一种主被动肌肉力结合的人体颈部有限元模型建模方法

技术领域

本发明涉及人体颈部建模方法技术领域，具体为一种主被动肌肉力结合的人体颈部有限元模型建模方法。

背景技术

在汽车交通事故中，颈部是乘员容易遭受严重伤害的关键部位之一，颈部的安全防护研究是汽车安全领域亟待解决的关键问题。一般而言，颈部相关的研究包括物理试验和数值模型仿真两种方法，而人体颈部有限元模型在相关颈部损伤机理和防护策略研究中，相较于物理试验，具有成本低，重复性好的优势。因此，人体颈部有限元模型在汽车安全研究中广泛应用。

但真实的人体颈部结构复杂精细，而且真人的颈部在应激状态下具备主动收缩的作用，而相关研究表明这种主动肌肉力效应在碰撞环境下会显著影响乘员头颈部的运动学响应。在现有的颈部有限元模型建模技术中，存在解剖学特征表征精度低，缺乏颈部主动肌肉效应等问题；

为此，我们设计一种主被动肌肉力结合的人体颈部有限元模型建模方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种主被动肌肉力结合的人体颈部有限元模型建模方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种主被动肌肉力结合的人体颈部有限元模型建模方法，包括如下步骤：

S1：基于医学影像数据建立具有详细解剖学特征的人体颈部几何模型；

S2：基于颈椎几何模型建立高生物逼真度的人体颈椎有限元模型；

S3：基于颈部实体肌肉几何模型建立高生物逼真度的人体颈部实体被动肌肉有限元模型；

S4：基于颈部肌肉的解剖学连接关系，建立主动肌肉有限元模型；

S5：基于S4所述颈部表皮几何模型建立颈部表皮及皮下组织有限元模型。

优选的，所述S1的具体步骤如下：

S11：基于计算机断层扫描图像获取志愿者颈椎和表皮点云信息，扫描位置包含C1至C7的颈椎椎体和椎间盘，以及颈部皮肤轮廓面；基于核磁共振图像获取志愿者颈部肌肉点云信息；

S12：通过自动阈值分割和手动填充清理相结合的方式，得到具有清晰轮廓边界的颈部各解剖结构的医学影像文件；基于所述医学影像图像文件的点云信息重建出解剖结构的几何表面，以STL格式的文件导出；

S13：选取所述CT图像提取的颈椎、椎间盘和皮肤轮廓面几何数据的一侧进行对称处理，在对称处理后的所述颈椎、椎间盘和皮肤轮廓面模型中导入所述MRI图像提取的颈部肌肉几何，以颈椎结构作为颈部肌肉的定位参考，使得加入的所述颈部肌肉位于正确的解剖位置；

S14：通过平顺处理消除骨骼等硬组织扫描数据中的噪声和各种细微毛刺及不规则结构的影响，分离肌肉等软组织的几何的边界，松弛、光顺其外形得到平滑、连续的曲面，检查并消除颈椎和肌肉结构之间的干涉，最后得到所述颈椎、肌肉、表皮的曲面IGES文件。

优选的，所述S2的具体步骤如下：

S21：所述颈椎C1至C7椎体采用四节点四边形壳单元模拟皮质骨，采用四节点四面体单元模拟松质骨，所述椎体皮质和松质骨之间采用共节点连接；

S22：所述颈椎椎间盘采用八节点六面体单元模拟，分别在C1和C2，C2和C3，C3和C4，C4和C5，C5和C6，C6和C7椎体上下端面之间建立两层六面体单元，所述椎间盘和椎体之间采用共节点连接；选中内部两圈单元作为椎间盘内部髓核，其余部分作为外部纤维环，在纤维环外表面建立一层共节点的壳单元用于接触；

S23：所述颈椎韧带和颈部覆膜采用四节点四边形壳单元模拟，所述颈部韧带包括前纵韧带、后纵韧带、横突间韧带、黄韧带、棘间韧带、关节囊韧带；所述颈部覆膜包括寰枕前膜、寰枕后膜；韧带及覆膜和颈椎椎体之间采用共节点连接；

