越多的研究人员将目标转向了具有巨大发展空间的汽车碰撞仿真研究领域。随着研究的深入，人体有限元模型被视为一种在汽车碰撞安全性设计中颇为经济且能对人体伤害进行一定程度预测的方法，能极大地减少汽车原型车在设计阶段的碰撞试验次数，从而降低产品研发成本、缩短研发周期。

4、然而，就儿童人体有限元模型的研究而言，目前国际上开展的研究大多为儿童假人有限元模型，如hybridⅲ系列有限元模型、q系列儿童有限元模型等。对于假人有限元模型，由于其是利用刚体来对碰撞中的人体进行动力学和运动学模拟分析，缺少肌肉、皮肤、内脏、头骨、脑组织等大量人体组织器官，因而也就无法对人体的绝大部分组织器官进行精确的模拟和仿真，不可避免地导致了当前研究结果的局限性。近些年来，为了追求更准确的仿真结果和更科学的研究依据，具有真实解剖学结构的人体有限元模型已成为碰撞动力学和损伤生物力学研究的重要工具，国内外研究机构和高校相继开展了关于人体有限元模型的研发与应用，旨在不断提高汽车碰撞仿真技术，提高产品安全性能。

技术实现思路

1、为了解决现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种具有中国三岁儿童体征的汽车乘员损伤仿生模型及其构建和应用方法。

2、本发明提出一种代表中国三岁儿童体征的汽车乘员损伤仿生模型，其身高101.6cm，坐高58cm，体重15.8kg，符合三岁儿童的人体特征测量统计学数据。该模型具备详细的三岁儿童解剖学结构特征，包括骨骼、肌肉、内脏组织、韧带及软组织、皮肤等，并准确地再现体内器官及其连接结构的布局。应用带有力学属性的单元和/或节点表达不同组织结构，模型以六面体单元为主，还包括构成少数组织结构的四面体单元、2d壳单元；共58.8万个节点，73.2万个单元。采用不同的力学本构关系定义不同部位的材料属性，各组织器官之间连接以共节点为主，接触设置为辅。模型具有较高的生物仿真度。

3、本发明中所述仿生模型的具体构建方法，包括：

4、步骤a：根据三岁儿童解剖学结构，通过医用影像软件mimicsm从符合中国三岁儿童志愿者ct成像中提取组织器官的几何信息，构建最初的具有详细解剖学结构的几何模型，也称为点云模型，并保存成stl格式文件；所述从ct扫描影像中提取三维几何模型应用了阈值分割和/或手工涂描的方法。

5、所述阈值分割是指在医用影像软件mimicsm软件中，对各组织结构设定相应的的阈值区间进行分割，根据阈值的差异分别提取不同的组织结构，并进行区域划分，例如，密质骨的阈值区间为[662，1968]，松质骨为[148，661]，肌肉为[-5，135]，脂肪为[-205，-51]，皮肤为[-718，-177]等。

6、所述手工涂描是指在医用影像软件mimicsm软件中，对无法自动捕捉到的区域进行手动描层，由于人体肌肉相互紧密贴合，在提取过程中需要参考人体解剖学，准确了解肌肉形状、变化趋势及起止位置，在已提取出来的骨骼周围用不同颜色表示不同的肌肉组织，确保各个颜色块紧密贴合又泾渭分明，最终转换成三维几何模型。

7、步骤b：将步骤a所提取的几何模型导入逆向工程软件geomagic studio中进行表面光滑处理，随后进行曲面片划分、构造格栅、曲面拟合等操作提高曲面片几何模型的质量，使其外表面分割为较规则的四边形曲面片，并保证曲面间两两对应，这是后期能否顺利生成高质量有限元网格的关键，并完成坐姿几何模型调整以降低后续网格划分难度，最终处理完成的几何模型保存成iges格式文件。

