六岁儿童乘员的有限元模型的构建方法及系统、儿童约束系统评价方法及系统技术方案

本发明专利技术提出了一种六岁儿童乘员的有限元模型的构建方法，及其坐姿调整方法。本发明专利技术还提出了一种基于六岁儿童乘员的有限元模型来评价儿童约束系统有效性的方法，通过带有力学属性的单元和节点来计算人体在特定状态下头颈部、胸腹部、四肢等部位的运动学参数以及其应力应变分布情况，准确判断出人体不同部位及内部组织器官的变形以及损伤情况，以此来判断儿童约束系统对儿童乘员的保护效果，以便对不同类型的约束系统进行更加细致的评价。并期望更深入的研究六岁儿童乘员在汽车碰撞事故中的损伤机理，以此来对约束系统进行改进及优化，使其达到最优的保护效果。

The construction method and system of the finite element model of the six-year-old child occupant, the evaluation method and system of the child restraint system

【技术实现步骤摘要】
六岁儿童乘员的有限元模型的构建方法及系统、儿童约束系统评价方法及系统
本专利技术涉及计算机数值模型
和人体损伤生物力学研究方法，具体涉及一种六岁儿童乘员的有限元模型的构建方法和系统，以及应用该模型进行儿童约束系统评价的方法。
技术介绍
损伤机制是对导致人体机能损伤的机械和生理变化的描述，对损伤机制的研究是了解和学习损伤生物力学学科的基础。为充分了解人体损伤过程，找到减少或者消除冲击环境中可能对人体组织结构和功能造成损伤的方法，国内外学者对此进行了大量研究，常见的生物力学研究方法主要有尸体实验、假人模型和有限元模型等。由于社会伦理道德和法律法规的约束，对于尸体实验样本的获得十分困难，而且多数为一些成年人尸体，儿童标本则少之又少，单个的尸体实验数据并不具备普遍性，且尸体各器官组织的力学特性取决于保存技术和死亡后存放时间，使得尸体实验存在一些局限性。假人模型是进行实车碰撞实验中不可缺少的部分，虽然其形状、尺寸和质量分布与人体高度一致，但只能在安装传感器的特定部位输出一些动力学参数，对于研究人体在交通事故中的损伤机理十分有限。随着计算机技术和有限元理论的不断发展，计算机仿真模型在汽车碰撞安全领域得到了广泛的应用，通过计算机模型来模拟碰撞过程，可以更好的理解人体响应和发生损伤的过程。现阶段构建的一些儿童有限元模型，大多是通过对成人有限元模型进行缩放获得，但由于儿童和成人在解剖学结构上的差异，通过缩放获得的模型在几何仿真度上存在着较大的局限性，并不能准确的模拟出儿童在事故中的损伤机理。六岁儿童处于生长发育的分水岭，其头骨骨缝逐渐骨化消失，胸骨和髋骨的软骨部分也逐渐骨化形成整骨，是一个比较特殊的年龄阶段。而且从儿童在交通事故中的损伤比例可以看出，这个年龄段的儿童也最容易受到损伤。因此，选择六岁儿童作为研究对象，并基于一个真实的六岁儿童志愿者CT数据进行坐姿有限元模型的构建，以此对儿童的损伤机理进行研究。相较于成年人，儿童的骨骼还未完全发育成熟，社会认知能力有限，而且遇到突发事件时不能够及时做出有效的反应和判断，因此，在交通事故中处于弱势群体，面临着很大的受伤风险。儿童约束系统作为一种保护装置，能够限制儿童在汽车碰撞过程中身体的偏移，有效地减轻佩戴者在交通事故受到的伤害，因此，对儿童约束系统保护效果的研究十分有必要。现阶段，对儿童约束系统的评价主要是通过动态试验实施，即按照儿童约束系统的产品分组分别搭乘相应的假人进行滑车实验，通过测量儿童假人运动姿态以及伤害指标，考核儿童约束系统对儿童乘员的保护效果。虽然假人模型在约束系统评价方面发挥着重要的作用，但仅通过在假人特定部位安装的传感器，只能输出一些加速度、作用力等动力学参数，这对于儿童损伤情况的表征十分有限，而通过儿童有限元模型，不仅可以最大限度地还原碰撞过程中人体的生物力学响应，还可以根据不同部位的应力应变分布情况，精确地判断出损伤情况。通过对儿童损伤情况更详细的输出，也就可以更准确地评价约束系统的保护效果。
技术实现思路