S24：所述颈部椎体松质骨赋予*MAT_105材料，所述椎体皮质骨赋予*MAT_81材料，所述椎间盘内部髓核赋予*MAT_12材料，所述椎间盘外部纤维环赋予*MAT_83材料，所述颈椎韧带和颈部覆膜赋予*MAT_34材料，用于接触的附着在体单元表面的壳单元赋予*MAT_9材料。

优选的，所述步骤S3的具体步骤如下：

S31：采用ANSYS ICEM CFD软件，导入单根肌肉几何的STL文件，自动生成匹配肌肉几何的规则六面体Block，通过控制所述六面体Block对几何进行分区，包括切割、拉伸和平移等，并通过软件自动在Block内部生成高质量的纯六面体单元；

S32：将所述六面体Block网格最外层节点映射到肌肉几何的表面，使得所述六面体Block网格和肌肉几何外形良好匹配，控制所述Block的边或整体的单元密度，可以快速有效地调整模型的单元数量；

S33：依次导入单根颈部肌肉的几何模型，并利用Block-Controlled方法生成对应的六面体单元有限元模型，在所述肌肉实体单元外表面建立一层共节点的壳单元用于接触，检查并消除各肌肉有限元模型之间的干涉；

S34：实体被动肌肉的上下止端通过一系列*ELEMENT_SEATBELT连接至骨骼上，模拟肌腱的附着效果；采用关键字*CONTACT_TIED_SHELL_EDGE_TO_SURFACE的绑定接触，实现外侧肌肉与皮肤之间的连接；

S35：所述颈部实体被动肌肉均赋予*MAT_77O材料，用于接触的附着在体单元表面的壳单元赋予*MAT_9材料。

优选的，所述S4的具体步骤如下：

S41：主动肌肉采用关键字*ELEMENT_BEAM的多段式1D梁单元模拟，所述梁单元节点位置通过实体肌肉的特征确定，所述实体肌肉的特征包括但不限于实体肌肉的长度、宽度、厚度、解剖学特征等；所述单根实体肌肉可创建多条互不相交的多段式1D主动肌肉梁单元；

S42：所述多段式1D主动肌肉梁单元的上下止端通过共节点的方式连接至骨骼上；所述多段式1D主动肌肉梁单元的中间节点采用关键字*CONSTRAINED_INTERPLATION与对应的肌肉附着骨骼之间建立约束关系，模拟1D主动肌肉与骨骼的附着连接；

S43：所述1D主动肌肉梁单元赋予*SECTION_BEAM属性，其中ELFORM参数选择为Truss，所述1D主动肌肉均赋予*MAT_156材料；所述*MAT_156材料中可以设置多种特性曲线，包括但不限于激活水平—时间曲线、主动拉伸应力—拉伸比曲线、应变率最大值—拉伸比因子曲线、主动拉伸应力—应变率曲线、等距应力—拉伸比曲线；通过对所述特性曲线的合理设置，可以实现对人体颈部主动肌肉效应的模拟。

优选的，所述步骤S5的具体步骤如下：

S51：颈部皮肤采用四节点四边形壳单元模拟表皮；基于所述颈部皮肤表皮几何，通过缩放变形的方法，生成包裹颈部实体肌肉的内包络面，在所述颈部表皮和内包络面之间建立颈部皮下组织，采用八节点六面体单元模拟；

S52：所述颈部表皮和皮下组织间采用共节点连接，所述皮下组织内表面和颈部实体肌肉之间采用关键字*CONTACT_TIED_SHELL_EDGE_TO_SURFACE建立绑定接触关系；所述颈部表皮赋予*MAT_34材料，所述颈部皮下组织赋予*MAT_181材料。

