汽車碰撞事故中頭頸部損傷模型的構(gòu)建與驗證*

胡　敏羊　玢,2,3肖　峰袁云康梅永存

（1.南京林業(yè)大學(xué)，南京210018；2.湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計制造國家重點實驗室，長沙410082；3.新加坡國立大學(xué)，新加坡117576）

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汽車碰撞事故中頭頸部損傷模型的構(gòu)建與驗證*

胡敏1羊玢1,2,3肖峰1袁云康1梅永存1

（1.南京林業(yè)大學(xué)，南京210018；2.湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計制造國家重點實驗室，長沙410082；3.新加坡國立大學(xué)，新加坡117576）

【摘要】建立了基于中國人體特征的50百分位男性頭頸部有限元模型，該模型具有詳細(xì)解剖學(xué)結(jié)構(gòu)，尺寸精度較高；基于國外經(jīng)典的尸體碰撞試驗數(shù)據(jù)，對該頭頸部有限元模型進(jìn)行了有效性驗證，并利用該模型模擬了兩種典型面部碰撞交通事故案例。結(jié)果表明，所建立模型具有較好的生物逼真度，能夠正確反映碰撞過程中顱內(nèi)生物力學(xué)響應(yīng)，可用于研究汽車碰撞事故中頭頸部損傷機(jī)理及損傷評估等工作。

1　前言

交通損傷一直是威脅人類安全的主要社會因素之一，其中頭部損傷因其致命性較高而成為最嚴(yán)重的交通損傷，因此，研究汽車碰撞過程中頭頸部損傷機(jī)理對于汽車安全性設(shè)計具有重要意義［1］。

目前，研究頭部生物力學(xué)響應(yīng)的主要手段包括動物模型試驗、物理模型試驗、尸體試驗等［2～5］，但由于這些模型存在著各種各樣的局限性，使得有限元模型逐漸成為研究頭頸部損傷生物力學(xué)的重要工具［6］。當(dāng)前行人交通碰撞事故中面部損傷和創(chuàng)傷性腦損傷是頭部有限元模型仿真研究的熱點，Nyquist等人［7］對11具尸體進(jìn)行了面部碰撞試驗，但只針對鼻骨處碰撞進(jìn)行了研究；All?sop等人［8］針對人體頭部顴骨和上頜骨進(jìn)行了碰撞研究，但試驗結(jié)果只給出了沖擊力-位移曲線，并沒有針對骨折類型進(jìn)行分析報道。

針對以上問題，構(gòu)建了符合中國人體特征的50百分位頭頸部有限元模型，并基于國外不同時期經(jīng)典的尸體試驗數(shù)據(jù)［9～11］對模型進(jìn)行了驗證與修正，通過碰撞案例分析了所建模型用于研究汽車碰撞過程中頭頸部損傷機(jī)理的可行性。

2　頭頸部有限元模型的構(gòu)建

2.1幾何模型

通過對1個符合中國人體特征的50百分位成年男性頭部進(jìn)行的斷層掃描（computed tomography，CT）及磁共振（magnetic resonance imaging，MRI）掃描獲取了頭部顱骨組織幾何信息，將CT和MRI掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入到醫(yī)學(xué)建模軟件Mimics中，根據(jù)各組織結(jié)構(gòu)閾值范圍，調(diào)節(jié)合適的灰度值進(jìn)行各組織輪廓邊界的分割提取，最后運用三維重構(gòu)技術(shù)建立頭頸部三維幾何模型，包括頭骨、面部骨骼、竇、大腦、小腦、大腦白質(zhì)、灰質(zhì)、腦室系統(tǒng)、中腦、腦干和腦脊液等，如圖1所示。

圖1　頭頸部三維幾何模型

2.2有限元模型

將頭頸部幾何模型導(dǎo)入軟件Hyperworks中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在網(wǎng)格生成器HyperMesh中使用陣面推進(jìn)法填充表面四面體單元限定的封閉區(qū)域。最終建立的有限元模型包含327 536個節(jié)點和1 337 903個線性四面體單元，網(wǎng)格平均邊緣長度為1.57 mm，縱橫比為1.61，如圖2所示。

