碰撞位置對行人頭部生物力學模型損傷影響

呂曉江，馬正偉，劉衛國，陳吉清，周大永，馮擎峰

（1. 浙江吉利汽車研究院有限公司，浙江，杭州 311228；2. 華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣東，廣州 510641；3. 浙江省汽車安全技術研究重點實驗室，浙江，杭州 311228）

在交通事故中，頭部損傷是最為常見的損傷類型，是造成人類重傷或者死亡的主要原因。根據世界衛生組織統計數據表明，在道路交通中弱勢道路使用者占總死亡人數中的50%，其中行人占總死亡人數中的22%[1]。在中國，由于混合式交通狀況嚴重，行人受到的威脅更大。根據2010年統計數據，在中國，行人死亡占所有交通死亡人數的25%，共計689 996人[2]，因此進行行人損傷尤其是行人頭部損傷的研究具有重要的現實意義。目前世界上評價行人頭部損傷大多采用符合歐洲車輛安全促進委員會標準的（European Enhanced Vehicle-Safety Committee，EEVC）行人頭部碰撞沖擊器，以HIC15標準進行評價。然而，該評價標準由于僅考慮平移加速度的影響，對于人體頭部生物力學其它性能未能良好體現；此外該沖擊器幾何尺寸等方面并不適合中國人體特征，對研究中國行人碰撞安全問題具有一定的局限性。

本文以具有中國50百分位人體特征的頭部損傷生物力學模型為基礎，通過對比EEVC行人頭部碰撞沖擊器，對行人頭部顱骨、顱腦損傷進行研究，為我國行人保護安全開發相關標準制定及交通事故重建提供一些參考。

1 頭部生物力學模型

1.1 頭部損傷類型及機理

頭部損傷主要分為顱傷及腦傷兩大類。顱傷主要形式為面部軟組織損傷以及面顱、頭顱骨折。顱骨骨折分為凹陷性骨折和線性骨折，與行人有關的顱骨骨折主要和顱骨碰撞點以及接觸范圍有關，當顱骨碰撞區域較小時發生凹陷性骨折，這是由于碰撞點受力集中，能量通過局部骨折吸收；當碰撞區域較大時，能量擴散，頭頂部的沖擊易于在遠離沖擊點處產生較寬的線性骨折[3]。顱骨不同部位骨折時耐受限度見表1[4]。

表1 顱骨不同部位骨折時耐受限度

腦損傷主要形式為集中性腦損傷及彌漫性腦損傷。集中性腦損傷表現形式有硬膜外血腫、硬膜下血腫、蛛網膜下出血、腦內血腫及腦挫裂傷等；彌漫性腦損傷表現形式有腦震蕩、彌散性軸突損傷。在交通事故中顱腦損傷主要是由動態載荷造成的。頭部與車輛的接觸碰撞會導致頭顱變形產生接觸力，頭部所受的接觸力產生應力波，隨著應力波在顱腦內傳播，在撞擊側產生正壓力，在對撞側產生負壓力從而形成壓力梯度，這樣的機理使顱內壓縮并產生了局部集中性腦損傷，表現形式為腦挫裂傷[5]。另一種情況是頭部受慣性力作用會引起頭部加速或減速運動，研究表明平移加速度是造成集中性腦損傷的主要原因，旋轉加速度是造成彌漫性腦損傷的主要原因[6-7]。

1.2 頭部生物力學模型

本文采用的頭部損傷生物力學模型由華南理工大學主導開發完成。幾何模型來自中國成年男性志愿者CT斷層掃描圖片，并通過網格劃分、材料參數設置等完成模型的建立。模型總質量4.08 kg，描述了頭部主要解剖學特征，包括頭皮、顱骨、面骨、大腦鐮、腦幕、小腦鐮、軟腦膜、腦脊液、大腦、小腦和腦干等結構，如圖1所示[8]。

表2 人體頭部測量尺寸對比單位：mm

將頭部損傷生物力學模型與我國50百分位成年男性測量尺寸對比，由表2可知[9]，該生物力學有限元模型幾何尺寸與中國50百分位人體測量尺寸十分接近，因此該模型具有廣泛代表性。

表中，A指頭部兩耳屏間寬；B指頭長（枕后隆突點到眉間點距離）；C指頭最大長（眉間點至枕后點的直線距離）；D指頭全高（頜下點到顱頂點豎直高度）；E指頭圍長度（以眉間點為起點經枕后點至起點的圍長）；F指頭矢狀弧長（軟卷尺在正中矢狀面上測量從眉間點至枕外隆突點的弧長）；G指頭冠狀?。ㄔ诠跔蠲嫔蠝y量從一側耳屏點至另一側耳屏點的弧長）。

