轎車與6歲兒童行人不同方位碰撞中下肢損傷分析*

李海巖，李 琨，黃永強(qiáng)，賀麗娟，崔世海，呂文樂，阮世捷

（天津科技大學(xué)，現(xiàn)代汽車安全技術(shù)國(guó)際聯(lián)合研究中心，天津 300222）

前言

世界衛(wèi)生組織2018 年統(tǒng)計(jì)報(bào)告中指出，全球每年有超過135 萬人在交通事故中喪生，2 000 萬-5 000 萬人遭受非致命性損傷，其中大部分終身殘疾［1］。兒童行人在交通事故中通常被汽車前部結(jié)構(gòu)所撞［2］，且最容易出現(xiàn)AIS2+的區(qū)域位于下肢和頭部［3］。在交通事故中，對(duì)于兒童而言，由于身體發(fā)育和社會(huì)經(jīng)驗(yàn)的局限性，他們顯得更弱勢(shì)。有研究表明，處于4-6 歲和7-9 歲年齡段的兒童下肢損傷占據(jù)了最大比例的AIS3+損傷［4］，分別為58%和48%。

由于倫理學(xué)原因，近年來世界上幾乎沒有關(guān)于兒童PMHS 的損傷機(jī)理研究。在兒童行人保護(hù)方面，Euro NCAP［5］中引入了兒童頭形沖擊器的沖擊試驗(yàn)，但是法規(guī)中卻沒有加入兒童行人下肢沖擊器的沖擊試驗(yàn)。由于有限元仿真分析的快速發(fā)展，研究人員可以通過仿真分析的方法開展研究，因此，人體有限元模型在碰撞運(yùn)動(dòng)學(xué)和損傷生物力學(xué)的研究中有了很大的應(yīng)用，而兒童有限元模型的構(gòu)建和應(yīng)用也在快速發(fā)展。日本豐田汽車公司開發(fā)了THUMS［6］家族系列有限元模型，包括3歲、6歲、10歲兒童有限元模型，以及成人有限元模型；由行業(yè)贊助和企業(yè)支持的GHBMC 開發(fā)了包括乘員和行人姿態(tài)中各種體型的詳細(xì)和簡(jiǎn)化模型［7］；Nishimura 等［8］通過縮小THUMS 版本的50%美國(guó)男性整人模型開發(fā)了 6 歲和 9 歲兒童有限元模型；Okamoto 等［9］基于核磁共振掃描獲取人體幾何參數(shù)而開發(fā)了6 歲兒童有限元模型，但其材料須進(jìn)一步改善；Mizuno等［10］通過縮小THUMS中的AM50模型開發(fā)了一個(gè)3歲的兒童模型；Meng 等［11］基于 GHBMC 開發(fā)的 5 百分位成年女性，通過縮放變形技術(shù)開發(fā)了6 歲兒童行人有限元模型，并進(jìn)行了有效性驗(yàn)證，但該模型在大腦和胸腹部進(jìn)行了簡(jiǎn)化；Ito等［12］根據(jù)SAE Technical Standards（2010）［13］對(duì) THUMS 中 3 歲、6 歲、10 歲以及 AM50 模型的姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，并進(jìn)行碰撞試驗(yàn)，對(duì)車-人碰撞中的頭部損傷機(jī)制進(jìn)行研究。

從2020 年開始，Euro NCAP 行人模型認(rèn)證技術(shù)公告TB024［14］對(duì)6 歲兒童行人模型的認(rèn)證有一個(gè)單獨(dú)的要求，從15 個(gè)參數(shù)對(duì)行人姿態(tài)進(jìn)行要求，且須經(jīng)過23 步的仿真前檢查和仿真后模型響應(yīng)比較。因此，應(yīng)用本實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的符合TB024 要求的6 歲兒童行人有限元模型與某款車進(jìn)行碰撞仿真試驗(yàn)，對(duì)不同碰撞角度下的兒童下肢損傷進(jìn)行分析，對(duì)兒童在不同情況下遭受碰撞時(shí)的下肢損傷進(jìn)行深入理解，為兒童行人下肢損傷保護(hù)提供參考數(shù)據(jù)，為汽車前端部造型設(shè)計(jì)提供參考，同時(shí)也為醫(yī)生處理相關(guān)患者提供理論支持。

