汽車碰撞中護欄貫穿人體肝臟的損傷研究

朱鳳磊，郭唯浩，尹 菲，李宇吉，郭世永,*

(1.青島理工大學 機械與汽車工程學院，青島 266525；2.伍倫貢大學，伍倫貢 2522)

隨著經濟的飛速發展，我國私家車的數量快速增加，交通事故的發生率與汽車保有量成正比[1]。研究數據表明，胸腹部損傷占交通事故傷的13%～15%，而其中肝損傷是最常見的交通事故損傷類型之一[2]。肝臟是人體胸腹中最大的實質器官，主要由左、右肝葉通過中鐮狀韌帶連接而成，在事故中是最容易受到損傷的器官。近期相關資料數據顯示，肝臟損傷死亡率有6%～15%[3]。

目前國內外汽車碰撞研究大多局限于汽車與物體的鈍性碰撞，而關于碰撞物體與汽車駕駛員的人體組織侵徹損傷研究較少。此外，國內外傳統的損傷模型價格昂貴、耗時且無法重復實驗，而且很難觀察到生物體的特征，因此很難動態、直觀地觀察和研究貫穿物與人體組織的相互作用。因此開展在汽車碰撞道路護欄下對人體胸腹部侵徹損傷有限元分析研究，對于提高汽車的被動安全性能，減少在交通事故中的傷亡人員的數量，有重要的參考價值。

長桿高速侵徹問題的相關研究開始于20世紀Allen和Rogers最早公開發表的長桿彈高速侵徹問題，在1.5～3.0 km/s的高速下高密度金屬制造的長桿彈具有很強的侵徹貫穿能力，長桿彈和靶板之間使用的侵徹算法可以與失效準則一起使用。采用的有限元算法根據單元的塑性應變進行計算，判斷該外力所引起的形變是否完全消失，當外力大小超過單元的失效點數值時，單元失效[4]，計算中該失效的單元將被刪除。

本文類比動能桿(Kinetic Energy Rod，KE-Rod)侵徹目標靶這一經典的彈靶系統損傷評估問題，從有限元的角度分析道路護欄貫穿肝臟及胸腹部骨骼的損傷機理。采用醫學CT掃描，獲得人體肝臟及胸腹部骨骼的主要幾何參數，建立薄壁長桿貫穿胸腹部有限元模型。并運用LS-DYNA有限元處理軟件進行參數設置及仿真計算，利用后處理軟件Hyperview來觀察乘員胸腹部的貫穿過程和受傷程度。同時選取國內汽車碰撞城市道路護欄造成的貫穿人體下腹部醫學案例和事故案例進行簡單的驗證。

1 城市道路護欄入侵人體肝臟有限元模型的建立

1.1 肝臟及胸腹部骨骼幾何模型建立

本文基于我國五十百分位的成年男性平均體型，選擇身高173 cm,體重67 kg的健康成年男性志愿者作為CT(Computed Tomography)掃描對象,進行CT掃描，獲得人體胸腹部生物模型的數據，掃描層厚為0.6 mm，可精確地捕捉胸腹部骨骼與肝臟的幾何信息。

利用Mimics數據處理工具進行圖像涂抹和分割來建立準確的人體三維模型。同時利用Mimics下的3-Matic進行建模后的后處理， 對多模型曲面和漏洞等進行改進，生成胸腹部骨骼以及肝臟圖像。胸腹部包括胸骨、肋骨、脊椎等。肝臟包括左肝葉、右肝葉以及鐮狀韌帶等。圖1為人體肝臟及胸腹部骨骼CT掃描圖像。利用GEOMAGIC軟件對CT點云圖像進行去噪、濾波和數據平滑等處理，最后利用NURBS建模方式生成表面光滑的幾何曲面模型。利用三維建模軟件SolidWorks按照標準城市道路護欄尺寸進行三維模型建立，如圖2所示。建立的三維模型采用IGES格式進行儲存，為有限元薄壁長桿模型構建做前期準備。

圖1 肝臟及胸腹部骨骼CT掃描

圖2 城市道路護欄三維幾何模型

1.2 肝臟及胸腹部骨骼與道路護欄有限元模型建立

利用有限元前處理軟件Hypermesh對胸腹部骨骼、肝臟及城市道路護欄幾何模型進行網格劃分，利用LS-DYNA內置的有限元前處理軟件LS-PrePost進行模型的屬性、材料、關鍵字及速度設置。碰撞貫穿有限元模型如圖3所示。

圖3 肝臟及胸腹部骨骼-薄壁長桿碰撞貫穿有限元模型

為了提高計算效率和精度，薄壁長桿的網格與胸腹部接觸較近區域采用局部加密的方法。城市道路護欄簡化為薄壁長桿，薄壁長桿的單元類型為SectShll，肝臟和胸腹部骨骼的單元類型均為SectSld。薄壁長桿與胸腹部骨骼的網格單元采用八節點六面體，由于肝臟幾何模型不規則，所以肝臟的網格單元采用四節點四面體，以更好表現出肝臟的實際形狀。薄壁長桿與肝臟以及胸腹部骨骼與肝臟之間的接觸方式均采用ERODING_SURFACE_TO_SURFACE，胸腹部骨骼之間的接觸方式采用SingeSurface定義其自接觸。靜摩擦系數與動摩擦系數均設定為0.2。