圖2　頭頸部模型網(wǎng)格劃分

2.3材料參數(shù)

根據(jù)文獻(xiàn)［11］、［12］相關(guān)研究結(jié)果設(shè)置所建立頭頸部模型中各組織的材料屬性，如表1所列。

表1　頭頸部模型各組織材料屬性

2.4頭頸部模型接觸條件定義

顱骨與腦組織的相對運動描述是顱腦有限元模型研究的重點。早期的有限元模型在模擬顱腦交界面時主要采用3種方式：一種是用相同節(jié)點代表顱骨和腦組織兩種結(jié)構(gòu)［13］，這種方法能較好地模擬壓力梯度分布，但是難以描述顱骨與腦組織界面的相對運動；第2種是將腦脊液層定義為低剪切模量的薄層材料［14］，但此方法易出現(xiàn)計算不能收斂的情況；第3種方式采用滑動不分離算法定義顱骨與腦組織的接觸界面，這種定義方式可使在碰撞時顱腦與顱骨之間不會出現(xiàn)間隙，可以模擬碰撞點對側(cè)（contre-coup）的負(fù)壓力，但必須再定義腦組織與顱骨之間的摩擦因數(shù)來模擬旋轉(zhuǎn)加速度由顱骨傳遞至腦組織的情況。

所建立的頭頸部模型中，硬腦膜附著在內(nèi)顱表面，軟腦膜附著在腦組織上表面，硬腦膜與軟腦膜之間為腦脊液層，腦組織與顱骨之間的接觸界面采用滑動不分離算法，參考相關(guān)文獻(xiàn)定義滑動摩擦因數(shù)為0.2。其它顱內(nèi)組織、顱骨、軟骨和牙齒之間的連接均采用網(wǎng)格固連（tie-constraints）的面面接觸方式。

3　頭頸部有限元模型驗證

3.1Nahum尸體試驗

Nahum等人［8］以未經(jīng)防腐處理的人類尸體作為試驗樣本進(jìn)行了撞擊頭部前額的試驗。試驗中使用帶有墊片的剛性圓柱體沖擊器以恒定初速度對額骨部位進(jìn)行正面撞擊，為使沖擊器的初速度通過頭部質(zhì)心時不引起頭部的偏轉(zhuǎn)，頭部被向前傾斜安裝，如圖3所示。碰撞時間持續(xù)0.015 s，最大碰撞力發(fā)生在0.004 s，輸入力與時間函數(shù)的關(guān)系如圖4所示。

圖3　Nahum試驗中的碰撞方向示意

圖4　輸入力與時間函數(shù)曲線

參照Nahum試驗條件，對所建立的頭頸部模型進(jìn)行了碰撞仿真，得出顱內(nèi)4個典型位置（碰撞側(cè)，碰撞點對側(cè)，上、下枕骨）的壓力-時間曲線，并與Nahum試驗結(jié)果進(jìn)行了對比，如圖5和表2所示。由圖5和表2可知，Nahum試驗中，沖擊側(cè)壓力最大峰值為180 kPa，出現(xiàn)在0.004 s左右，而仿真中頂骨壓力為正，呈壓縮模式，最大壓力為162 kPa，出現(xiàn)在0.004 5 s左右，比試驗值稍小；而碰撞點對側(cè)仿真壓力為負(fù)，呈拉伸模式，壓力峰值為-58 kPa，出現(xiàn)在0.003 8 s左右，而試驗中壓力峰值為-62 kPa，出現(xiàn)在0.004 5 s左右。試驗結(jié)果表明，碰撞側(cè)、碰撞點對側(cè)、下枕位置的仿真結(jié)果與試驗結(jié)果吻合度較好，均沒有超過允許范圍的20％；上枕位置仿真峰值壓力與試驗結(jié)果差異較大，主要是由于有限元模型材料參數(shù)定義與真實人體頭部組織材料屬性不同導(dǎo)致。

