【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及人体颈部建模方法，具体为一种主被动肌肉力结合的人体颈部有限元模型建模方法。
技术介绍
1、在汽车交通事故中，颈部是乘员容易遭受严重伤害的关键部位之一，颈部的安全防护研究是汽车安全领域亟待解决的关键问题。一般而言，颈部相关的研究包括物理试验和数值模型仿真两种方法，而人体颈部有限元模型在相关颈部损伤机理和防护策略研究中，相较于物理试验，具有成本低，重复性好的优势。因此，人体颈部有限元模型在汽车安全研究中广泛应用。
2、但真实的人体颈部结构复杂精细，而且真人的颈部在应激状态下具备主动收缩的作用，而相关研究表明这种主动肌肉力效应在碰撞环境下会显著影响乘员头颈部的运动学响应。在现有的颈部有限元模型建模技术中，存在解剖学特征表征精度低，缺乏颈部主动肌肉效应等问题；
3、为此，我们设计一种主被动肌肉力结合的人体颈部有限元模型建模方法。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种主被动肌肉力结合的人体颈部有限元模型建模方法，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。
2、为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种主被动肌肉力结合的人体颈部有限元模型建模方法，包括如下步骤：
3、s1：基于医学影像数据建立具有详细解剖学特征的人体颈部几何模型；
4、s2：基于颈椎几何模型建立高生物逼真度的人体颈椎有限元模型；
5、s3：基于颈部实体肌肉几何模型建立高生物逼真度的人体颈部实体被动肌肉有限元模型；
6、s4：
7、s5：基于s4所述颈部表皮几何模型建立颈部表皮及皮下组织有限元模型。
8、优选的，所述s1的具体步骤如下：
9、s11：基于计算机断层扫描图像获取志愿者颈椎和表皮点云信息，扫描位置包含c1至c7的颈椎椎体和椎间盘，以及颈部皮肤轮廓面；基于核磁共振图像获取志愿者颈部肌肉点云信息；
10、s12：通过自动阈值分割和手动填充清理相结合的方式，得到具有清晰轮廓边界的颈部各解剖结构的医学影像文件；基于所述医学影像图像文件的点云信息重建出解剖结构的几何表面，以stl格式的文件导出；
11、s13：选取所述ct图像提取的颈椎、椎间盘和皮肤轮廓面几何数据的一侧进行对称处理，在对称处理后的所述颈椎、椎间盘和皮肤轮廓面模型中导入所述mri图像提取的颈部肌肉几何，以颈椎结构作为颈部肌肉的定位参考，使得加入的所述颈部肌肉位于正确的解剖位置；
12、s14：通过平顺处理消除骨骼等硬组织扫描数据中的噪声和各种细微毛刺及不规则结构的影响，分离肌肉等软组织的几何的边界，松弛、光顺其外形得到平滑、连续的曲面，检查并消除颈椎和肌肉结构之间的干涉，最后得到所述颈椎、肌肉、表皮的曲面iges文件。
13、优选的，所述s2的具体步骤如下：
14、s21：所述颈椎c1至c7椎体采用四节点四边形壳单元模拟皮质骨，采用四节点四面体单元模拟松质骨，所述椎体皮质和松质骨之间采用共节点连接；
15、s22：所述颈椎椎间盘采用八节点六面体单元模拟，分别在c1和c2，c2和c3，c3和c4，c4和c5，c5和c6，c6和c7椎体上下端面之间建立两层六面体单元，所述椎间盘和椎体之间采用共节点连接；选中内部两圈单元作为椎间盘内部髓核，其余部分作为外部纤维环，在纤维环外表面建立一层共节点的壳单元用于接触；
16、s23：所述颈椎韧带和颈部覆膜采用四节点四边形壳单元模拟，所述颈部韧带包括前纵韧带、后纵韧带、横突间韧带、黄韧带、棘间韧带、关节囊韧带；所述颈部覆膜包括寰枕前膜、寰枕后膜；韧带及覆膜和颈椎椎体之间采用共节点连接；
17、s24：所述颈部椎体松质骨赋予*mat_105材料，所述椎体皮质骨赋予*mat_81材料，所述椎间盘内部髓核赋予*mat_12材料，所述椎间盘外部纤维环赋予*mat_83材料，所述颈椎韧带和颈部覆膜赋予*mat_34材料，用于接触的附着在体单元表面的壳单元赋予*mat_9材料。
18、优选的，所述步骤s3的具体步骤如下：