8、所述步骤b进一步包括如下子步骤：

9、步骤b1：将所述几何模型导入geomagic studio软件中使用去除毛刺、填充孔洞、去除噪声、自动光滑处理等工具对几何模型(点云模型)进行表面优化处理；

10、所述点云模型中包含了步骤a中基于ct图像所提取的几何信息。

11、步骤b2：基于儿童生理解剖学结构，调整坐姿状态下所述几何模型的脊柱生理曲度，包括以下子步骤：

12、步骤b21：参照标准的坐姿脊柱图像，在catia软件图片处理模块描出各椎骨前端中点连线，在hypermesh软件中导入该曲线，通过translate工具将其移动到未作调整的胸部脊柱几何模型中，缩放、平移后调整为符合三岁儿童脊柱实际的生理曲线，并使曲线下端点与骶骨前端点相接；

13、步骤b22：通过hypermesh软件中平移、旋转等命令工具依次将各椎骨的前端点贴合到曲线上，得到三岁儿童坐姿脊柱几何模型。

14、步骤b23：对于脊柱相关联的胸部其他部位的组织结构进行相应调整，基于真实解剖学结构，通过平移translate、旋转rotate工具调整胸部骨骼、肌肉、器官组织等的空间位置。

15、步骤b3：基于相关法规确定所述几何模型的下肢角度，完成在坐姿状态下的下肢几何模型调整，包括以下子步骤：

16、步骤b31：确定三岁儿童几何模型坐姿角度。基于美国fmvss 208(乘员碰撞保护标准)、fmvss 213(儿童乘员约束系统标准)、fmvss 220&222(校车标准)、欧洲ece r44标准等，参照我国三岁儿童生长特征，确定符合中国三岁儿童体征的汽车乘员的下肢角度，其中髋部与竖直面夹角为20°，髋部与大腿夹角为100°，大腿与小腿夹角为130°，小腿与脚部夹角110°。

17、步骤b32：通过hypermesh软件中平移translate、旋转rotate工具对几何模型角度进行简单调整，调整时以骶骨中心点为旋转中心顺时针旋转下肢整体，使骶骨与竖直方向的夹角为20°。

18、步骤b33：以髋臼窝中心点为旋转基准点顺时针旋转大腿、小腿和脚部，使大腿与髋关节的夹角为100°。

19、步骤b34：以膝关节中心点为旋转基准点，将小腿和脚部绕膝关节中心点逆时针旋转，使小腿和大腿的夹角为130°。

20、步骤b35：以踝关节中心点为旋转基准点，脚部绕踝关节中心点逆时针旋转，使脚部与小腿的夹角为110°。

21、步骤b36：对下肢肌肉组织按照乘员肌肉变形状态进行优化调整。

22、步骤b4：对所述几何模型进行曲面片划分，将其外表面分割为较规则的四边形曲面片，并保证曲面间两两对应，然后通过拟合曲面、构造格栅，转换为iges格式的cad几何模型。

23、步骤c：将步骤b所构造的人体组织几何模型进行网格划分，其中将结构复杂的包括脑组织、内脏器官、形状不规则的骨骼与肌肉的曲面片导入truegrid软件中进行网格划分，将所述人体组织中简单结构包括形状规则的骨骼与肌肉、韧带、皮肤、脂肪的曲面片导入hypermesh软件中进行网格划分；

24、步骤d：以胸腹部所在坐标系为基准，确定头部、颈部及四肢模型的定位基准，通过hypermesh软件中定位position工具将步骤c所划分的网格整合到同一坐标系中，完成有限元模型的构建，并通过hypermesh软件中单元检查check elems工具进行网格质量检查，单元的质量指标包括雅可比、长宽比、最小单元尺寸、翘曲度，对于不符合要求的单元，需要在hypermesh软件中对单元进行逐个手动调整，使最终模型所有单元的雅克比都大于0.3，长宽比小于10，最小单元尺寸大于1，翘曲度小于20°。

