基于兒童頭部有限元模型的顱內響應研究

崔世海，陳 越，阮世捷，李海巖（天津科技大學機械工程學院，天津 300222）

基于兒童頭部有限元模型的顱內響應研究

崔世海，陳 越，阮世捷，李海巖
（天津科技大學機械工程學院，天津 300222）

應用基于CT數據構建的3歲兒童頭部有限元模型，參照成人尸體實驗條件進行頭部撞擊仿真實驗，并將頭部顱內響應結果同尸體實驗以及6歲兒童頭部進行了對比分析.結果表明：顱骨剛度的增加會引起撞擊側顱內壓力減小、對撞側顱內壓力增大、腦組織von Mises應力減小以及腦組織最大剪應力減小，說明在同一沖擊載荷條件下，顱骨剛度的增加會使撞擊側的腦組織挫傷風險降低.根據研究結果，建議針對不同年齡段人群制定不同的腦損傷準則.

兒童頭部有限元模型；頭部撞擊；顱骨剛度；顱內響應

顱腦撞擊性損傷，在航天、交通、施工和生產有關事故中占有相當大的比例［1-2］.頭部在受到重物撞擊時有可能會發(fā)生顱骨骨折以及腦損傷，而腦損傷是致死與致殘的首要原因，特別是兒童與青少年［3］.顱內壓是導致腦挫裂傷、撕裂傷的直接原因［4］，顱內壓力耐受極限是Ward等［5］在動物、人尸體實驗和有限元模型的基礎上提出來的，Ward推薦的耐受值為：顱內壓力峰值超過235，kPa時大腦組織會發(fā)生嚴重損傷；顱內壓力峰值在173～235，kPa范圍內時大腦組織會發(fā)生中等程度傷害；顱內壓力低于173，kPa時大腦組織會發(fā)生輕微傷害或者無傷害.Willinger等［6］的研究認為：17，kPa是中等腦神經損傷發(fā)生的應力限值；33，kPa是嚴重腦神經損傷的限值.Roth等［7］應用3歲兒童頭部有限元模型重構25例兒童墜落事故，認為von Mises應力可用來預測兒童中度腦神經損傷，當腦組織應力超過11，kPa時發(fā)生神經損傷的概率為50%，.Zhang等［8］應用成人頭部有限元模型重構24例橄欖球運動員腦損傷事故，指出腦干區(qū)域的剪應力可用來預測輕度創(chuàng)傷性腦損傷.綜上所述，由于研究顱腦損傷的樣本年齡不同導致樣本的頭部尺寸和頭部材料有差異，不同研究者對顱腦損傷提出了不同的損傷閾值，但所有研究者都將顱內壓力、腦組織von Mises應力和剪應力等顱內響應作為評價腦損傷的重要指標.

為分析樣本年齡和頭部材料的差異對顱內響應的影響，本研究應用已構建的3歲兒童頭部有限元模型，參照成人頭部尸體實驗進行仿真實驗，輸出顱內壓力、腦組織von Mises應力和剪應力等顱內響應參數，并與成人尸體實驗的顱內響應結果進行對比分析，探討不同年齡段的頭部模型在同一載荷條件下顱內響應的差異性；對顱骨材料進行參數分析，研究顱骨彈性模量的變化對顱內響應的影響.

1 方 法

1.1 頭部有限元模型簡述

本研究基于無明顯腦損傷的3歲兒童頭部CT數據構建了具有詳細解剖學結構的3歲兒童頭部有限元模型［9］，并對腦組織深部結構做了較詳細的劃分，如圖1所示，該模型包括頭皮、顱骨皮質骨（內板和外板）、顱骨松質骨（板障）、顱骨骨縫、竇溝、面骨、顴骨、犁骨、上頜骨、下頜骨、牙齒、腦脊液、大腦白質、大腦灰質、小腦、腦干、腦室、海馬體、胼胝體、間腦、大腦鐮、小腦幕、硬腦膜、軟腦膜等組織結構.該模型除大腦鐮、小腦幕、腦膜等組織采用殼單元劃分以外，其他結構均采用六面體單元.整個頭部模型均采用共節(jié)點連接，總計71，232個體單元、5，300個殼單元和86，327個節(jié)點，模型總質量為2.797，kg，模型各部分材料參數的具體定義見表1［9］.