本发明至少具备以下有益效果：

(1)本发明中人体颈部几何模型，是根据志愿者的CT和MRI医学影像数据重建后，进行了几何清理，对称、光顺等操作，保留了颈椎、韧带、肌肉、表皮轮廓在内的详细的颈部解剖学特征，具有较好的生物逼真度；

(2)本发明中的颈椎有限元模型，包含椎体，椎间盘，韧带及覆膜模型，并用不同的网格类型对上述结构进行模拟，可以有效地表征颈椎的生理连接关系；

(3)本发明中的实体被动肌肉有限元模型，包含18组连接头、颈和胸部的肌肉，并且采用Block-Controlled方法划分成高质量的纯六面体网格，并且可以实现肌肉单元数量及网格质量的快速调整；

(4)本发明中的主动肌肉有限元模型，基于肌肉和骨骼之间的解剖学附着连接关系，在对应位置建立1D主动肌肉单元，其材料模型中可以定义多条特性曲线，实现人体颈部主动肌肉效应的模拟。

附图说明

图1为本发明的建模方法流程示意图；

图2为医学影像几何重建流程示意图；

图3为颈椎网格划分示意图（a）颈椎整体示意图 （b）椎间盘网格示意图；

图4为实体被动肌肉网格划分示意图；

图5为主动肌肉网格划分示意图；

图中：3-1寰枕前膜，3-2前纵韧带，3-3横突间韧带，3-4关节囊韧带，3-5寰枕后膜，3-6棘间韧带，3-7黄韧带，3-8后纵韧带，3-9椎体松质骨，3-10椎体皮质骨，3-11椎间盘髓核，3-12椎间盘纤维环，4-1斜方肌，4-2胸锁乳突肌，4-3胸骨甲状肌，4-4胸骨舌骨肌，4-5肩胛舌骨肌，4-6肩胛提肌，4-7前斜角肌，4-8中斜角肌，4-9后斜角肌，4-10头最长肌，4-11颈最长肌，4-12头半棘肌，4-13颈半棘肌，4-14头后小直肌，4-15头后大直肌，4-16头下方肌，4-17头夹肌，4-18颈夹肌。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照附图1至附图5所示，一种主被动肌肉力结合的人体颈部有限元模型建模方法，包括以下步骤：

S1：基于志愿者的医学影像数据对颈部颈椎，肌肉和皮肤进行几何重建、对称和平顺处理，得到具有详细解剖学特征的人体颈部几何模型；具体步骤如下：

S11：参照附图2所示，基于计算机断层扫描（CT）图像获取志愿者颈椎和表皮点云信息，包含C1至C7的颈椎椎体和椎间盘，以及颈部皮肤轮廓面；基于核磁共振（MRI）图像获取志愿者颈部肌肉点云信息；通过获取这些点云信息，可以准确地描述和捕捉志愿者颈部的解剖结构，包括颈椎、椎间盘、肌肉和皮肤的形状和位置。

S12：参照附图2所示，通过自动阈值分割和手动填充清理相结合的方式，得到具有清晰轮廓边界的颈部各解剖结构的医学影像文件；基于所述医学影像图像文件的点云信息重建出解剖结构的几何表面，以STL格式的文件导出；这样，我们可以得到准确的颈椎、椎间盘和皮肤的几何表面模型，为后续的分析和建模提供了可靠的基础。

S13：参照附图2所示，选取所述CT图像提取的颈椎、椎间盘和皮肤轮廓面几何数据的一侧进行对称处理，在对称处理后的所述颈椎、椎间盘和皮肤轮廓面模型中导入所述MRI图像提取的颈部肌肉几何，以颈椎结构作为颈部肌肉的定位参考，使得加入的所述颈部肌肉位于正确的解剖位置；以颈椎结构作为参考，确保加入的颈部肌肉位于正确的解剖位置。这样可以使得模型更加真实地反映出志愿者的颈部肌肉分布和位置。

