人体有限元模型：解析再造

人体模型的研发起源于汽车安全性测试领域。20世纪30年代,随着汽车事故死亡率的日益增加,汽车安全问题开始成为关注焦点,人们试图通过汽车安全性测试来提高汽车的安全性能。早期测试通常用动物或尸体代替人体,受伦理道德限制,存在实验成本高、测试效果不佳、精度差、实验对象受限等缺点。但是汽车安全性测试是汽车出厂的必要条件,定型前必须进行安全性测试。正是在这样的背景下,假人模型应运而生,其研发历程如表1.1所示。

表1.1　假人模型的研发历程

续表

在广泛应用假人模型的同时,人们也意识到假人模型普遍存在价格昂贵、易损坏、应用领域受限等缺点。而随着计算机仿真技术的兴起,人体仿真技术开始进入人们的视线。1970年,Roberts和Chen开发出世界上第一个人体胸部有限元模型,奠定了人体数值模拟研究的基础,但由于技术和条件的限制,该模型过于简单。随着计算机技术和数值模拟技术的飞速发展,生物逼真度更高、组织器官更为完善的人体模型相继被开发出来,为人体研究提供了可行的方法,填补了人体实验研究的空白,同时也降低了实验成本。1977年,Sundaram等建立了两个弹性材料的胸部有限元模型,一个由胸骨、肋骨、肋软骨、脊柱和脊椎等骨骼组成,另一个由肌肉和内脏器官等软组织组成。1988年,Stuhmiller等构建出更为复杂的人体胸部有限元模型,用于评估爆炸冲击波对人体的损伤。Plank先后于1991年和1994年建立了50百分位(50th)人体胸部有限元模型,并用LSDYNA软件进行了数值模拟研究,但该模型只对胸骨、肋骨、软骨、脊柱和肌肉进行单独建模,而内脏器官并未独立建模。1997年,Wang等建立了包括肌肉、骨骼和内脏器官的50百分位人体胸部有限元模型,将其用于汽车侧面碰撞问题的研究。其中,肺脏和心脏采用非线性材料,其他组织器官采用弹性材料。2002年,日本TOYOTA公司设计出THUMS(Total Human Model for Safety)人体有限元模型,并进行了多次改进和验证,目前已经发展到第五代,其具有较高的生物逼真度,可以较好地反映碰撞时人体的动态响应,如图1.1所示。2006年,由欧美20多家汽车制造商和研究机构组成的“全球人体模型联盟”(Global Human Body Models Consortium,GHBMC)联合开发出高生物逼真度的人体有限元模型,以用于更加精准和细致的汽车碰撞模拟研究,如图1.2所示。2007年,LSTC公司和华盛顿大学联合开发出HybridⅢ50th男性假人有限元模型,随后又开发出HybridⅢ5th女性、HybridⅢ95th男性和Hybrid 6岁儿童假人有限元模型,但该模型网格过于粗糙、细节不够精确。荷兰TNO公司建立了Madymo多刚体假人有限元模型,但该模型并不是实体有限元模型。应用最广泛的HybridⅢ50th人体有限元模型是由美国FTSS公司建立的,该人体有限元模型与实验假人模型具有相同的响应特性,仿真度较高,如图1.3所示。Roberts等建立了包括皮肤、肌肉、胸骨、肋骨、肋软骨、脊柱、心脏、肺脏、肝脏和胃的人体躯干有限元模型。

(www.xing528.com)

图1.1　THUMS假人模型

图1.2　GHBMC假人模型

图1.3　Hybrid假人模型

国内各研究领域用到的人体有限元模型往往是利用上述公司开发的或基于数字图像处理技术建立的,如湖南大学、华南理工大学和重庆理工大学等单位开展的汽车领域的相关研究,大多都是采用Hybrid、THUMS或GHBMC人体有限元模型。虽然这些人体有限元模型具有较高的生物逼真度,但都是基于汽车安全性测试而开发的,其结构特征和网格信息不易改变,并且价格非常昂贵。重庆大学、南京理工大学和陆军军医大学相继建立了较为完整的人体躯干有限元模型,但只包含了少数的组织器官,并对部分组织器官模型进行了大量简化。