19、s31：采用ansys icem cfd软件，导入单根肌肉几何的stl文件，自动生成匹配肌肉几何的规则六面体block，通过控制所述六面体block对几何进行分区，包括切割、拉伸和平移等，并通过软件自动在block内部生成高质量的纯六面体单元；
20、s32：将所述六面体block网格最外层节点映射到肌肉几何的表面，使得所述六面体block网格和肌肉几何外形良好匹配，控制所述block的边或整体的单元密度，可以快速有效地调整模型的单元数量；
21、s33：依次导入单根颈部肌肉的几何模型，并利用block-controlled方法生成对应的六面体单元有限元模型，在所述肌肉实体单元外表面建立一层共节点的壳单元用于接触，检查并消除各肌肉有限元模型之间的干涉；
22、s34：实体被动肌肉的上下止端通过一系列*element_seatbelt连接至骨骼上，模拟肌腱的附着效果；采用关键字*contact_tied_shell_edge_to_surface的绑定接触，实现外侧肌肉与皮肤之间的连接；
23、s35：所述颈部实体被动肌肉均赋予*mat_77o材料，用于接触的附着在体单元表面的壳单元赋予*mat_9材料。
24、优选的，所述s4的具体步骤如下：
25、s41：主动肌肉采用关键字*element_beam的多段式1d梁单元模拟，所述梁单元节点位置通过实体肌肉的特征确定，所述实体肌肉的特征包括但不限于实体肌肉的长度、宽度、厚度、解剖学特征等；所述单根实体肌肉可创建多条互不相交的多段式1d主动肌肉梁单元；
26、s42：所述多段式1d主动肌肉梁单元的上下止端通过共节点的方式连接至骨骼上；所述多段式1d主动肌肉梁单元的中间节点采用关键字*constrained_interplation与对应的肌肉附着骨骼之间建立约束关系，模拟1d主动肌肉与骨骼的附着连接；
27、s43：所述1d主动肌肉梁单元赋予*section_beam属性，其中elform参数选择为truss，所述1d主动肌肉均赋予*mat_156材料；所述*mat_156材料中可以设置多种特性曲线，包括但不限于激活水平—时间曲线、主动拉伸应力—拉伸比曲线、应变率最大值—拉伸比因子曲线、主动拉伸应力—应变率曲线、等距应力—拉伸比曲线；通过对所述特性曲线的合理设置，可以实现对人体颈部主动肌肉效应的模拟。
28、优选的，所述步骤s5的具体步骤如下：
29、s51：颈部皮肤采用四节点四边形壳单元模拟表皮；基于所述颈部皮肤表皮几何，通过缩放变形的方法，生成包裹颈部实体肌肉的内包络面，在所述颈部表皮和内包络面之间建立颈部皮下组织，采用八节点六面体单元模拟；
30、s52：所述颈部表皮本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种主被动肌肉力结合的人体颈部有限元模型建模方法，其特征在于：包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种主被动肌肉力结合的人体颈部有限元模型建模方法，其特征在于：所述S1的具体步骤如下：
3.根据权利要求1所述的一种主被动肌肉力结合的人体颈部有限元模型建模方法，其特征在于：所述S2的具体步骤如下：
4.根据权利要求1所述的一种主被动肌肉力结合的人体颈部有限元模型建模方法，其特征在于：所述步骤S3的具体步骤如下：
5.根据权利要求1所述的一种主被动肌肉力结合的人体颈部有限元模型建模方法，其特征在于：所述S4的具体步骤如下：
6.根据权利要求1所述的一种主被动肌肉力结合的人体颈部有限元模型建模方法，其特征在于：所述步骤S5的具体步骤如下：
【技术特征摘要】
1.一种主被动肌肉力结合的人体颈部有限元模型建模方法，其特征在于：包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种主被动肌肉力结合的人体颈部有限元模型建模方法，其特征在于：所述s1的具体步骤如下：
3.根据权利要求1所述的一种主被动肌肉力结合的人体颈部有限元模型建模方法，其特征在于：所述s2的具体步骤如下：
4.根据权利...
【专利技术属性】
技术研发人员：王强，白中浩，蒋彬辉，徐俊鹏，刘煜，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：
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