S14：参照附图2所示，通过平顺处理消除骨骼等硬组织扫描数据中的噪声和各种细微毛刺及不规则结构的影响，分离肌肉等软组织的几何的边界，松弛、光顺其外形得到平滑、连续的曲面。检查并消除颈椎和肌肉结构之间的干涉，最后得到颈椎、肌肉、表皮的曲面IGES文件，通过平滑处理消除骨骼等硬组织扫描数据中的噪声、细微毛刺和不规则结构。同时，分离肌肉等软组织的几何边界，并对其外形进行松弛和光滑处理，以得到平滑连续的曲面。通过检查并消除颈椎和肌肉结构之间的干涉，最终得到颈椎、肌肉和皮肤的曲面模型。这样的处理使得模型更加真实、准确，能够反映出颈部的解剖结构形态和连续性。

S2：基于所述颈椎几何模型，对椎体，椎间盘，韧带及覆膜有限元建模，包括网格划分，材料属性，连接关系赋予等，得到高生物逼真度的人体颈椎有限元模型，具体步骤如下：

S21：参照附图3(a)所示，颈椎C1至C7椎体采用四节点四边形壳单元模拟皮质骨，采用四节点四面体单元模拟松质骨，所述椎体皮质和松质骨之间采用共节点连接；使用四节点四边形壳单元模拟颈椎C1至C7的皮质骨，并使用四节点四面体单元模拟颈椎的松质骨。椎体皮质和松质骨之间采用共节点连接，以实现颈椎结构的连续性和完整性。

S22：参照附图3(b)所示，颈椎椎间盘采用八节点六面体单元模拟，分别在C1和C2，C2和C3，C3和C4，C4和C5，C5和C6，C6和C7椎体上下端面之间建立两层六面体单元，所述椎间盘和椎体之间采用共节点连接；选中内部两圈单元作为椎间盘内部髓核，其余部分作为外部纤维环，在纤维环外表面建立一层共节点的壳单元用于接触；使用八节点六面体单元模拟颈椎椎间盘。在C1和C2、C2和C3、C3和C4、C4和C5、C5和C6、C6和C7椎体上下端面之间建立两层六面体单元来表示椎间盘。选中内部两圈单元作为椎间盘内部髓核，其余部分作为外部纤维环。在纤维环外表面建立一层共节点的壳单元用于接触。这样的建模方式可以准确地模拟颈椎椎间盘的解剖结构和力学特性。

S23：参照附图3(a)所示，颈椎韧带和颈部覆膜采用四节点四边形壳单元模拟，所述颈部韧带包括3-2前纵韧带、3-8后纵韧带、3-3横突间韧带、3-7黄韧带、3-6棘间韧带、3-4关节囊韧带等；所述颈部覆膜包括3-1寰枕前膜、3-5寰枕后膜、等；韧带及覆膜和颈椎椎体之间采用共节点连接；是使用四节点四边形壳单元模拟颈椎韧带和颈部覆膜。颈部韧带包括3-2前纵韧带、3-8后纵韧带、3-3横突间韧带、3-7黄韧带、3-6棘间韧带、3-4关节囊韧带等。颈部覆膜包括3-1寰枕前膜、3-5寰枕后膜等。韧带及覆膜与颈椎椎体之间采用共节点连接。这样的建模方式可以准确地模拟颈椎结构的韧带支撑和覆盖结构。

S24：所述颈部椎体松质骨赋予*MAT_105材料，所述椎体皮质骨赋予*MAT_81材料，所述椎间盘内部髓核赋予*MAT_12材料，所述椎间盘外部纤维环赋予*MAT_83材料，所述颈椎韧带和颈部覆膜赋予*MAT_34材料，用于接触的附着在体单元表面的壳单元赋予*MAT_9材料；为不同部分的颈椎模型赋予适当的材料属性。颈部椎体的松质骨赋予*MAT_105材料，椎体的皮质骨赋予*MAT_81材料。椎间盘内部髓核赋予*MAT_12材料，椎间盘外部纤维环赋予*MAT_83材料。颈椎韧带和颈部覆膜赋予*MAT_34材料，用于接触的附着在体单元表面的壳单元赋予*MAT_9材料。这些材料属性的分配可以准确描述不同颈椎结构的力学特性和行为，为颈椎仿真分析提供基础。