圖5　仿真與Nahum試驗顱內(nèi)典型位置壓力-時間曲線對比

表2　各碰撞位置顱內(nèi)壓力峰值對比結(jié)果

3.2Trosseille尸體試驗

Trosseille等人［9］使用質(zhì)量為23.4 kg的沖擊器以不同初速度對3個尸體標(biāo)本的前額、面部和胸部進(jìn)行了碰撞試驗。本文只選取Trosseille試驗中的面部沖擊試驗（編號MS428-2）并參照其試驗條件進(jìn)行仿真分析，試驗時沖擊器的沖擊速度為7 m/s。仿真中定義顱骨為剛體，將頭部質(zhì)心獲得的加速度加載在剛性顱骨上，因為碰撞發(fā)生在正中矢狀面上，因此仿真中將Trosseille試驗得到的X軸、Z軸的平移加速度和Y軸的旋轉(zhuǎn)加速度作為輸入條件（圖6）。將仿真獲得的額部、顳部以及枕部壓力值與試驗值進(jìn)行了對比，如圖7和表3所示。

圖6　Trosseille試驗中的碰撞方向及加速度曲線

圖7　各碰撞位置壓力仿真結(jié)果與Trosseille試驗結(jié)果對比曲線

由圖7和表3可知，仿真額部壓力峰值出現(xiàn)在0.010 s，峰值為86 kPa，試驗峰值出現(xiàn)在0.012 s，峰值為84 kPa，仿真峰值出現(xiàn)的時間比試驗時提前0.002 s，峰值誤差為2.4％，未超過20％的允許范圍，表明額部壓力仿真結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好；顳部壓力峰值和枕部壓力峰值與試驗峰值相差較大，其它文獻(xiàn)中也出現(xiàn)過類似情況［15］，可能是因為仿真模型與尸體試驗樣本個體之間存在差異，而且模型中腦脊液（CSF）用低剪切模量的實體單元進(jìn)行建模，不能準(zhǔn)確反應(yīng)固-液界面處的壓力分布以及相互作用。

表3　各碰撞位置壓力峰值仿真結(jié)果與Trosseille試驗結(jié)果對比

3.3Hardy尸體試驗

Hardy等人［10］利用相關(guān)的測量傳感器進(jìn)行了尸體頭部沖擊試驗。試驗中，將兩列6個檢測標(biāo)示物植入到顳骨-頂骨和枕骨-頂骨區(qū)域，每個標(biāo)示物間距約為10 mm，利用一個直徑為152 mm的沖擊器以2～4 m/s的速度撞擊枕部。碰撞過程中，頭部標(biāo)示物的運動由高速X光攝影系統(tǒng)捕捉，利用新型傳感器測量沖擊過程中顱腦相對運動的位移量。

參照Hardy尸體試驗條件進(jìn)行碰撞仿真試驗，頭部標(biāo)示物位置如圖8所示，兩列標(biāo)識物中，前部標(biāo)識物NDTa植于顳骨-頂骨區(qū)域，后部標(biāo)識物NDTp植于枕骨-頂骨區(qū)域，都在大腦的右半球。仿真結(jié)果顯示，大部分的大腦運動圖像呈現(xiàn)“8”和“∞”兩種模式，顱腦相對運動距離≤6 mm，與試驗結(jié)果基本吻合。

圖8　頭部標(biāo)識物位置以及仿真中測量點位移模式

上述試驗表明，所建立的頭頸部模型具有較高的生物逼真度，能夠正確反映在碰撞過程中人體顱內(nèi)生物力學(xué)響應(yīng)，因此該模型可用于汽車碰撞中頭頸部損傷機(jī)理的研究。

4　面部碰撞損傷案例分析

模擬面部正面碰撞和側(cè)面碰撞兩種場景，使用一個3.2 kg、直徑為28.66 mm的圓柱形剛體沖擊器，分別對面部正面和側(cè)面進(jìn)行碰撞仿真，沖擊速度為2.5 m/s。通過仿真模擬獲得兩種碰撞條件下應(yīng)力波在頭頸部傳播情況，如表4所列。