25、步骤e：对步骤d所述有限元模型进行材料属性定义，基于国内外关于儿童生物组织材料实验研究，对所述模型中的不同组织结构赋予相应的材料属性，其中，例如骨骼材料本构模型为弹塑性、肌肉材料本构模型为粘弹性，使模型的网格和节点带有力学属性，用于输出在不同碰撞工况下三岁儿童乘员的运动学响应以及生物力学响应，得到具有详细解剖学结构的中国三岁儿童体征的汽车乘员损伤仿生模型。

26、基于以上方法，本发明提出一种具有中国三岁儿童体征的汽车乘员损伤仿生模型的构建系统，包括：几何重构模块、ct图像提取模块、脊柱生理曲线调整模块、坐姿调整模块、有限元模型构建模块；

27、所述几何重构模块和ct图像提取模块，用于提取ct图像，并通过几何重构构建三岁儿童几何模型；

28、所述脊柱生理曲线调整模块，用于调整所述三岁儿童几何模型的脊柱生理曲度；

29、所述坐姿调整模块，用于调整所述三岁儿童几何模型的坐姿，得到三岁儿童乘员的几何模型；

30、所述有限元模型构建模块，用于构建具有中国三岁儿童体征的汽车乘员损伤仿生模型。

31、本发明方法所构建的具有中国三岁儿童体征的汽车乘员损伤仿生模型的头部、颈部、胸腹部以及四肢具有详细的解剖学结构，符合中国体征三岁儿童坐姿解剖学结构要求。

32、其中，头部有限元模型包括头皮、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、颧骨、犁骨、上颌骨、下颌骨、牙齿、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、软脑膜等解剖学结构。在建模过程中，考虑到脑组织解剖学特征，该头部模型还首次将儿童脑组织的白质与灰质区分开来，并构建出脑室、海马体等组织结构，以便在以后的仿真试验中可以观察不同脑深部组织结构的应力应变响应。该头部模型除大脑镰、小脑幕、脑膜等组织采用壳单元以外，其他结构均采用六面体单元。

33、颈部有限元模型的解剖学结构包括椎骨、椎间盘、斜方肌、头夹肌、头半棘肌、头后直肌和头下斜肌以及韧带等组织结构，其中韧带的有限元模型则是根据儿童解剖学结构特征直接构建生成，其主要作用是连接各个椎骨，同时限制颈椎在正常的生理运动范围内运动。该颈部模型颈椎密质骨、终板、韧带等采用采用壳单元，颈椎松质骨、肌肉、脂肪采用六面体单元。

34、胸腹部有限元模型包括骨骼组织(胸骨、肋骨、锁骨、脊椎、腰椎、骨盆及肩胛骨等)、内脏器组织(心脏、肺脏、血管、气管肝脏、肾脏、脾、胃、小肠、大肠、胰、胆囊、子宫、膀胱等)、肌肉组织(肋间肌、胸大肌、胸小肌、前锯肌、斜方肌、大小菱形肌、冈上肌、冈下肌、大圆肌、小圆肌、胸半脊肌、髂肋肌、最长肌、膈肌、腹内肌、臀部肌肉等)、韧带组织、肌腱组织、皮肤及脂肪等解剖学结构。

35、上肢有限元模型包括肱骨、尺骨、桡骨、肘关节、韧带及肌肉等解剖学结构；下肢有限元模型包括股骨、胫骨、腓骨、膝关节、韧带、足部、肌肉、脂肪和皮肤等解剖学结构。

36、本发明还提出了一种应用上述具有中国三岁儿童体征的汽车乘员损伤仿生模型进行汽车碰撞安全试验仿真分析以及儿童乘员损伤机理研究的方法，包括：

37、步骤i：将适用于三岁儿童乘员的儿童约束系统有限元模型固定在汽车座椅模型上；

38、步骤ii：将所述具有中国三岁儿童体征的汽车乘员损伤仿生模型放置于儿童约束系统中，基于新车评价规程中儿童乘员乘坐要求，在hypermesh软件中通过translate、rotate工具对仿生模型和安全座椅的相对位置进行调整，确保其与安全座椅的坐垫和靠背贴合，仅在重力场作用下，两者之间不存在接触力；根据儿童约束系统和三岁儿童乘员损伤仿生模型位置构建五点式安全带，并通过hypermorph工具使所述五点式安全带的肩带、腰带与所述三岁儿童乘员损伤仿生模型胸腹部进行贴合，使所述五点式安全带尽可能的贴身约束所述三岁儿童乘员损伤仿生模型，并确保所述五点式安全带和所述三岁儿童乘员损伤仿生模型之间没有发生穿透；