S3：基于所述颈部实体肌肉几何模型，对颈部18组被动肌肉有限元建模，包括基于Block-Controlled方法的的网格划分，材料属性，连接关系赋予等，得到高生物逼真度的人体颈部实体被动肌肉有限元模型，具体步骤如下：

S31：参照附图4所示，采用ANSYS ICEM CFD软件，导入单根肌肉几何的的STL文件，自动生成匹配肌肉几何的规则六面体Block，通过控制所述六面体Block对几何进行分区，包括切割、拉伸和平移等，并通过软件自动在Block内部生成高质量的纯六面体单元；使用ANSYS ICEM CFD软件，根据单根肌肉的STL文件自动生成匹配肌肉几何的规则六面体Block，并通过控制Block对几何进行分区，包括切割、拉伸和平移等。同时，软件自动在Block内部生成高质量的纯六面体单元，为颈椎肌肉有限元模型的建立提供了高质量的六面体网格结构。

S32：参照附图4所示，将所述六面体Block网格最外层节点映射到肌肉几何的表面，使得所述六面体Block网格和肌肉几何外形良好匹配，控制所述Block的边或整体的单元密度，可以快速有效地调整模型的单元数量；是将六面体Block网格最外层节点映射到肌肉几何的表面，使得六面体Block网格和肌肉几何外形良好匹配，并通过控制Block的边或整体的单元密度，可以快速有效地调整模型的单元数量。这样可以提高模型的几何精度和计算效率，从而使颈椎肌肉有限元模型更加准确。

S33：参照附图4所示，依次导入单根颈部肌肉的几何模型，包含4-1斜方肌，4-2胸锁乳突肌，4-3胸骨甲状肌，4-4胸骨舌骨肌，4-5肩胛舌骨肌，4-6肩胛提肌，4-7前斜角肌，4-8中斜角肌，4-9后斜角肌，4-10头最长肌，4-11颈最长肌，4-12头半棘肌，4-13颈半棘肌，4-14头后小直肌，4-15头后大直肌，4-16头下方肌，4-17头夹肌，4-18颈夹肌在内的18组颈部肌肉，并利用Block-Controlled方法生成六面体单元有限元模型，在所述肌肉实体单元外表面建立一层共节点的壳单元用于接触，检查并消除各肌肉有限元模型之间的干涉；依次导入18组颈部肌肉的几何模型，利用Block-Controlled方法生成六面体单元有限元模型，并在肌肉实体单元外表面建立一层共节点的壳单元用于接触。在建立完各肌肉有限元模型后，还需检查并消除它们之间的干涉，以保证模型的几何完整性和精确性。

S34：参照附图4所示，将颈部实体被动肌肉的上下止端通过一系列*ELEMENT_SEATBELT连接至骨骼上，模拟肌腱的附着效果。采用关键字*CONTACT_TIED_SHELL_EDGE_TO_SURFACE的绑定接触，实现外侧肌肉与皮肤之间的连接。这样可以准确地模拟颈部肌肉与骨骼、皮肤之间的相互作用，确保颈椎有限元模型的真实性和可靠性。

S35：所述颈部实体被动肌肉均赋予*MAT_77O材料，用于接触的附着在体单元表面的壳单元赋予*MAT_9材料；将颈部实体被动肌肉统一赋予*MAT_77O材料，用于接触的附着在体单元表面的壳单元赋予*MAT_9材料。这些材料属性的分配可以准确描述被动肌肉的力学特性和行为，为颈椎仿真分析提供基础。

