人体前臂应力损伤机制简化模型建立与分析*

杨济宁，张 镘，张 露，徐 晶

(1.内江师范学院人工智能学院,四川 内江 641100;2.内江师范学院智慧医疗工程应用实验室,四川 内江 641100;3.内江师范学院内师-容天智慧医疗工程应用联合实验室,四川 内江 641100;4.珠海博闻教育科技发展有限公司,广东 珠海 519000)

在骨伤医学中,应力损伤是非常常见的。应力损伤是一种作用于机体结构的力学过程,也是生物体以其独特而复杂的力学特性响应应力作用的过程[1]。当它与生物体接触时,会造成生物体发生瞬时形变,从而造成机体部分组织或器官损伤[2-6]。因此对于生物体在应力冲击下的损伤特性研究对研究防应力损伤设备来说是非常重要的。特别是老年人防摔设备。

为了分析在爆炸冲击与侧向瞬时倾倒时,人体手臂机体内部的应力损伤效应,利用多层圆柱,建立人体前臂应力损伤机制模型。通过在载荷面加载106N/m2的冲击力,以此分析体前臂在受到应力作用时的传导机制。

1 模型基础

根据人体解剖学知识得知,通过简化后,人体组织结构从外向内基本是由皮肤、脂肪、肌肉、骨骼4种主要组织通过分层构成的。为了分析在应力作用下,手臂弹性机体和刚性机体的受力与瞬态形变情况,本研究建立了具有机体弹性机制的有限元模型。通过文献[7-9]查找得知,皮肤、脂肪、肌肉可以视为粘弹性材料,而骨骼近似刚性组织,这几种材料的材料参数见表1所示。

表1 组织材料参数

通过静态力学和动力学基础,初始状态机体可以视为力平衡。因此标准模型中,总的应力强度设定为0。

1.1 控制方程

在模型设计中,由于皮肤、脂肪、肌肉组织是粘弹性材料,而骨骼近似刚性组织,材料特性设计较复杂,需要控制的参数也比较多。在研究中,为提高模型的计算效率,从而减小计算成本,对模型进行了一系列的简化,将模型中的所有组织材料定义为各向同性。对于各向同性刚材料,只需要输入质量密度、弹性模量和泊松比参数,对于粘弹性材料根据线粘弹性材料模型。该模型采用偏量特性:

(1)

其中,t表示应力效应最大作用时间;τ表示应力冲击任意瞬间。

式中剪切松弛模量为:

φ(τ)=G∞+(G0-G∞)e-βt.

(2)

其中,G0表示短期限的弹性剪切模量;G∞表示长期限的弹性剪切模量;β表示衰减常数。

在模型中,由弹性体积模量K和体积V满足计算压力关系:

P=KlnV.

(3)

2 有限元模型建立

2.1 模型几何结构构建

为了便于后期设计实验验证,根据手臂解剖学结构和几何学特性,将手臂简化成一个最大半径为40 mm的标准圆柱。从外向内分离出皮肤、脂肪、肌肉以及骨骼(图3)。

图1 手臂几何结构模型建立

考虑到机体尽量要与真实人体接近,在此处设置皮肤厚度为2 mm,脂肪厚度为2 mm,肌肉厚度为26 mm,骨骼半径为10 mm。以此作为近似真实人的手臂模型。

2.2 边界设定

在模型中,需要设定模型的应力面与位移面,而这两个边界通常是相对的。因此模型中边界设定如图2。

图2 边界设定

图3 机体受力时瞬时位移能量图

2.3 网格划分

在模型中,为了保证模型计算的鲁棒性,使用自由四面体网格类型对简化的手臂模型实施划分,网格序列类型为用户控制,单元格大小为较细化,剖分完成后,域单元数682 714,边界元数193 850,边单元数5209。

2.4 模型计算参数设定

在模型中,通过文献得知,在爆炸冲击与侧向瞬时倾倒时,人体手臂应力面约受到106N/m2冲击力,应在模型的应力面施加一个106N/m2的冲击载荷作为载荷源来分析机体受力与形变情况。同时设定圆柱的上下底面边界为自由面。

3 结果及分析

将配置完成的有限元软件在多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics 5.5中实施计算。计算机参数包括CPU:Intel(R) Core(TM) i7-8750H CPU @ 2.20 GHz;内存:96.0 GB;系统:64位windows 10。用时513 s得出结果见图5,图6。

图5给出了机体内部在受到应力冲击时所具备的瞬时位移能量图。从图中可以看出,由于皮肤、脂肪、肌肉为粘弹性材料,当这些组织受到应力效应时会随能力的大小产生响应的形变;而骨骼近似刚性组织,在外力作用下几乎不会产生形变。由上图可以发现,产生位移的能量效应主要集中在应力面的皮肤、脂肪、肌肉这些粘弹性组织中,而骨骼处几乎不会产生形变。

4 结论

本研究以人体前臂为研究对象,分析在应力冲击作用下,人体内部组织的位移情况与应力张量分布情况。通过建模分析发现,由于皮肤、脂肪、肌肉是粘弹性组织,当机体受到应力冲击时,应力会转化成位移的方式将能量释放出来,从而导致该部分组织应力张量基本为0,应力冲击下这些组织损伤并不明显。然而,由于骨骼是刚性组织,外界施加的能量在此处没法转化成位移消散,从而导致在骨骼处会存在大量能量蓄积,在骨骼处的应力张量最大。当应力张量超过骨骼最大承受值时,就会引起骨折来进行能量转移。因此在应力冲击中,骨骼的损伤是非常明显的。