基于数字人模型的生物体快速反演模型建立与实验验证

徐草草 杨启明 尹福成

（1.成都理工大学工程技术学院 乐山 614000）（2.中国移动乐山分公司 乐山 614000）（3.内江师范学院 内江 641100）

1 引言

冲击波是由爆炸产生的一种气体冲击力波。它是冲击波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冲击波作用的过程［1］。当它与生物体（人体、动物体）接触时，会造成生物体发生瞬时形变，从而造成靶向器官（肺部、肝脏等）损伤［2～6］，轻则身体不适，器官受损，严重的甚至可以致命。因此对于生物体在爆炸冲击中的损伤特性研究对研究防冲击设备来说是非常重要的。

目前大部分的研究集中在生物体实验［7～8］（动物实验，尸体实验）以及有限元模型计算方面［5，7～11］，他们的研究都是独立地进行。这就造成动物实验缺少理论模型的支持与解释，而有限元模型缺少对应的验证分析。

为了解决以上两个问题，我们提出基于爆炸冲击环境下冲击波对生物体损伤特性性能分析的有限元模型，模型的几何参数选用实验生物体的测量近似参数。通过在ANSYS中建立有限元模型，并设定气压冲击波压力来计算生物体受力及形变情况；为了验证该模型的合理性，设计了充气气压冲击试验，来验证模型的合理性。

2 模型

2.1 胸腔模型建立与简化

通过测量验证动物，我们得到动物胸部厚度为213mm，宽度为118mm，胸围为516mm。为了简化建模过程，将动物胸部简化为一个椭圆形的圆柱体，柱体的截面椭圆长轴为213mm，短轴为118mm，周长为516mm，和测量动物几何数据一致。柱体高为229mm（与动物胸腔数据一致）。根据 ZHU［10］和 LI［5］的方法，将模型划分为层状结构，从外到内分别为皮肤、肌肉、骨骼、肌肉以及内脏。在近似化处理中，根据生物体组织结构的实际情况，将骨骼再次划分为胸骨、肋骨和肋软骨，见图1（a），而内脏器官中，受损单元主要是肺部、心脏、肝脏。因此在内脏建模方面我们将其简化为肺部、心脏、肝脏三个主要部分。

2.2 模型参数及网格划分

根据 Roberts［12］提供的胸部组织，器官等材料类型和特性参数，为模型各部分指定相应的材料类型和特征参数。定义单元类型为SOLID164。由LI［5］的结论得出，通过六面体单元建模的性能要明显优于四面体单元建模。为此，我们采用映射网格划分的方法将皮肤，肌肉和骨骼划分为六面体单元，采用扫掠划分方式将心脏、肺部、肝脏划分为六面体网格。和LI［5］建立数字人模型一样，采用共节点的方式约束模型不同部分的接触界面。

2.3 撞击模型

为了建模方便，在保证模型质量和撞击面面积与实物相同的前提下，使用圆柱体建立撞击头模型。圆柱体横截面面积为25mm，长度75mm。使用线弹性材料建模，材料参数选用ANSYS定义的金属材料参数：密度2710kg/m3，弹性模量为69GPa，泊松比为0.33，根据以上参数撞击头的质量约为368.3g（图1（b））。

图1 基于数字人的数值模型

2.4 边界条件

在接触边界条件上，我们定义只有撞击头会与皮肤组织部分存在接触，定义它的接触类型为点-面接触。静磨擦系数为0.54，动摩擦系数为0.14，接触时间为0s～1000000s内，其他接触参数与接触面参数为系统默认值。由于验证实验中，验证生物体被固定在致伤架上（图2（a）），撞击时不能向前移动，故模型背侧的最后两列节点添加为固定约束。按照生物实验数据，通过高清数码相机采集获得不同充气压力下撞击头的初始速度，将这一速度设置为撞击头的初始速度。

图2 实验验证系统设计

2.5 模型计算

参照验证生物体实验条件，设置求解时间为10ms，输出时间间隔为0.2ms，以ASCLL文件格式输出接触面合力，打开子循环设置来节约计算时间。输出k文件，并使用ANSYS LS-DYNA求解器求解。

3 实验验证

在实验中，我们将一只成年狗（胸部厚度为213mm，宽度为118mm，胸围为516mm）作为实验对象，在试验中，为了降低狗紧张不安的情绪，减小因为狗剧烈运动带来的噪声影响；给狗注射了46ml（0.06mg/kg）浓度为5%的Fentanyl Citrate Injection溶液，20min后狗处于半昏迷状态，但心跳和脉搏均正常，在此状态下进行活体实验。在实验中我们使用了我们自行设计的卧式生物撞击机，美国Red⁃Lake公司的HE型高速摄像机，美国MS公司的64-2000-10-360-xy加速度传感器，以及美国NI公司的USB-6363数据采集卡采集数据。实验中对不同充气压力下获得的位移数据进行微分得到速度，二次微分得到加速度和由加速度数据计算得到的撞击力极大值（见表1）。

表1 生物实验参数与模型计算参数

4 结果及分析

在后处理程序中打开结果文件，在模型正面受冲击部位取一节点（N77416），绘制节点的位移—时间曲线作为模型的胸壁变形—时间曲线。载入合成界面接触力文件rcforc，绘制撞击头与模型的作用力—时间曲线。将曲线数据保存为成对的x，y文件，并不同充气压力条件下计算值和实验值数据导入OriginPro 9.1@中，分别绘制不同充气压力条件下计算值和实验值的作用力—时间曲线，胸腔壁形变—时间曲线（图3～图7）。

图3 600kPa时作用力—时间曲线与胸腔壁形变—时间曲线

图4 650kPa时作用力—时间曲线与胸腔壁形变—时间曲线

图5 700kPa时作用力—时间曲线与胸腔壁形变—时间曲线

图6 750kPa时作用力—时间曲线与胸腔壁形变—时间曲线

图7 800kPa时作用力—时间曲线与胸腔壁形变—时间曲线

在实验中因为我们选用活体动物实验，就避免了Bir［13］所遇到的尸体进行实验存在缺少肌肉张力，呼吸和动脉压的限制。同时由于冲击速度增加，加载时间变短，这些微小的张力影响是几乎可以忽略的［14～15］。因此该实验值是真实可信的。通过图3～图7在时域上，不论是作用力还是胸腔壁形变模型的计算值，与实验值都存在一定的差异。这是因为在建模过程中对几何体的一些简化以及组织简化所造成的。但模型的结果与实验结果的变化趋势几乎是一致的，这说明我们建立数字人来分析真实人体的冲击损伤效应是真实可行的。

同时通过分析相同时间（2ms）下，不同的撞击力条件下作用力—时间曲线与胸腔壁形变—时间曲线（图8），不难发现，模型的变化趋势与实验变化趋势几乎完全一致。虽然存在一定的误差，但是我们如果采用数字人的建模方法来建立数字生物，这些误差应该会变得非常小。因此本文所设计的建模方法是真实有效的。

图8 2ms时作用力—时间曲线与胸腔壁形变—时间曲线

5 结语

为了验证中国数字人模型在研究人体胸腔损伤特性反演的准确性，本文提出了一种基于中国数字人模型建模方法的活体生物体参数简化快速反演模型，在建模中加入实际生物体参数和简化模型得到近似生物体胸腔有限元模型。通过分析模型计算结果与实验结果，得出计算结果与实验结果基本相符。因此得出利用CT数据集建立数字人模型的方法，能够完成近似真实物态环境的反演有限元模型的重建，模型能够满足进行人体胸部损伤特性研究的需要。