1 試驗(yàn)方法

本研究使用現(xiàn)代汽車安全技術(shù)國(guó)際聯(lián)合研究中心開發(fā)的6 歲兒童行人站姿有限元模型。該模型基于一個(gè)中國(guó)6 歲兒童醫(yī)學(xué)檢測(cè)CT 數(shù)據(jù)，參照解剖學(xué)結(jié)構(gòu)書籍和文獻(xiàn)，先后構(gòu)建了頭部、頸部、胸腹部及下肢等詳細(xì)結(jié)構(gòu)的有限元模型，并進(jìn)行了有效性驗(yàn)證［15-19］，最后通過共節(jié)點(diǎn)，得到完整的6 歲兒童行人站姿有限元模型。該模型身高113.5 cm，體質(zhì)量24.8 kg，節(jié)點(diǎn)數(shù)1 057 830，單元數(shù)1 558 836。參考Euro NCAP 行人模型認(rèn)證技術(shù)報(bào)告中6 歲兒童行人走姿模型的各個(gè)姿態(tài)定義參數(shù)，調(diào)整得到的6 歲兒童行人走姿模型，如圖1所示。

圖1 6歲兒童行人走姿有限元模型

本研究采用的汽車有限元模型來自美國(guó)國(guó)家碰撞分析中心NCAC 汽車模型數(shù)據(jù)庫(kù)。該款車型通過重構(gòu)NCAP第3248號(hào)剛性壁障正碰實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的有效性［20］。考慮到計(jì)算效率，在有限元前處理軟件Hypermesh 中，對(duì)不相關(guān)的汽車部件進(jìn)行刪除，并利用集中質(zhì)量替代簡(jiǎn)化部分的質(zhì)量，保證簡(jiǎn)化后的模型與原始模型具有相同的質(zhì)量，如圖2 所示，最后獲得前部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化的有限元模型。

圖2 簡(jiǎn)化的小汽車有限元模型

參考Euro NCAP 兒童行人保護(hù)相關(guān)技術(shù)報(bào)告［14］要求和Klug 等［21］所開發(fā)的一種客觀比較人體運(yùn)動(dòng)學(xué)的程序，在PAM?CRASH 軟件中建立6 歲兒童行人-汽車碰撞仿真試驗(yàn)。汽車以初始碰撞速度40 km/h，側(cè)面撞向行人；行人位于車的中心線距車3 mm 處；人與車之間設(shè)有接觸，其摩擦因數(shù)為0.3［21］；人與地面的摩擦因數(shù)為 0.58［22］；在施加有重力場(chǎng)下的碰撞仿真試驗(yàn)。在Euro NCAP TB024 行人模型認(rèn)證技術(shù)報(bào)告要求中，汽車-行人碰撞試驗(yàn)撞擊位置首先發(fā)生在行人模型的右腿處，在本研究中將此碰撞方位稱為0°碰撞仿真試驗(yàn)，在相同的仿真試驗(yàn)條件下設(shè)置了90°、180°和270°碰撞仿真試驗(yàn)，如圖3 所示。0°碰撞為人體的右側(cè)與汽車發(fā)生側(cè)面碰撞，汽車保險(xiǎn)杠將首先撞擊右側(cè)大腿側(cè)面；90°為人體的正面與汽車發(fā)生正面碰撞；180°為人體的左側(cè)與汽車發(fā)生側(cè)面碰撞，汽車保險(xiǎn)杠將首先撞擊前側(cè)大腿；270°為人體的背面與汽車發(fā)生碰撞。

圖3 6歲兒童行人與汽車前端碰撞

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 下肢接觸力

圖4 為4 種不同碰撞方位下的兒童行人下肢接觸力對(duì)比。由圖可見，90°碰撞試驗(yàn)的下肢接觸力為4 組仿真試驗(yàn)中最大的，其數(shù)值為5.17 kN，其次為270°碰撞試驗(yàn)的5.14 kN，而0°和180°兩組側(cè)面碰撞試驗(yàn)下的下肢接觸力最小，分別為4.58和4.27 kN。