S4：基于颈部肌肉的解剖学连接关系，建立主动肌肉有限元模型，通过对所述主动肌肉模型的材料设置和调整，实现颈部的主动肌肉效应，具体步骤如下：

S41：参照附图5所示，主动肌肉采用关键字*ELEMENT_BEAM的多段式1D梁单元模拟，所述梁单元节点位置通过实体肌肉的特征确定，所述实体肌肉的特征包括但不限于实体肌肉的长度、宽度、厚度、解剖学特征等；所述单根实体肌肉可创建多条互不相交的多段式1D主动肌肉梁单元。使用关键字*ELEMENT_BEAM的多段式1D梁单元模拟人体颈部主动肌肉的行为。所述梁单元节点位置通过实体肌肉的特征确定，这些特征包括长度、宽度、厚度、解剖学特征等。可以为单根实体肌肉创建多条互不相交的多段式1D主动肌肉梁单元，以准确地描述颈椎主动肌肉的形态和运动状态。

S42：参照附图5所示，所述多段式1D主动肌肉梁单元的上下止端通过共节点的方式连接至骨骼上；所述多段式1D主动肌肉梁单元的中间节点采用关键字*CONSTRAINED_INTERPLATION与对应的肌肉附着骨骼之间建立约束关系，模拟1D主动肌肉与骨骼的附着连接；是通过共节点的方式将多段式1D主动肌肉梁单元的上下止端连接至骨骼上，模拟颈椎主动肌肉与骨骼的附着连接。同时，将多段式1D主动肌肉梁单元的中间节点与对应的肌肉附着骨骼之间建立约束关系，以模拟1D主动肌肉与骨骼之间的附着连接。这种约束关系可以准确地描述人体肌肉与骨骼之间的力学作用。

S43：所述1D主动肌肉梁单元赋予*SECTION_BEAM属性，其中ELFORM参数选择为Truss，所述1D主动肌肉均赋予*MAT_156材料；所述*MAT_156材料中可以设置多种特性曲线，包括但不限于激活水平—时间曲线（ALM）、主动拉伸应力—拉伸比曲线（SVS）、应变率最大值—拉伸比因子曲线（SFR）、主动拉伸应力—归一化应变率曲线（SVR）、等距无量纲应力—拉伸比曲线（SSP）；通过对所述特性曲线的合理设置，可以实现对人体颈部主动肌肉效应的模拟。为1D主动肌肉梁单元赋予*SECTION_BEAM属性，其中ELFORM参数选择为Truss，同时为每条1D主动肌肉均赋予*MAT_156材料。所述*MAT_156材料中可以设置多种特性曲线，包括但不限于激活水平—时间曲线（ALM）、主动拉伸应力—拉伸比曲线（SVS）、应变率最大值—拉伸比因子曲线（SFR）、主动拉伸应力—归一化应变率曲线（SVR）、等距无量纲应力—拉伸比曲线（SSP）。通过对所述特性曲线的合理设置，可以实现对人体颈部主动肌肉效应的模拟。这可以进一步提高颈椎有限元模型的准确性和真实性，从而更好地模拟颈椎的生理和力学行为。

S5：基于所述颈部表皮几何模型和颈部实体肌肉的相对位置，建立颈部表皮及皮下组织有限元模型；这些技术的结果能够实现高生物逼真度的人体颈部模型，从而有助于研究颈部相关问题、模拟颈部运动及力学行为，并进一步开发相关的医学应用和临床辅助决策工具，具体步骤如下：

S51：颈部皮肤采用四节点四边形壳单元模拟表皮；基于颈部皮肤表皮几何，通过缩放变形的方法，生成包裹颈部实体肌肉的内包络面，在颈部表皮和内包络面之间建立颈部皮下组织，采用八节点六面体单元模拟；

S52：所述颈部表皮和皮下组织间采用共节点连接，所述皮下组织内表面和颈部实体肌肉之间采用关键字*CONTACT_TIED_SHELL_EDGE_TO_SURFACE建立绑定接触关系；所述颈部表皮赋予*MAT_34材料，所述颈部皮下组织赋予*MAT_181材料。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。