本专利技术为了克服现有技术的缺陷，提出了一种六岁儿童乘员的有限元模型的构建方法，包括：步骤A：通过几何重构构建六岁儿童模型；步骤B中，调整所述六岁儿童几何模型的坐姿的方法为：将通过所述六岁儿童几何模型的肘关节、肩关节、髋关节、膝关节、踝关节处的旋转中心的水平轴线定义为旋转轴；对小手臂、上肢、躯干、下肢、小腿、脚部分的几何模型进行旋转，使其基本符合人体坐姿控制角度；然后对肘关节、肩关节、髋关节、膝关节、踝关节处的肌肉、皮肤等几何模型进行调整，使得关节处的结构符合人体坐姿解剖学特点，得到所述六岁儿童乘员的几何模型；其中，人体坐姿的参数为：跨点到踵点的垂直距离Hz为127～405mm，背靠角β为20°～75°，躯干与大腿夹角γ为90°～115°，脚角α为95°～130°，膝角δ为90°～145°。步骤C：调整所述六岁儿童模型的脊柱生理曲度，包括以下子步骤：步骤C1：获取标准坐姿的脊柱生理曲线。所述标准的坐姿脊柱曲线是指符合儿童解剖学中的儿童脊柱弯曲角度的脊柱曲线；步骤C1通过参照标准的坐姿脊柱图片，在每个椎体的前半部分中间位置取描点，用样条曲线对所述描点进行连接，获取该图片的脊柱生理曲线。步骤C2：调整所述标准坐姿的脊柱生理曲线，得到六岁儿童的脊柱生理曲线；包括以下子步骤：步骤C21：通过CT扫描图像提取得到坐姿脊柱模型，以脊柱的骶骨前半部分中点为第一参考点，将所述标准坐姿的脊柱生理曲线平移到所述脊柱模型上；步骤C21中，通过对六岁儿童躺姿CT扫描图像提取的脊柱几何模型以脊柱的骶骨前半部分中点为中心绕逆时针方向旋转70°，调节得到坐姿脊柱模型。步骤C22：根据所述第一参考点将所述标准坐姿的脊柱生理曲线缩放到与所述脊柱模型相同的大小；步骤C23：定义寰椎前结节中心为第二参考点，通过所述第一参考点、所述第二参考点及所述标准坐姿的脊柱生理曲线上下端点分别形成两条直线，测量获得直线间角度；步骤C24：根据参考点及所述脊柱模型，将缩放后的脊柱生理曲线绕顺时针方向旋转，使调整后的脊柱生理曲线上端点与所述第二参考点重合，得到所述六岁儿童的脊柱生理曲线。步骤C3：根据所述六岁儿童的脊柱生理曲线，调整所述六岁儿童模型的脊柱生理曲度；步骤C3中，参考所述六岁儿童的脊柱生理曲线，依据脊柱颈前区、胸椎后区、腰椎前区、骶尾椎后区的生理弯曲的调整原则，对脊椎以及骶骨进行平移和旋转，所述调整原则为既要保证椎与椎间的配合关系，又保证整体脊柱的曲度；所述平移使得儿童脊柱及骶骨与中矢状面的交线中点位于所述六岁儿童的脊柱生理曲线上，所述旋转使得相邻脊柱及骶骨间未出现干涉，最后得到所述六岁儿童的坐姿脊柱模型。步骤C3中的调整过程是直接在步骤A中的六岁儿童几何模型进行，故无需将调整后的脊柱模型替换几何重构构建六岁儿童几何模型中的脊柱。步骤C4，胸部其他部位的调整：根据肋椎关节和肋横突关节调节胸腔，使其满足解剖学上胸腔的形态；根据肌学的解剖原理，参考肌肉在骨头上的起止点以及肌肉在坐姿情况下的收缩或拉伸状态，对冈下肌、肩胛下肌、胸大肌、胸小肌、前锯肌、肋间肌、竖脊肌、外斜肌肌肉的位置进行平移和角度的旋转，使其符合人体坐姿生理学解剖结构。步骤D中，对六岁儿童乘员的几何模型进行网格划分并构建得到六岁儿童乘员的有限元模型。本专利技术中，在对网格进行重新划分的过程中，各个网格之间不发生穿透和干涉。基于以上方法，本专利技术还提出了一种六岁儿童乘员的有限元模型的构建系统，包括：几何重构模块，用于通过几何重构构建六岁儿童模型；坐姿调整模块，用于调整所述六岁儿童几何模型的坐姿，得到六岁儿童乘员的几何模型；脊柱生理曲线调整模块，用于调整所述六岁儿童几何模型的脊柱生理曲线；有限元模型构建模块，用于构建所述六岁儿童乘员有限元模型。本专利技术还提出了一种由上述方法构建的六岁儿童乘员的有限元模型。本专利技术还提出了一种基于六岁儿童乘员的有限元模型的儿童约束系统评价方本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种六岁儿童乘员的有限元模型的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤A：通过几何重构构建六岁儿童几何模型；/n步骤B：调整所述六岁儿童几何模型获得坐姿几何模型；/n步骤C：调整所述六岁儿童几何模型的脊柱生理曲度，包括以下子步骤：/n步骤C1：通过参照标准的坐姿脊柱图片，在每个椎体的前半部分中间位置取描点，用样条曲线对所述描点进行连接，获取所述标准的坐姿脊柱图片的脊柱生理曲线；所述标准的坐姿脊柱曲线是指符合儿童解剖学中的儿童脊柱弯曲角度的脊柱曲线；/n步骤C2：调整所述标准坐姿的脊柱生理曲线，得到六岁儿童的脊柱生理曲线；/n步骤C3：根据所述六岁儿童的脊柱生理曲线，调整所述六岁儿童几何模型的脊柱生理曲度；/n步骤C4：胸部其他部位的调整；/n步骤D：对六岁儿童乘员的几何模型进行网格划分并构建得到六岁儿童乘员的有限元模型。/n