39、步骤iii：对所述三岁儿童乘员损伤仿生模型施加相应的约束和边界条件，其中所述三岁儿童乘员损伤仿生模型与儿童约束系统、前后排座椅以及地面之间的接触类型为面面接触，并设置接触主面、接触从面、动摩擦系数、静摩擦系数、粘性阻尼系数、接触厚度、接触刚度等参数来模拟碰撞过程中力的传递，其中接触主面为所述三岁儿童乘员损伤仿生模型所在的接触面；接触从面为儿童约束系统、前后排座椅以及地面所在的目标面；动摩擦系数、静摩擦系数、粘性阻尼系数可以实现碰撞过程中的滑动摩擦；接触厚度影响接触面和目标面的位置；接触刚度决定接触面和目标面穿透量的大小。根据新车评价规程要求施加初始速度和减速度曲线，模拟乘员保护动态试验；

40、步骤iv：输出所述三岁儿童乘员损伤仿生模型头部、颈部、胸腹部、四肢等的组织结构的运动学响应和生物力学响应，再根据所述输出的运动学响应和生物力学响应基于损伤评价阈值对所述试验车型保护性能进行综合评价，并深入研究三岁儿童乘员损伤机理。所述运动学响应参数包括：头部损伤指标hic15、头部累积3ms合成加速度、头部旋转损伤指标bric、颈部张力、颈部剪切力、颈部力矩、胸部合成加速度、胸部变形量、胸部压缩比；所述生物力学响应参数包括脑组织von mises应力、颅内压、剪切应力、最大主应变mps、颈部椎骨应力、胸腹部内脏第一主应变、骨骼应力与应变。

41、本发明的有益效果包括：本发明提出的具有中国三岁儿童体征的汽车乘员损伤仿生模型，基于中国真实三岁儿童志愿者ct扫描数据完全遵照真实解剖学结构进行构建，符合中国三岁儿童的生理特征，生物仿真度较高，应用其进行汽车碰撞安全试验仿真所得到的损伤评价结果具有说服力。

42、本发明提出的具有中国三岁儿童体征的汽车乘员损伤仿生模型所有单元均具有力学属性，能够模拟实际碰撞过程中作用力的传递；所有节点均具有力学属性，可在受到作用力时发生运动。

43、本发明提出的应用具有中国三岁儿童体征的汽车乘员损伤仿生模型进行汽车碰撞安全试验仿真分析以及儿童乘员损伤机理研究的方法，通过带有力学属性的单元和节点来计算三岁儿童乘员在汽车碰撞仿真试验中头部、颈部、胸腹部、四肢等部位的运动学响应以及生物力学响应参数，预估人体不同部位及内部组织器官的损伤情况，以此来评价试验车型儿童保护装置对三岁儿童乘员的保护性能，并深入研究三岁儿童乘员在汽车碰撞事故中的损伤机理，改进与优化试验车型儿童保护安全性能，使其达到最优保护效果。

44、本发明创新性方法主要有三个方面：(1)构建了具有中国三岁儿童体征的汽车乘员损伤仿生模型。(2)本发明提出了将人体几何模型由躺姿调整为标准坐姿的方法，特别是在进行有限元网格划分前基于三岁儿童真实解剖学结构和标准坐姿角度调整几何模型，降低后续网格划分难度，提高建模效率和模型仿真精度。(3)本发明提出了具有中国三岁儿童体征的汽车乘员损伤仿生模型在汽车碰撞安全试验分析应用以及三岁儿童乘员损伤机理研究方法，为进一步研究三岁儿童乘员损伤机理及未来数字化测评技术研发提供技术支持。