表4　不同碰撞條件下人體頭部應(yīng)力傳播情況

由表4可知，正面碰撞案例中，應(yīng)力先是集中在撞擊位置，然后從前鼻骨向后移動，約1.6 ms后穿過犁骨傳播到蝶骨和枕骨大孔，最終到達(dá)頸部。由于模型底座是固定的，在下頸部引發(fā)一些局部應(yīng)力，根據(jù)斷裂理論，在鼻骨周圍可能存在骨折風(fēng)險。側(cè)面碰撞案例中，應(yīng)力波主要通過上頜腭和上頜竇向蝶骨傳播，最大應(yīng)力集中在顴骨處，為244.69 MPa，而且在顴骨額突、上頜骨和顴眶表面還呈現(xiàn)局部應(yīng)力集中，導(dǎo)致頭骨額區(qū)和大腦額部之間產(chǎn)生較大的相對位移，應(yīng)力會集中在大腦的前額部和顳部處，隨后向枕部傳播。

通過兩種碰撞場景的仿真試驗可知，面部碰撞的位置和方向是導(dǎo)致面部骨折位置和嚴(yán)重性的關(guān)鍵因素，也決定腦損傷的部位和嚴(yán)重程度，面部外傷中的骨折在一定程度上都與腦損傷有關(guān)，即利用該模型進(jìn)行仿真試驗?zāi)軌蛘_反映在汽車碰撞過程中顱內(nèi)生物力學(xué)響應(yīng)，可用于碰撞過程中顱腦損傷評估等相關(guān)工作。

5　結(jié)束語

以CT和MRI數(shù)據(jù)為依據(jù)，建立了基于中國人體特征的50百分位男性頭頸部有限元模型，基于Na?hum、Trosseille和Hardy等人的經(jīng)典尸體試驗數(shù)據(jù)對有限元模型進(jìn)行了有效性驗證。模擬了兩種典型面部碰撞交通事故場景，獲得了顱內(nèi)應(yīng)力波傳遞和von Mises應(yīng)力等生物力學(xué)響應(yīng)參數(shù)分布規(guī)律，通過對比頭部損傷閾值，可預(yù)測和評判面部碰撞引起的創(chuàng)傷性腦損傷。本文所建立的有限元模型具有詳細(xì)解剖學(xué)結(jié)構(gòu)，尺寸精度高，有較好的生物逼真度，能夠正確反映碰撞過程中顱內(nèi)生物力學(xué)響應(yīng)，對于研究碰撞造成的人體頭頸部損傷機(jī)理及制定損傷評判標(biāo)準(zhǔn)具有參考價值。

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（責(zé)任編輯文楫）

修改稿收到日期為2016年1月29日。

主題詞:汽車碰撞頭頸部模型損傷機(jī)理

Construction and Validation of the Head-neck Injury Finite Element Model in Vehicle Crash Accident

Hu Min1, Yang Bin1,2,3,Xiao Feng1, Yuan Yunkang1, Mei Yongcun1
（1. Nanjing Forestry University, Nanjing 210018; 2. State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacture for Vehicle Body, Hunan University, Changsha 410082; 3. National University of Singapore 117576）

【Abstract】In this research, a 50th percentile male head-neck finite element model based on the Chinese human body characteristic is constructed, this model has detailed anatomy structure with high dimensional precision; effectiveness of this finite element model is verified based on the classical cadaver crash test data abroad, that simulates two typical frontal crash accident cases. The results show that the head-neck model had a good biofidelity, which can accurately reflect encephalic biomechanical response during vehicle crash, and can be applicable to the research on head- neck injury mechanisms and injury evaluation in vehicle crash accident.

Key words:Vehicle crash, Head-neck model, Injury mechanism

*基金項目:中國博士后科學(xué)基金資助項目（2015M572243）、湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計制造國家重點實驗室開放基金資助（31415008）。

中圖分類號:U461.91

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1000-3703（2016）04-0057-06