针对头盔设计的三维头部模型采集与测量方法研究

为设计穿戴舒适的头盔类产品,依据三维扫描技术采集了346位年龄为18~28岁中国青年男性头部三维数据模型;结合逆向工程GEOMAGIC软件,完成样本数据模型的预处理、坐标系的统一、9个头部特征尺寸的测量;利用SPSS统计分析软件,完成样本数据的奇异值删除与正态分布检测,进一步通过数理统计分析的方法,计算得到头部特征尺寸的平均值、标准差、分布区间等指标,为头盔类产品的造型设计提供参考。

基于三维头部数值模型的颅脑碰撞损伤机理研究

头部碰撞载荷会致使颅脑发生创伤性脑损伤(Traumatic Brain Injury, TBI)。其中,脑组织挫裂伤是最为常见的一种,具有高死亡率与高致残率的特性。该文基于数值模拟方法对其开展相关研究,揭示其损伤机理,对该类损伤的预防救治与相关防护设备的开发都具有重要意义。首先,该文基于颅脑的核磁共振切片建立了人体头部三维数值模型,该模型真实地反映了颅脑的生理特征与细节构造。在该模型中,颅骨采用典型类三明治结构进行表征,其内外层为刚度与密度较大的骨密质,中间层为骨松质。为了真实反映脑组织与颅骨间的相互作用,将脑脊液与蛛网膜小梁简化为均质整体,采用状态方程表征脑脊液的液态特性,并通过较小的剪切模量表征蛛网膜小梁的剪切传递作用。然后,基于死尸前额碰撞实验对三维头部数值模型的有效性进行验证。该头部模型采用三种不同的颈部约束边界条件对前额碰撞实验进行数值模拟,模拟结果表明:自由边界条件下的模拟结果与实验数据吻合良好,验证了该头部碰撞模型的有效性;而在竖向约束边界条件或固定边界条件下颈部的约束过于刚硬,导致撞击处与对撞处的颅内正、负压力交替变换,与实验结果相比出现较大偏差。最后,利用验证的头部碰撞模型对枕部碰撞过程进行数值模拟,并结合前额碰撞的模拟结果,分别从脑组织压力(体积变形)与Mises应力(剪切变形)等方面对颅脑的动态响应规律进行分析;进一步结合医学上颅脑碰撞损伤的统计数据,揭示了脑组织挫裂伤的损伤机理,建立了相应的损伤准则。

基于正面照的自适应三维头部网格模型研究

研究三维头部建模问题。针对以软件导出的三维头部模型作为标准模型受到数据量多、结构复杂的影响,对不同人脸进行匹配时需要进行数据简化操作,造成工作量大、可控性差且应用受限等问题,提出一个简单的能适应于不同人脸的三维头部模型。根据Candide-3模型提供的人脸三维信息,通过增加耳朵特征和后脑曲面模型,使用127个控制点建立了标准三维头部模型,然后配合人脸特征点信息和局部调整原理建立了与输人人脸图像相仿的三维头部模型。实验结果表明,建立的三维头部模型顶点少且具有较强真实感,可根据输入人脸图像的不同相应地产生与图像人脸相仿的形变模型,具有较好的适应性和广泛的应用价值。

面向网络个性化定制的三维参数化头部模型创建方法

为了解决头部可穿戴产品网络个性化定制设计时,数据传输速度慢、消费者头部数据获取困难、数据不准确等难题,根据人体头部特征,确定了23个用户可准确定位的特征点;依据特征点将头部三维模型分割成不同截面,提取截面的轮廓曲线,将该曲线分为三类;利用带有自由参数的Hermite插值曲线描述这三类曲线,并用Grasshopper软件建立参数化头部模型;利用带贴片的用户正交照片,计算得到用户的头部数据,并修改Grasshopper程序参数,获得用户的头部三维参数化模型。通过对3个志愿者拍摄照片验证,该方法可有效的应用于面向网络的头部可穿戴产品个性化定制设计。