2.2 股骨損傷

圖 5 分別為 0°、180°、90°碰撞條件下具體的股骨骨折位置，分別位于右腿的骨骺后端處、右腿骨骺后端處和左腿股骨干骨中上部。圖6 為股骨最大von Mises 應(yīng)力云圖。4 組試驗(yàn)最大應(yīng)力均超過114 MPa，但是270°碰撞條件下由于超過此閾值的面積較小，未出現(xiàn)骨折現(xiàn)象。通過仿真試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于下肢的骨折情況，4 種碰撞角度下，只有270°下的碰撞沒有出現(xiàn)骨折。對(duì)于側(cè)面碰撞0°和180°，均出現(xiàn)了撞擊側(cè)的股骨骨折，但骨折位置不一樣。

圖4 下肢接觸力對(duì)比

圖5 股骨骨折部位

圖6 股骨最大von Mises應(yīng)力（MPa）

2.3 膝關(guān)節(jié)韌帶損傷

圖7 為下肢膝關(guān)節(jié)韌帶損傷示意圖。由圖7 可見，0°和90°碰撞條件下膝關(guān)節(jié)韌帶損傷最為嚴(yán)重。尤其是0°碰撞條件下對(duì)撞側(cè)的膝關(guān)節(jié)MCL、LCL、ACL、PCL 全部斷裂或撕裂，但撞擊側(cè)膝關(guān)節(jié)只出現(xiàn)了MCL 的斷裂。對(duì)于90°下的膝關(guān)節(jié)韌帶，左膝關(guān)節(jié)的LCL、PCL、MCL 以及右膝關(guān)節(jié)的LCL、PCL 發(fā)生斷裂；對(duì)于180°碰撞下的膝關(guān)節(jié)韌帶，左膝關(guān)節(jié)的LCL 以及右膝關(guān)節(jié)的 LCL、ACL、PCL 發(fā)生斷裂。270°碰撞下由于兒童背對(duì)汽車，膝關(guān)節(jié)韌帶并未發(fā)生斷裂情況。

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)提取下肢膝關(guān)節(jié)彎曲角度，從膝關(guān)節(jié)彎曲角度來看，膝關(guān)節(jié)的損傷情況相當(dāng)嚴(yán)重，尤其是90°碰撞下兒童行人面對(duì)汽車，造成了膝關(guān)節(jié)反向彎曲，其左膝關(guān)節(jié)的彎曲角度達(dá)到了83.3°，其余3 組試驗(yàn)膝關(guān)節(jié)最大彎曲角度分別為0°碰撞下左膝關(guān)節(jié)彎曲58.4°、180°碰撞下右膝關(guān)節(jié)彎曲61.4°、270°碰撞下左膝關(guān)節(jié)彎曲64.1°。

圖7 不同碰撞角度下的韌帶損傷

2.4 膝關(guān)節(jié)半月板損傷

圖8 為4 種碰撞角度下的膝關(guān)節(jié)半月板最大von Mises 應(yīng)力時(shí)間曲線。由圖8 可見，0°側(cè)面碰撞下的左膝關(guān)節(jié)（對(duì)撞側(cè)）和180°碰撞下的右膝關(guān)節(jié)（對(duì)撞側(cè)）的半月板應(yīng)力值較大，分別為126.2 和233.4 MPa，明顯大于90°碰撞下81.2 MPa 以及270°碰撞下87.5 MPa。此外，對(duì)于側(cè)面碰撞，不管是0°還是180°，撞擊側(cè)均出現(xiàn)股骨骨折，而撞擊側(cè)膝關(guān)節(jié)半月板的最大應(yīng)力均明顯小于對(duì)撞側(cè)的。

圖8 膝關(guān)節(jié)半月板最大應(yīng)力時(shí)間曲線

2.5 脛骨和腓骨損傷

圖9 為4 種碰撞角度下的脛骨和腓骨的最大應(yīng)力。在4 組碰撞試驗(yàn)中，兒童行人均沒有出現(xiàn)脛骨和腓骨的骨折。對(duì)于脛骨，4 種碰撞角度下，均表現(xiàn)出右腿脛骨的最大應(yīng)力大于左腿脛骨，尤其是90°正面碰撞和270°背面碰撞；最大的脛骨應(yīng)力出現(xiàn)在背面碰撞下的右腿脛骨上，為53.5 MPa。對(duì)于腓骨，0°側(cè)面碰撞和270°背面碰撞的應(yīng)力相對(duì)較大；腓骨最大應(yīng)力出現(xiàn)在270°背面碰撞下的左腿腓骨上，為51.1 MPa。

