形状忠実な頭部物理モデルとFEモデルによる脳外傷発生メカニズムの解明に関する研究

利用形状忠实的物理头部模型和有限元模型阐明脑外伤发生机制的研究

基本信息

批准号：
18800015
负责人：
宮崎祐介
金额：
$ 1.78万
依托单位：
Kanazawa University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (Start-up)
财政年份：
2006
资助国家：
日本
起止时间：
2006 至 2007
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-18800015/
关键词：
救命交通事故機械材料・材料力学生物・生体工学

项目摘要

現状のヘルメットやエアバッグなどの防護用品の設計基準は,脳の変形を考慮せずに,単に頭部を剛体とみなしたときの並進加速度のみから算出されており,実際の脳外傷の発生にそれほど関係がないと言われている。そこで,脳外傷の発生メカニズムを解明し,それに基づく設計基準を制定することが,事故の犠牲者を減らす上で重要となる。そこで,衝撃を受ける頭部の外傷発生メカニズムを解明するために,主に頭部FEモデルを用いた研究が行われているが,生体実験データの取得が困難であるため,その妥当性は十分に検証されていない。一方で,球等の単純形状の物理モデルを用いた実験も行われているが,実際に人体で起きる現象を把握できるとは言い切れない。そこで,本研究では特定個体の医用画像から構築された頭部の三次元CADデータからラピッドプロトタイピング技術を利用することにより,形状忠実な頭部の物理モデルを製作するとともに,同一形状を有する有限要素モデルも構築した。さらに,前年度において頭部物理モデルにより行われた衝撃実験結果により有限要素モデルの妥当性を検証した。その結果,従来研究での個体が異なる屍体実験結果を用いた検証では困難であった,頭部FEモデルの流体-構造の連成系の扱い,脳と頭蓋の境界条件および材料特性などの誤差要因の影響について検討し,定量的に同定を行うことが出来た。さらに,同定された頭部FEモデルを用いた高速度衝撃シミュレーションにより,その発生部位および形態に特徴を有する脳挫傷は頭蓋骨の解剖学的形状の影響で衝撃部位により好発部位が異なることを明らかにした。

当前针对头盔和安全气囊等防护设备的设计标准仅根据翻译加速度计算，而当头部被视为刚性的身体时，而无需考虑脑部变形，并且据说它与脑外伤的实际发生并不相关。因此，重要的是要阐明脑创伤的机制并基于脑创建标准，以减少事故伤亡的伤亡人数。因此，研究主要是使用Head FE模型进行的，以阐明受影响引起的创伤机理，但是由于难以获得生物学实验数据，因此尚未完全验证大脑的有效性。另一方面，已经使用具有简单形状（例如球体）的物理模型进行了实验，但是不能说实际上发生在人体中的现象可以抓住。因此，在这项研究中，通过使用由特定个体的医学图像构建的三维CAD数据中的快速原型制作技术，我们创建了具有忠实形状的头部物理模型，并构建了具有相同形状的有限元模型。此外，通过上一年使用头部物理模型进行的影响实验的结果验证了有限元模型的有效性。结果，我们能够定量确定误差因素的影响，例如Head Fe模型中的流体结构耦合系统，大脑和颅骨的边界条件以及材料特性，这些特性很难使用尸体实验的结果来验证，在这些实验的结果中，该个体与先前的研究相差。此外，使用已识别的Head FE模型的高速冲击模拟表明，由于头骨的解剖学形状，具有不同位置和形态的大脑挫伤部位在最常见的部位有所不同。