1.2 頭部碰撞仿真

圖1 3歲兒童頭部有限元模型Fig. 1 Finite element model of 3-year-old child head

表1 頭部模型材料參數Tab. 1 Material mechanical properties used in the head model

Nahum等［10］利用大量成人尸體頭部樣本進行沖擊實驗，研究了頭部顱內響應.通過與其對比發(fā)現，本研究的兒童頭部樣本與其中37號實驗的成人尸體頭部的尺寸最接近，具體尺寸參數見表2.因此，參考文獻［10］的方法，將37號尸體實驗給出的頭部前額接觸力-時間曲線（圖2（a））作為載荷加載到兒童頭部有限元模型的前額區(qū)域（圖2（b））.由于文獻［10］的實驗中并未給出撞錘緩沖材料參數，所以仿真模擬時無法予以考慮，故加載方式參考文獻［11］.

表23 歲兒童頭部模型與37號實驗的成人頭部尺寸對比Tab. 2Head size comparison of the 3-year-old child model and that of the adult in 37th experiment

由于尸體實驗匱乏，研究人員利用僅有的兒童和成人顱骨材料參數數據擬合出了不同年齡段人群的顱骨彈性模量，年齡跨度從5個月嬰兒到成人，顱骨彈性模量變化范圍為318～9，900，MPa［12］，為研究顱骨剛度對顱內響應的影響，本研究在顱骨厚度不變的情況下，將3歲兒童顱骨的彈性模量分別設置為7，050，MPa（增大50%）和2，350，MPa（縮減50%），設置后的顱骨彈性模量在文獻報道的數據變化范圍［13］之內，然后采用PAM-CRASH軟件分別進行仿真模擬，根據仿真結果討論顱骨彈性模量的變化對兒童顱內響應的影響.

圖2 兒童頭部碰撞仿真實驗設置Fig. 2 Impact simulation setup of the child FE head

2 結果與討論

將仿真實驗結果與6歲兒童頭部有限元模型仿真結果［14］和尸體實驗數據［10］進行對比.圖3所示為3歲、6歲、尸體實驗的頭部碰撞側顱內壓力曲線，其曲線峰值分別為0.42、0.19、0.14，MPa.碰撞側顱內壓力峰值隨著年齡的增長而減小，這是因為不同年齡段的人類顱骨剛度是不同的，顱骨的剛度是由顱骨的彈性模量與厚度決定的，從新生兒到成年，人類顱骨的厚度不斷加厚，顱骨彈性模量也會隨著年齡的增長而增長［7］.3歲兒童處于兒童頭部生長發(fā)育期的重要階段，其顱骨囟門及骨縫剛剛閉合，還處于脆弱階段，而6歲兒童的顱骨已經不存在囟門，骨縫也逐漸骨化，其顱骨密質骨的彈性模量已接近成人［15］，顱骨的厚度也比3歲兒童大［16］，所以6歲兒童的顱骨抵抗變形的能力要比3歲兒童強，從而其前額撞擊區(qū)域的顱內壓力就會比3歲兒童小.成人顱骨不論是厚度還是彈性模量都比兒童大，所以同一載荷條件下，其撞擊側顱內壓力比兒童小.

當顱骨的厚度保持不變時，將顱骨彈性模量設定為3個水平，分別為2，350、4，700和7，050，MPa，觀察彈性模量的變化對顱內響應的影響，具體的顱內響應結果見表3.

