一种爆炸颅脑损伤机制生物学多尺度建模方法

本发明属于人员冲击损伤评估领域，尤其涉及一种颅脑损伤机制多尺度建模方法。

背景技术：

1、目前对颅脑爆炸冲击响应研究手段包括数值仿真和试验研究，随着cae技术的发展，模型研究逐渐成为未来生物力学重要发展方向，人体高保真有限元模型是研究人员爆炸冲击响应与损伤的主要方法。然而当下头部有限元模型生物逼真度方面仍有较大不足，尤其在脑组织的生物多尺度结构与复杂的非线性动态力学特性模拟方面，同时也缺少脑神经纤维的有效建模，因此亟需一种颅脑多尺度模型构建方法。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术的不足，提供一种爆炸颅脑致伤机制生物学多尺度建模方法，可以较好地解决现有头部模型精度和微观尺度神经纤维模型缺乏的问题。

2、实现本发明通过以下方案实现：

3、一种爆炸颅脑损伤机制生物学多尺度建模方法，包含以下步骤：

4、步骤一、基于人体头部mri数据，参考现有人体器官级别高精度模型进行颅脑尺度有限元模型重建；

5、第一步中基于颅脑尺度的有限元建模，参考现有的thums头部有限元模型，对其进行网格精细化处理，最终网格平均尺寸1.5mm，满足网格收敛尺寸。

6、步骤二、利用医用商业软件dsi-studio进行脑神经纤维的区域化追踪重建以获取人脑神经纤维空间分布特征数据，基于脑组织解剖学结构图谱设置神经纤维平滑系数、长度约束、追踪种子数、最大角度阈值等参数，进一步生成脑神经纤维重建图像；

7、第二步对脑部神经纤维区域化追踪中，基于颅脑解剖学特征，将目标域划分成71个目标区域roi。

8、步骤三、计算脑组织目标区域追踪体素总体积，已知区域内神经纤维数量和平均长度并假设神经纤维的分布均匀且能类似于圆柱体进行等效运算，进而近似计出每根神经纤维的直径，令同一区域神经纤维在追踪体素中分布和直径是均匀的，脑白质由髓鞘和神经纤维组成，考虑到神经纤维在白质中的体积分数，运用以下公式计算等效直径：

9、v＝n×s

10、

11、其中v为某roi区域追踪体素总体积，n为追踪体素总个数，s为一个追踪体素体积；dtracts为某roi区域等效直径，l为纤维平均长度；r为神经纤维在脑白质中的体积分数，本发明中设置为0.1，n为区域内纤维总数量，dfiber为每根纤维直径。

12、步骤四、基于上述三步所得脑神经纤维分布数据及参数，运用ls-dyna显式有限元法建立脑神经高精度有限元模型，采用一维beam单元创建，运用matlab辅助进行脑神经纤维单元属性定义；

13、第四步中，采用一维beam单元创建脑神经纤维，具体包含282821个节点，143081个beam单元，长度尺寸为2.00mm。

14、步骤五、参考现有的颅脑器官尺度有限元模型，运用嵌入式有限元法，基于ls-dyna软件环境中*constrtned_beam_in_solid关键字，可以将beam单元与作为主部件的solid单元约束在一起并使神经纤维单元与实体单元加速度和速度保持一致，实现脑神经纤维有限元模型和精细化头部模型进行跨尺度耦合建模；

15、步骤六、基于颅脑组织动态单轴拉伸、压缩实验，运用有限元法和多目标优化算法相结合的方法，建立自动化脑组织材料模型参数求解平台，以参考实验测量的均值结果与仿真预测工程应力-应变曲线相关性系数最大化作为目标函数进一步实现参数寻优，以达到验证本方法中生物学多尺度颅脑损伤机制高保真度模型的目的。

16、有益效果：

17、本发明提出了一种爆炸颅脑损伤机制生物学多尺度建模方法。爆炸致颅脑损伤是一个复杂的生物物理过程，涉及多个时间和空间尺度，本方法基于真实人脑数据建立了器官级和准细胞级有限元计算模型，该方法提升了人体部位有限元模型计算精度。将给需要研究人员冲击响应与损伤的工程技术人员带来极大便利。

技术特征：

1.一种爆炸颅脑损伤机制生物学多尺度建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种爆炸颅脑损伤机制生物学多尺度建模方法，其特征在于，所述第一步中基于颅脑尺度的有限元建模，参考现有的thums头部有限元模型，对其进行网格精细化处理，最终网格平均尺寸1.5mm，满足网格收敛尺寸。

3.根据权利要求1所述的一种爆炸颅脑损伤机制生物学多尺度建模方法，其特征在于，所述第二步对脑部神经纤维区域化追踪中，基于颅脑解剖学特征，将目标域划分成71个目标区域roi。

4.根据权利要求3所述的一种爆炸颅脑损伤机制生物学多尺度建模方法，其特征在于所述第三步中，令同一区域神经纤维在追踪体素中分布和直径是均匀的，脑白质由髓鞘和神经纤维组成，考虑到神经纤维在白质中的体积分数，运用以下公式计算等效直径：

5.根据权利要求1所述的一种爆炸颅脑损伤机制生物学多尺度建模方法，其特征在于所述第四步中，采用一维beam单元创建脑神经纤维，具体包含282821个节点，143081个beam单元，长度尺寸为2.00mm。

技术总结本发明提供一种爆炸颅脑损伤机制生物学多尺度建模方法：基于人体头部MRI医学影像数据，进行脑神经纤维的区域化追踪重建获取神经纤维空间分布数据，建立神经纤维有限元模型，运用全局缩放进行脑神经纤维与脑组织的空间匹配，进一步完成颅脑‑神经纤维多尺度耦合模型；基于人体脑组织动态实验数据，运用优化算法与有限元仿真相结合的方法，以参考实验测量的工程应力‑应变均值曲线与仿真预测结果的相关系数最大化作为优化设计的目标函数，进行神经纤维、脑组织材料模型参数寻优求解。本发明克服了当前人颅脑有限元模型在生物逼真度和脑组织生物多尺度结构与复杂非线性动态力学特性模拟方面的不足。技术研发人员：李营,蒋永博,张建,陈子豪受保护的技术使用者：北京理工大学技术研发日：技术公布日：2024/11/4