行人汽車碰撞損傷研究中的人體頭部有限元建模方法

王群　范李暉　王娟　李美瑩　顏瀟　童燮　羊玢　吳廖華

摘要：為了研究行人汽車碰撞事故中人體頭部的生物力學(xué)響應(yīng)和損傷機理，建立了一種具有詳細解剖學(xué)特征的人體頭部有限元模型，并且基于國外經(jīng)典尸體模型實驗，驗證新建模型的生物逼真度。結(jié)果表明，該模型能有效地模擬汽車碰撞事故，為車輛碰撞事故中人體頭頸部損傷安全防護裝置研制提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：汽車碰撞，頭部有限元模型，損傷生物力學(xué)

中圖分類號： R641 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）05（a）-0000-00

0前言

在發(fā)生交通事故時，頭部損傷因其致命性已成為最嚴重的交通損傷。對人體頭部的損傷研究能有效提高對其的防治水平。近年來，在損傷研究領(lǐng)域，頭部有限元分析法得到了較大的發(fā)展，多種有限元模型相繼被建立[1-2]。精確的人體頭部有限元模型進行的動力分析和預(yù)測性計算對研究顱腦損傷機理有重要的參考價值，具有很強的實用性和經(jīng)濟性。

1人體頭部有限元模型的建立

1.1有限元模型構(gòu)建的總體框架

本研究提出了具有人體解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的頭部有限元模型的構(gòu)建過程。模型幾何數(shù)據(jù)來源于50百分位成年男性人體的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)尺寸。模型建立整個過程可以大致分成圖像采集、數(shù)字圖像預(yù)處理、三維重建、有限元模型建立等幾個主要步驟。

1.2人體頭部有限元模型的建立步驟

1.2.1圖像采集

對所要研究的顱腦進行斷層掃描（CT）和核磁共振掃描（MRI），獲得斷層圖像；通過斷層掃描獲得的橫斷面圖像準確，圖像清晰，有很高的密度分辨率，能夠較好地顯示骨結(jié)構(gòu)，即使是緊湊型和松質(zhì)的骨組織CT 成像也有效，但其中以自動化的強度為基礎(chǔ)的分割算法不適用于區(qū)分 CT 圖像中的各種軟組織。所以對軟組織細節(jié)采用核磁共振掃描，獲得的硬膜內(nèi)神經(jīng)結(jié)構(gòu)顯示良好，可以形成物體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)圖像。

1.2.2數(shù)字圖像預(yù)處理

將得到的斷層圖像導(dǎo)入到Mimics軟件中，對圖像進行預(yù)處理，包括濾波、分割、輪廓提取等步驟，得到點云圖像。

1.2.3三維重建

將顱腦組織的點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Geomagic Studio中，對點云數(shù)據(jù)進行參數(shù)化處理，生成曲面，再對曲面進行擬合；在對曲面進行擬合前，需先檢測生成的曲面，去除曲面上的噪聲點和重復(fù)點，然后用三次貝塞爾（Bezier）曲線擬合各個曲面得到三維實體模型。最后生成的頭部三維實體模型，包括面顱骨骼、面部軟組織、顱頂皮膚、顱骨、硬腦膜、大腦半球皮質(zhì)、白質(zhì)、以及腦室系統(tǒng)、頸部軟組織、T1胸椎、C7以上椎體椎間盤及相應(yīng)節(jié)段頸髓。

1.2.4有限元模型建立

首先設(shè)置合適的人體頭部三維實體模型的單元體類型，然后對其進行網(wǎng)格劃分。選擇的單元體類型為四面體單元，因為其對于高度復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)有很好的適應(yīng)性，所以更加適用于離散化。最終，我們建立的頭部有限元模型單元體個數(shù)為1，337，903個，節(jié)點個數(shù)為327，536個，單元平均長度為1.57mm，單元平均縱橫比為1.61，特別的是大約兩到三層四面體單元網(wǎng)格被用來模擬顱骨和腦組織之間的腦脊液。

頭部有限元模型的大腦組織采用與大變形理論相結(jié)合的線性粘彈性材料，腦脊液（CSF）層采用低剛度、低剪切模量的線彈性的實體單元材料，頭骨和其他骨骼組織，如軟骨，牙齒以及頸椎是用線彈性、各向同性的材料，材料屬性參考相關(guān)文獻。最終完成的人體頭部的詳細結(jié)構(gòu)模型重量為 4.73 千克，與真實人體模型重量接近，達到了有限元建模目的。

2有限元模型驗證

2.1Nahum等人顱內(nèi)壓力（ICP）實驗

Nahum[3]在 1976 年對未經(jīng)過防腐處理的人類尸體進行了頭部前額的撞擊實驗，以此檢驗尸體用于研究頭部碰撞損傷的可行性。在本實驗中，用帶有墊片的剛性圓柱體沖擊器以恒定的初速度對額骨進行正面撞擊。為了使沖擊器的初速度通過頭部的質(zhì)心，從而避免引起頭部的偏轉(zhuǎn)，頭部被向前傾斜安裝，水平面與法蘭克福平面成45度，沖擊的速度范圍為4.36 m/s -12.95 m/s。

實驗結(jié)果如圖1所示，結(jié)果表明：本次仿真的結(jié)果不論從曲線的趨勢還是峰值的數(shù)量級上，均與實驗值保持較好的一致性，即表明新建的有限元模型具有較高的生物逼真度，可應(yīng)用于汽車碰撞的分析模擬。

3結(jié)論

本文研究了用于汽車碰撞損傷分析的精確的人體頭部有限元模型的建立方法，通過對人的頭部進行CT和MRI結(jié)合的醫(yī)學(xué)成像導(dǎo)入到Mimics軟件，再對圖像進行預(yù)處理得到顱腦點云數(shù)據(jù)，將點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Geomagic Studio中，然后對其進行逆向處理即可得到三維實體模型，最后進行單元體類型的確定、網(wǎng)格的劃分、組織材料特性參數(shù)的研究以及邊界條件的定義。驗證結(jié)果顯示，此模型與真實的人體頭部結(jié)構(gòu)相比，具有更高的生物逼真度，可以廣泛應(yīng)用于實際碰撞中的損傷分析。

參考文獻：

[1] Ruan JS， Khatil TB， King AI. Finite element modeling of direct head impact [C] // Proceedings of 37th Stapp Car Crash Conference， San Antonio， USA： Society of Automotive Engineers （SAE）， 1993： 69-81.

[2] Zhou C， Khalil T， King A. A new model comparing impact responses of the homgeneous and inhomogeneous human brain [J]. Stapp Car Crash J. 1995， 39：121-137.

[3] Nahum A， Smith R， Ward C. Intracranial pressure dynamics during head impact [C]. Paper presented at： Proceedings of the 21st Stapp Car Crash Conference， Warrendale， PA. SAE Paper 770922， 1977： 339-366.