圖3 碰撞側顱內壓力曲線Fig. 3 Coup pressure curves

表3 不同顱骨剛度的頭部顱內響應結果Tab. 3 Properties of materials used in the head model

圖4所示為不同顱骨剛度時所對應的顱內壓力變化曲線，前額撞擊處顱內壓力峰值隨顱骨彈性模量的增大而減小，而對撞側（顱后窩）顱內壓力峰值的絕對值隨顱骨彈性模量的增大而增大.這是因為彈性模量的增大會提升顱骨的剛度，從而使得顱骨抗變形的能力增強，撞擊側壓力減小；當壓力波傳遞到對撞側顱后窩區(qū)域時，由于該處顱骨具有較大的抗變形能力，大部分壓力波被顱骨反射，從而導致對撞側顱內壓力增大.

圖4 不同顱骨彈性模量下顱內壓力的對比Fig. 4Comparison of intracranial pressure resulted from different elastic modulus of skull

圖5給出了同一時刻前額區(qū)域腦組織von Mises應力與最大剪應力隨顱骨彈性模量的變化情況及每條曲線所對應的峰值.隨著顱骨彈性模量的增大，腦組織von Mises應力峰值與最大剪應力峰值都會隨之減小，這同樣是由于顱骨剛度的變化而導致的.

圖5 腦組織von Mises應力與剪應力隨顱骨彈性模量的變化曲線Fig. 5 Variation of von Mises stress and maximal shear stress of brain tissues with different elastic modulus of skull

圖6 所示為同一時刻不同的顱骨彈性模量對von Mises應力分布的影響.

圖6 同一時刻不同顱骨彈性模量下腦部的von Mises應力云圖Fig. 6 von Mises stress contours of brain tissues with different elastic modulus of skull

從圖6可以看出：同一載荷條件下，撞擊側的大腦額葉處在三個水平的顱骨剛度下都出現了應力集中，但應力集中的程度和范圍明顯不同.顱骨為低水平剛度時，額葉出現了較高程度的應力集中，且應力集中的區(qū)域較大，胼胝體前部也出現了一定的應力集中；而顱骨為高水平剛度時，額葉處并沒有呈現高程度的應力集中，且腦組織發(fā)生應力集中的區(qū)域也較低剛度顱骨小.這說明在同一載荷條件下，高剛度顱骨比低剛度顱骨能更有效地保護腦組織，從而在一定程度上減小外力沖擊對腦組織造成的損傷.

3 結 論

高剛度顱骨會產生較低的撞擊側顱內壓力，且在顱骨厚度不變的情況下，撞擊側顱內壓力、腦組織von Mises應力以及最大剪應力都隨顱骨彈性模量的增大而減小，而對于對撞側顱內壓力會隨顱骨彈性模量的增大而增大.

中國、美國和歐洲汽車安全法規(guī)中采用統(tǒng)一的頭部損傷指標是有一定局限性的，在同一載荷條件下，不同年齡段人群的頭部響應是不同的，應針對不同年齡段人群制定相應的頭部損傷準則，由此為不同年齡段人群頭部保護裝置的開發(fā)提供參考依據.

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責任編輯：常濤

Investigation of Intracranial Responses Based on Child Head Finite Element Model

CUI Shihai，CHEN Yue，RUAN Shijie，LI Haiyan
（College of Mechanical Engineering，Tianjin University of Science & Technology，Tianjin 300222，China）

Head impact simulation experiments were carried out by using the 3-year-old child head FE model based on CT data according to adult cadaver head impact experiment.The simulation results of intracranial responses were compared with those of the real cadaver experiments and 6-year-old child simulation experiments.The results showed that the increase of skull stiffness would result in the decrease of coup pressure，von Mises stress and the maximum shear stress of brain tissues，and the skull with less stiffness has a greater contrecoup pressure.Therefore，under the same impact conditions，theincrease of skull stiffness would result in the decrease of the risk of brain contusion.This investigation suggests that the head injury criteria should be different for people of different age.

finite element model of child head；head impact；skull stiffness；intracranial responses

TP399；R318

A

1672-6510（2016）03-0060-05

10.13364/j.issn.1672-6510.20150030

2015-03-12；

2015-10-21

國家自然科學基金資助項目（81201015，81471274，81371360）

崔世海（1977—），男，山東棲霞人，副教授，shihaicui@tust.edu.cn.