模型驗證基于Nahum尸體試驗[10]，通過對比仿真與試驗中接觸力、頭部質心加速度及顱內壓力曲線，仿真與試驗曲線數量級及峰值趨于一致，表明建立的頭部損傷生物力學模型能夠準確反映真實碰撞中人體顱內組織力學相應情況。

2 行人頭部損傷研究

2.1 分析模型建立

對某車型前端3D幾何模型進行幾何清理、網格劃分，網格單元基本尺寸為5 mm×5 mm，車輛前端有限元模型包括1 107 982個節點和1 115 218個單元。碰撞條件參考Euro-NCAP行人保護測試程序，頭部生物力學模型發射角度為65°，碰撞速度為40 km/h。在人車碰撞中，不同行人步態及行人與車輛的相對位置關系將導致不同頭部部位與車輛前端碰撞。根據行人頭部與車輛前端初始接觸位置不同將碰撞分析方案分為4種，見表3，將頭部生物力學模型質心沿65°沖擊方向對準同一目標點。

表3 分析方案

2.2 顱骨損傷分析

對于顱骨損傷評價，主要考慮顱骨骨折，評價標準參照表1顱骨不同部位骨折時耐受限度。

由圖2可知，不同碰撞位置顱骨接觸力-時間曲線整體趨勢一致，峰值差異較小，但方案四中曲線在0.005 s左右出現較大震蕩，這是由于顳骨與車輛前端接觸后，隨著頭部發生翻轉，面骨與車輛前端發生接觸并吸收部分碰撞能量所致。參考表1顱骨不同部位骨折時耐受限度，方案一最大接觸力5.9 kN，存在額骨骨折風險；方案二最大接觸力5.8 kN，根據陳興武等的研究，頂骨耐受限度為6.8～9.4 kN[11]，方案二低于頂骨破壞限值；方案三最大接觸力5.8 kN，低于枕骨的破壞限值；方案四最大接觸力5.9 kN，存在顳骨骨折風險?？梢婏B骨不同位置由于耐受限度不同，在同一目標點碰撞時會產生不同的損傷。在交通事故重構中也可以通過不同部位顱骨損傷程度來推算碰撞接觸力大小，并結合其它材料對人的運動姿態及交通狀況進行進一步分析。另外在方案四中由于面骨也與車輛前端發生接觸，也存在一定面骨骨折的風險。

EEVC 4.5 kg成人頭型與發動機罩外板碰撞后對比，如圖3所示。整體來看，方案一至方案四產生凹痕形態與EEVC試驗后類似，由于顱骨不同部位的幾何形狀不同，在發動機罩外板上產生略微不同的凹痕，方案一由于額骨近似半圓狀，與EEVC試驗結果較為一致。

2.3 顱腦損傷分析

2.3.1 顱內壓力

Ward等人的研究指出，當顱內壓力大于235 kPa，拉伸壓力達到-186 kPa，會導致嚴重傷害，在173～235 kPa之間，會產生中度損傷[12]。根據圖4所示，方案一額骨與車輛前端碰撞，碰撞側額葉呈現正壓力，碰撞對側枕葉呈現負壓力，最大壓力分布在額葉位置，壓力值為209.1 kPa，拉伸壓力為-187.8 kPa，存在腦挫裂傷風險。方案二頂骨與車輛前端碰撞，碰撞側頂葉呈現正壓力為221.5 kPa，碰撞對側枕葉及顳葉下部呈負壓力為-202.3 kPa，存在腦挫裂傷風險。方案三枕骨與車輛前端碰撞，碰撞側枕葉呈現正壓力為165.5 kPa，碰撞對側額葉呈現負壓力，最大壓力雖然未超出文獻給定限值，但從醫學角度來看，對腦的影響，枕骨的沖擊力造成的影響是很大的，主要是因為顱骨內部結構造成：顱骨底部凹凸不平，前面骨脊銳利，而且存在銳利的大小腦幕。所以，醫療上，在條件相同的情況下，枕部沖擊導致的腦傷較為嚴重。方案四顳骨與車輛前端碰撞，碰撞側右顳葉呈現正壓力，碰撞對側左顳葉呈現負壓力，但最大壓力并未出現在碰撞側及碰撞對側，而出現在右顳葉下部，接近不規則部位壓力值達到了344.9 kPa，存在嚴重腦挫裂傷風險。

2.3.2 顱內應力

Willinger等人的研究指出，當顱內等效應力達到15～20 kPa時，會導致腦震蕩的出現，而當顱內等效應力達到38 kPa，會導致嚴重的腦損傷[3]。根據圖5的結果，方案一、二顱內應力超出了限值范圍，存在較嚴重腦震蕩。方案三、四顱內應力在限值范圍內，存在腦震蕩風險。