圖9 脛骨和腓骨的最大應(yīng)力

2.6 下肢生長(zhǎng)板損傷

圖10為4種不同碰撞角度下生長(zhǎng)板的最大等效應(yīng)力情況。由圖10 可見，在0°碰撞條件下，下肢12塊生長(zhǎng)板中撞擊側(cè)股骨近端生長(zhǎng)板等效應(yīng)力最大，其數(shù)值為1.017 MPa；在90°碰撞條件下，左腿股骨遠(yuǎn)端處生長(zhǎng)板等效應(yīng)力最大，為0.923 MPa；在180°碰撞條件下，左腿（撞擊側(cè)）股骨遠(yuǎn)端處生長(zhǎng)板等效應(yīng)力最大，為1.288 MPa；在270°碰撞條件下，右腿股骨遠(yuǎn)端處生長(zhǎng)板等效應(yīng)力最大，為0.769 MPa。

3 討論與結(jié)論

表1 列出了4 組仿真試驗(yàn)中下肢損傷情況。從表1 可見，4 種碰撞角度下，除背面碰撞條件，其他3種碰撞角度下均出現(xiàn)股骨骨折。兩種側(cè)面碰撞角度下，撞擊側(cè)的股骨均出現(xiàn)骨折，但骨折位置不一樣，這可能與腿部的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，0°碰撞角度下，撞擊的是主要承重腿右腿。90°碰撞角度下，雖然保險(xiǎn)杠先撞擊的是左腿，但右腿的股骨出現(xiàn)骨折且骨折位置與0°碰撞下的一樣。表明正面碰撞下，右腿即主要承重腿將受到保險(xiǎn)杠更大的沖擊，更易發(fā)生骨折。而背面碰撞角度下，即使保險(xiǎn)杠先撞擊的是右腿，但兩側(cè)股骨均沒出現(xiàn)骨折。綜上，表明不同方向的沖擊載荷對(duì)股骨的損傷有很大影響。

圖10 生長(zhǎng)板最大等效應(yīng)力云圖（MPa）

從膝關(guān)節(jié)彎曲角度來看，膝關(guān)節(jié)的損傷情況相當(dāng)嚴(yán)重，尤其是90°碰撞下兒童行人面對(duì)汽車，造成了膝關(guān)節(jié)反向彎曲，其左膝關(guān)節(jié)的彎曲角度達(dá)到83.3°。股骨骨折側(cè)的膝關(guān)節(jié)韌帶損傷相比于對(duì)側(cè)的膝關(guān)節(jié)韌帶損傷均更輕，尤其是0°碰撞和90°碰撞條件下的韌帶損傷；0°碰撞下的對(duì)撞側(cè)的膝關(guān)節(jié)MCL、LCL、ACL、PCL 全部斷裂或撕裂，但撞擊側(cè)膝關(guān)節(jié)因?yàn)楣晒堑墓钦?，從而?duì)膝關(guān)節(jié)的約束減小，進(jìn)而韌帶損傷較小，只出現(xiàn)了MCL 的斷裂。另外，韌帶損傷原因也不同，90°碰撞下的韌帶損傷是因?yàn)檫^度伸展造成的，而0°碰撞和180°碰撞下的韌帶損傷是由側(cè)面碰撞導(dǎo)致的膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻或外翻導(dǎo)致的；270°碰撞條件下沒有出現(xiàn)膝關(guān)節(jié)韌帶的損傷。

