[发明专利]一种用于拦阻着舰过程的飞行员心肺系统仿真建模方法

说明书

本发明公开了一种适合于拦阻着舰过程的飞行员心肺系统建模与仿真方法，属于加速度生理和损伤防护领域；包括了心肺及胸骨肋骨的有限元建模；首先，在合理简化的基础上建立包含心脏、肺和胸骨肋骨的几何模型；然后，采用优化的网格划分方法对心肺和胸骨肋骨进行网格划分，获得心肺和胸骨肋骨的有限元模型；最后，设置求解器的求解过程参数、求解器选项和输出选项，进行模型求解。本发明鉴于人体心肺系统在生物力学上的复杂性，可实现飞行员心肺和胸部骨骼的快速简化建模，并用于对典型拦阻着舰过程中的飞行员心肺系统损伤风险进行评估等；而且所针对的拦阻着舰过程会产生典型的持续性载荷，载荷作用时间大于4.0秒。

技术领域

本发明属于加速度生理和损伤防护领域，具体涉及航空航天医学、生物力学和有限元模型建模方法等领域，具体是一种用于拦阻着舰过程的飞行员心肺系统仿真建模方法。

背景技术

舰载机飞行员在拦阻着舰过程中会受到较高水平的-Gx过载，可能引起飞行员心肺功能损伤，如文章：张选斌，唐勇，岳洪梅.±Gx加速度对航母舰载机飞行员的影响及防护对策[J].人民军医,2013,56(10):1124-1125.中记载：过载时人体胸部骨骼结构与软组织发生压缩变形，使胸腔容积缩小，而胸腔的这种变形会引起肺脏气血分离，肺活量减小，轻微时可能致使飞行员产生呼吸困难，呼吸频率升高，严重时会导致飞行员缺氧休克，甚至肺损伤(胸痛、咳血和气胸等)；同时，过载会导致心脏内的压力骤然上升，心率和血压显著增加，容易引起眩晕和紧张，影响飞行员的特情处置能力，严重时还可能诱发心脏挫伤、心脏撕裂等伤害，危及生命安全。

当过载消除后胸部骨骼及软组织产生回弹，使胸腔内产生负压，负压产生的应力波会导致原损伤区的二次损伤。由于心肺系统及周围组织结构复杂，目前国内外对过载导致的心肺损伤的研究主要集中在基于实验的病理学研究，如文献1：费军,吴斌等.多层螺旋CT在+Gx作用致猴多器官损伤研究中的应用[J].航天医学与医学工程,18(5),2005:334-335；文献2：郝俊峰,吴斌,赵德明,宁章勇,王传武,秦秀慧.高+Gx过载作用对恒河猴肺脏的影响[J].中国兽医学报,25(4),2005:400-402；以及文献3：吴斌,刘兴华,阚广捍,田向东,赵德明,姜世忠.高+Gx作用对猴肺脏的病理学影响[J].航天医学与医学工程,17(6),2004:397-401；上述公开的文献记载，研究结论主要是一些组织学水平的定性描述；

目前国内外也有对过载导致的心肺损伤建模研究，如文献4：周杰.爆炸冲击波作用下的人体创伤及泡沫材料对冲击波的衰减机理研究[D].南京：南京理工大学,2014；文献5：蔡志华.汽车碰撞中胸部生物力学响应与损伤评估研究[D].广州：华南理工大学,2013；以及文献6：王方.人体胸部有限元建模及其在车辆碰撞中的损伤生物力学研究[D].长沙：湖南大学,2014.都是针对冲击载荷下人体心肺损伤的建模方法研究，在适用于舰载机拦阻着舰过程的心肺系统生物力学建模仿真方面还存在欠缺。

而且现有的心肺系统建模方法都是针对冲击载荷开展的，载荷作用时间小于1.0秒，用于研究拦阻着舰过程中的持续性载荷时效率低、耗时长，无法满足实际应用需求。在针对拦阻着舰过程中飞行员人体心肺系统快速建模方法上目前存在空白。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种用于拦阻着舰过程的飞行员心肺系统仿真建模方法；可以较为快速地建立一套包含人体心脏、肺和胸部主要骨骼的有限元模型，进一步用于拦阻着舰过程中人体心肺系统的生物力学响应研究，获得舰载机拦阻着舰过程产生的持续性-Gx过载对飞行员心肺器官的生物力学影响，为深入理解过载与心肺系统损伤的相关性提供技术支持。

具体实施步骤包括：

步骤一、建立包含心脏、肺、胸骨和肋骨的几何模型，进行平滑处理后分别转化成若干数值曲面片导出；

具体操作过程包括：

步骤101、对中国成年男性的CT扫描图像进行分割，分别获得心脏、左肺、右肺、胸骨和肋骨的几何轮廓模型；