球形爆炸冲击波正面作用下人体头部损伤规律的数值模拟

在军事行动、恐怖袭击和工业事故等爆炸事件中,爆炸冲击波引起的头部损伤已成为主要致伤形式之一。为了阐明冲击波损伤规律及头部承受冲击波损伤阈值,针对不同冲击波入射压力对人体颅脑不同部位的损伤规律进行了研究。建立了头部三维有限元模型,验证了其有效性。建立了冲击波-头部流固耦合模型,在大脑表面沿正中矢状面选取5个特征点,对头部分别在1 000 kPa、800 kPa、600 kPa、400 kPa、300 kPa、200 kPa、100 kPa和50 kPa入射冲击波作用下的损伤情况进行分析。在球形冲击波的作用下,颅骨分散冲击波,为脑组织提供防护;冠状面前侧的特征点受压,后侧特征点受拉;入射冲击波超压大于600 kPa时,距离爆源越近的特征点压力越大,距离爆源越远的特征点压力越小;造成颅脑组织80%严重损伤的入射冲击波超压临界值约为137 kPa。

高压交流输电线工频电磁场对人体头部的影响

高压交流输电线是产生工频电磁暴露环境问题的重要因素之一。为了研究高压交流输电线下人体头部周围电磁场的安全性,本研究以220 kV交流输电线为主要研究对象,利用COMSOL Multiphysics有限元软件建立交流输电线下的三维人体头部工频电磁场有限元仿真模型,计算不同距离下人体头部的电磁场分布情况并判断其安全性。结果表明:头部形状的不同会影响电磁场的分布情况,头部的电磁场强度也与输电线之间的距离有关,输电线距离头部越远,其下方头部电磁场数值越小。根据国际非电离辐射防护委员会(International Commissionon Non-Ionizing Radiation Protection,ICNIRP)导则和GB 8702—2014标准,接地时头部电场强度最小安全距离分别为11.0 m和11.5 m;不接地时头部电场强度最小安全距离分别为10.5 m和12.0 m,头部磁通密度则均小于这两个标准限值。

爆炸冲击波作用下颅脑损伤机理的数值模拟研究

爆炸引起的颅脑损伤已经成为现代战场单兵的主要致伤形式,而相关的致伤机理尚未完全阐明。本文中,针对头部在爆炸冲击波作用下的动态响应及相关致伤机理进行了数值模拟研究。首先,基于颅脑的核磁共振切片建立了人体头部三维数值模型,该模型真实地反映了颅脑的生理特征与细节构造;利用该模型对人体头部碰撞实验进行数值模拟,模拟结果与实验结果吻合良好,验证了头部模型的有效性。在此基础上,基于欧拉-拉格朗日耦合(EulerLagrangian coupling method,CEL)方法发展了爆炸冲击波-头部流固耦合模型,对头部受到爆炸冲击波正面冲击工况进行了数值模拟,分别从流场压力分布、脑组织压力、颅骨变形与加速度等方面对头部动态响应过程进行了分析。爆炸冲击波峰值压力在流固耦合作用下增大为入射波的3.5倍,致使受到直接冲击处的颅骨与脑组织发生高频振动,相应的振动频率高达8 k Hz,这与碰撞载荷下的脑组织动态响应是完全不同的。同时,该处颅骨的局部弯曲变形会沿着颅骨进行"传播",影响着整个颅骨的变化构型,从而决定了脑组织压力与损伤的演化过程。

锥束CT扫描方式对ART算法图像重建的影响研究

平板探测器锥束CT的扫描方式对ART(Algebraic Reconstruction Techniques)算法图像重建会产生影响。本文用128×128×128三维Shepp-Logan头部模型作为仿真对象,探讨了不同源-扫描中心距离、投影数、缺角度下扫描方式对图像重建的影响。结果表明,源-扫描中心距离与扫描中心-探测器距离成一固定比例时,其重建图像较好;投影数固定情况下,均匀扫描180°重建图像质量较好;缺失角度情况下,投影数尽可能以1°–2°角度间隔均匀填满第一角度间隔区域,剩余投影数均匀填满第二角度间隔区域时,其重建图像质量较好。