表1 下肢損傷分析

從膝關(guān)節(jié)半月板應(yīng)力峰值來看，0°碰撞條件下的對(duì)撞側(cè)膝關(guān)節(jié)和180°碰撞條件下的對(duì)撞側(cè)膝關(guān)節(jié)的半月板出現(xiàn)了非常大的應(yīng)力值，分別為126.2 和233.4 MPa，明顯大于其他碰撞角度下的應(yīng)力峰值。這表明側(cè)面碰撞條件下的對(duì)撞側(cè)膝關(guān)節(jié)半月板有很大的損傷風(fēng)險(xiǎn)。另外，不管是0°碰撞還是180°碰撞條件下，撞擊側(cè)膝關(guān)節(jié)半月板的最大應(yīng)力均明顯小于對(duì)撞側(cè)半月板，這是因?yàn)樵趥?cè)面碰撞下，當(dāng)撞擊側(cè)股骨骨折后，該側(cè)膝關(guān)節(jié)的約束減小，導(dǎo)致撞擊側(cè)彎曲角度小于對(duì)撞側(cè)，因而等效應(yīng)力值也較小。

對(duì)于脛骨，在270°碰撞下的脛骨加速度最大，為192.8g。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，主要承受上肢質(zhì)量的右腿脛骨最大應(yīng)力均大于左腿。脛骨的最大應(yīng)力出現(xiàn)在270°碰撞下的右腿脛骨上，為53.5 MPa。對(duì)于腓骨，0°側(cè)面碰撞和270°背面碰撞條件下的等效應(yīng)力相對(duì)較大；腓骨最大應(yīng)力出現(xiàn)在270°背面碰撞下的左腿腓骨上，為51.1 MPa。270°背面碰撞下的下肢雖然沒有出現(xiàn)股骨骨折和韌帶的損傷，但相對(duì)其他3 種碰撞角度，其右腿脛骨和左腿腓骨有最大的損傷風(fēng)險(xiǎn)。

生長(zhǎng)板是兒童特有的一種生理結(jié)構(gòu)，它存在于長(zhǎng)骨骨骺和干骺端之間，只存在單向軟骨增殖與成骨活動(dòng)，是生長(zhǎng)期骨骼的生長(zhǎng)發(fā)育部位。兒童骨折中15%～30%為生長(zhǎng)板損傷［23］。Williams 等［24］在生長(zhǎng)板的拉伸力學(xué)試驗(yàn)中，測(cè)得生長(zhǎng)板的平均正切模量為4.26 MPa，極限拉應(yīng)力為0.98±0.29 MPa。4種不同角度的碰撞仿真試驗(yàn)中，180°碰撞條件下撞擊側(cè)股骨遠(yuǎn)端生長(zhǎng)板處等效應(yīng)力最大，為1.288 MPa，超過了損傷閾值。根據(jù)分析，撞擊側(cè)股骨近端處生長(zhǎng)板在最大等效應(yīng)力出現(xiàn)的位置發(fā)生破壞，由于破壞面積較小且未出現(xiàn)連續(xù)破壞，故推斷此時(shí)生長(zhǎng)板會(huì)出現(xiàn)第Ⅴ型生長(zhǎng)板骨折，這種損傷形式會(huì)導(dǎo)致后期股骨骨骼生長(zhǎng)出現(xiàn)缺陷，且這類損傷在早期檢查中不易被發(fā)現(xiàn)，易錯(cuò)過最佳治療時(shí)期［25-26］。

本研究應(yīng)用符合Euro NCAP 要求的6 歲兒童有限元模型模擬不同碰撞方位下兒童與轎車前端碰撞，旨在探討汽車行人碰撞過程中6 歲兒童下肢損傷的特點(diǎn)。應(yīng)用兒童整人有限元模型進(jìn)行碰撞試驗(yàn)，填補(bǔ)了兒童腿型沖擊器試驗(yàn)的空缺，更好地展現(xiàn)兒童在碰撞過程中下肢的運(yùn)動(dòng)學(xué)過程，且可以更好地對(duì)兒童下肢的損傷進(jìn)行研究。研究發(fā)現(xiàn)背面碰撞條件下6 歲兒童下肢受到的傷害是最小的，這可能與下肢關(guān)節(jié)處的約束作用有較大關(guān)系。本研究為兒童行人的保護(hù)和兒童下肢損傷的治療提供了理論依據(jù)，為兒童下肢損傷提供了可行的研究方法，為汽車安全技術(shù)的研發(fā)以及汽車前端部的設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持，同時(shí)也為行人測(cè)試協(xié)議中的下肢碰撞評(píng)價(jià)提供更多的參考。