2.3.3 HIC15

根據圖6計算出HIC15值為：方案一2 030.31；方案二1 410.51；方案三1 810.24；方案四1 575.67；EEVC成人頭部試驗1 554.39。由圖6可知，方案一、二、三、四合成加速度-時間曲線與EEVC成人頭部試驗趨勢一致。但方案一、二、三、四曲線存在不規則震蕩會引起HIC15值增加或減少，說明同一目標點不同顱骨碰撞位置HIC值差異較大。由于生物力學模型不是剛體，其運動和接觸的問題導致HIC值差異，主要受接觸力、變形和轉動力矩或轉動加速度等原因影響，這也就是說生物力學模型并不適用HIC 評價。

3 結論

本文利用頭部生物力學模型研究了行人與車輛前端碰撞的頭部損傷，得出以下結論。

（1）對顱骨損傷而言，在同一目標點進行碰撞時，由于顱骨碰撞位置不同，產生的顱骨損傷也不同。

（2）對顱腦損傷而言，利用顱內壓力及顱內應力可以為判斷集中性腦損傷及彌漫性腦損傷提供參考。

（3）本文頭部生物力學模型與EEVC頭部碰撞模型對比頭部合成加速度曲線趨勢一致，發動機罩外板變形接近，HIC15值隨著碰撞位置不同，存在較大差異。

References)

[1]World Health Organization. Global Status Report on Road Safety 2013：Supporting a Decade of Action [R].Switzerland：World Health Organization，2013.

[2]World Health Organization. Estimated Road Traffic Death Rate 2010[EB/OL]. (2013-7-18)http：//gamapserver.who.int/gho/interactive_charts/road_safety/road_traffic_deaths2/atlas.html.

[3]許偉. 車輛碰撞事故中頭部生物力學響應和損傷機理分析[D]. 長沙：湖南大學， 2007.

Xu Wei. A Study of Head Biomechanical Response and Injury Mechanisms in Vehicle Traffic Accidents [D].Changsha：Hunan University，2007. (in Chinese)

[4]Yang Jikuang. Review of Injury Biomechanics in Car-Pedestrian Collisions [J]. International Journal of Vehicle safety，2005，1(1/2/3)：100-117.

[5]施磊. 車輛碰撞事故中人體頭部生物力學響應仿真模擬研究[D]. 廣州：華南理工大學，2011.

Shi Lei. Study on Human Head Biomechanical Response and Simulation in Vehicle Collisions [D]. Guangzhou：South China University of Technology，2011. (in Chinese)

[6]LISSNER H，LEBOW M，EVANS F. Experimental Studies on the Relation Between Acceleration and Intracranial Pressure Changes in Man [J]. Surgery，Gynecology and Obstetrics，1960，18(1)：58-60.

[7]GENNARELLI T，THIBAULT L，OMMAYA A.Pathophysiologic Responses to Rotational and Translational Accelerations of the Head [C]// Proc of 15th Stapp Car Crash Conference，Detroit，USA：Society of Automotive Engineers，1972：296-308.

[8]蔡志華，蘭鳳崇，陳吉清，等. 汽車交通事故中頭部損傷評估模型的構建與驗證[J]. 汽車工程，2012，34(9)：782-786.

Cai Zhihua，Lan Fengchong，Chen Jiqing，et al. Construction and Validation of the Assessment Model for Human Head Injury in Vehicle Traffic Accident [J]. Automotive Engineering，2012，34(9)：782-786. (in Chinese)

[9]GB/T2428—1998. 成年人頭面部尺寸[S]. 北京： 國家質量技術監督局，1998.

GB/T2428—1998. Head-Face Dimensions of Adults[S].Beijing：General Administration of Quality Supervision，Inspection and Quarantine of the People's Republic of China，1998. (in Chinese)

[10]NAHUM A，SIMTH M D. An Experimental Model for Closed Head Impact Injury [C]// Proc of 20th Stapp Car Crash Conference，Dearborn：Society of Automotive Engineers，1976：785-814.

[11]陳興武，王慧君，趙衛東，等. 人頭部力錘沖擊試驗的生物力學研究[J]. 中國臨床解剖學雜志，2005，23(3)：298-302.

Chen Xingwu，Wang Huijun，Zhao Weidong，et al.Biomechanical Study on the Impact Tests Conducted on Human Head with Hammer [J]. Chinese Journal of Clinical Anatomy，2005，23(3)：298-302. (in Chinese)

[12]WARD C，THOMPSON R. The Development of a Detailed Finite Element Brain Model [C]// Proc of 19th Stapp Car Crash Conference，San Diego：Society of Automotive Engineers，1975：641-674.