【技术特征摘要】
1.一种六岁儿童乘员的有限元模型的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A：通过几何重构构建六岁儿童几何模型；
步骤B：调整所述六岁儿童几何模型获得坐姿几何模型；
步骤C：调整所述六岁儿童几何模型的脊柱生理曲度，包括以下子步骤：
步骤C1：通过参照标准的坐姿脊柱图片，在每个椎体的前半部分中间位置取描点，用样条曲线对所述描点进行连接，获取所述标准的坐姿脊柱图片的脊柱生理曲线；所述标准的坐姿脊柱曲线是指符合儿童解剖学中的儿童脊柱弯曲角度的脊柱曲线；
步骤C2：调整所述标准坐姿的脊柱生理曲线，得到六岁儿童的脊柱生理曲线；
步骤C3：根据所述六岁儿童的脊柱生理曲线，调整所述六岁儿童几何模型的脊柱生理曲度；
步骤C4：胸部其他部位的调整；
步骤D：对六岁儿童乘员的几何模型进行网格划分并构建得到六岁儿童乘员的有限元模型。


2.如权利要求1所述的六岁儿童乘员的有限元模型的构建方法，其特征在于，步骤B中，调整所述六岁儿童几何模型的坐姿的方法为：将通过所述六岁儿童几何模型的肘关节、肩关节、髋关节、膝关节、踝关节处的旋转中心的水平轴线定义为旋转轴；对小手臂、上肢、躯干、下肢、小腿、脚部分的几何模型进行旋转，使其基本符合人体坐姿控制角度；然后对肘关节、肩关节、髋关节、膝关节、踝关节处的肌肉、皮肤等几何模型进行调整，使得关节处的结构符合人体坐姿解剖学特点，得到所述六岁儿童乘员的几何模型；其中，人体坐姿的参数为：跨点到踵点的垂直距离Hz为127～405mm，背靠角β为20°～75°，躯干与大腿夹角γ为90°～115°，脚角α为95°～130°，膝角δ为90°～145°。


3.如权利要求1所述的六岁儿童乘员的有限元模型的构建方法，其特征在于，步骤C2包括：
步骤C21：通过步骤B调整得到坐姿几何模型中的脊柱模型，以脊柱的骶骨前半部分中点为第一参考点，将所述标准坐姿的脊柱生理曲线平移到所述脊柱模型上；
步骤C22：根据所述第一参考点将所述标准坐姿的脊柱生理曲线缩放到与所述脊柱模型相同的大小；
步骤C23：定义寰椎前结节中心为第二参考点，通过所述第一参考点、所述第二参考点及所述标准坐姿的脊柱生理曲线上下端点分别形成两条直线，测量获得直线间角度；
步骤C24：根据参考点及所述脊柱模型，将缩放后的脊柱生理曲线绕顺时针方向旋转，使调整后的脊柱生理曲线上端点与所述第二参考点重合，得到所述六岁儿童的脊柱生理曲度。


4.如权利要求3所述的六岁儿童乘员的有限元模型的构建方法，其特征在于，步骤C21中，通过对六岁儿童躺姿CT扫描图像提取的脊柱几何模型以脊柱的骶骨前半部分中点为中心绕逆时针方向旋转70°，调节得到坐姿脊柱模型。


5.如权利要求1所述的六岁儿童乘员的有限元模型的构建方法，其特征在于，步骤C3中，参考所述六岁儿童的脊柱生理曲线，依据脊柱颈前区、胸椎后区、腰椎前区、骶尾椎后区的生理弯曲的调整原则，对脊椎以及骶骨进行平移和旋转，所述调整原则为既要保证椎与椎间的配合关系，又保证整体脊柱的曲度；所述平移使得儿童脊柱及骶骨与中矢状面的交线中点位于所述六岁儿童的脊柱生理曲线上，所述旋转使得相邻脊柱及骶骨间未出现干涉，最后得到所述六岁儿童的坐姿脊柱模型。


6.如权利要求1所述的六岁儿童乘员的有限元模型的构建方法，其特征在于，所述步骤C4，胸部其他部位的调整：
根据肋椎关节和肋横突关节调节胸腔，使其满足解剖学上胸腔的形态；根据肌学的解剖原理，参考肌肉在骨头上的起止点以及肌肉在坐姿情况下的收缩或拉伸状态，对冈下肌、肩胛下肌、胸大肌、胸小肌、前锯肌、肋间肌、竖脊肌、外斜肌肌肉的位置进行平移和角度的旋转，使其符合人体坐姿生理学解剖结构。


7.如权利要求1所述的六岁儿童乘员的有限元模型的构建方法，其特征在于，步骤D中，对步骤C获得的六岁儿童乘员的几何模型进行网格划分及调整，最终获得六岁儿童乘员有限元模型...

【专利技术属性】
技术研发人员：李海岩，吕文乐，李健，贺丽娟，崔世海，阮世捷，
申请(专利权)人：天津科技大学，
类型：发明
国别省市：天津;12