薄壁長桿侵徹肝臟及胸腹部骨骼模型包括156 109個節點、8 800個殼單元、138 027個體單元。參考人體醫學解剖結構連接胸骨和肋骨、肋骨和肋骨模型，采用共節點連接模擬，采用剛性連接肋骨和脊椎模型進行模擬。

1.3 肝臟及胸腹部骨骼材料參數

生物模型材料參數的相關數值參考前人進行的肋骨胸骨三點彎曲實驗的數據來設定[5]。如表1所示，材料參數均來自相關參考文獻。胸腹部結構模型中的胸骨定義為線彈性材料[6]，肋骨定義為線彈性材料[7]，肋軟骨定義為彈性材料[8]，脊椎定義為彈性材料[9]。肝臟器官定義為黏彈性材料，其材料參數[10]如表2所示。為了清晰地表現城市道路護欄入侵肝臟時的過程，圖3沒有顯示人體胸腹部內臟整體模型，只顯示出肝臟及胸腹部骨骼結構的相對位置關系。

表1 生物模型的基本參數

表2 肝臟器官的材料參數

由于城市道路護欄與生物材料特性相差較大，在汽車與城市道路護欄相撞的過程中，城市道路護欄貫穿人體時基本不發生變化，故將薄壁長桿定義為剛性材料，材料參數如表3所示。

表3 薄壁長桿的材料參數

2 模型驗證

2.1 事故案例

2018年9月11日，在浙江臺州做生意的張某在一紅綠燈處發生碰撞車禍，路邊的道路護欄穿透了車身之后，接著刺穿了張某的身體與座椅靠背。圖4顯示，道路護欄從他的左腹股溝進入，左腰部刺出，長度有25 cm。胸腹部貫穿處肋骨斷裂，大量人體內部組織器官被道路護欄穿透，動脈與靜脈被撕裂，造成大量出血，貫穿處皮膚等組織被道路護欄嚴重挫傷，與圖5仿真一致。

圖4 施救現場與薄壁長桿

2.2 仿真驗證

本實驗中使用的城市道路護欄簡化成薄壁長桿，建模中薄壁長桿的長度、質量等數據均來源于實際測量與稱重，其中實際稱重得縱向長度為50 cm,橫截面為4 cm×3 cm的道路護欄的質量為0.8 kg。LS-DYNA仿真中定義薄壁長桿的X-Velocity為60 km/h。護欄入侵肝臟及胸腹部骨骼起始點如圖3(d)所示。模擬時間為8 ms，仿真過程取四個關鍵性時刻進行分析，包括(a)起始時刻；(b)接觸肝臟時刻；(c)接觸胸后肋骨時刻；(d)侵徹貫穿整個肝臟及胸腹部骨骼時刻，圖5為薄壁長桿在0，0.5，4.5，6.0 ms時碰撞肝臟及胸腹部骨骼時刻狀態以及時刻應力圖。上下兩圖在同一視圖下，為了更清晰地描述肝臟受力圖，下圖是肝臟的單獨顯示。

0～0.5 ms時穿透部位的肋骨發生斷裂，肝臟開始被薄壁長桿穿透，如圖5(b)所示。4.5 ms時，腹部背面肋骨被護欄長桿碰撞沖擊，薄壁長桿基本貫穿胸腹部，肝臟遭到侵徹，并被擠壓穿透(圖5(c))。4.5～6.0 ms時胸腹部后肋骨斷裂，薄壁長桿完全貫穿胸腹部并裸露在人體外，肝臟遭到完全性侵徹，并被薄壁長桿擠壓發生移位(圖5(d))。

為了清晰顯示城市道路護欄入侵肝臟及發生變形的骨骼結構，圖6隱藏了薄壁長桿有限元模型，只保留肝臟與胸腹部骨骼的相對位置關系。此時薄壁長桿完全穿過胸腹部并裸露在人體外，胸腹部及肝臟已經被薄壁長桿穿透，薄壁長桿穿透部位的前后肋骨發生斷裂，其他部位的肋骨發生少量的位移，肝臟組織器官遭到入侵貫穿。醫學案例：護欄貫穿張某的左腹股溝和左腰部，貫穿長度約為25 cm，傷者胸腹部左下方前后肋骨斷裂，內部組織器官被入侵貫穿。與圖5仿真過程一致。

圖5 護欄長桿貫穿肝臟及胸腹部骨骼仿真過程

圖6 肝臟及胸腹部骨骼貫穿仿真結果

3 人體肝臟的損傷研究

在高速長桿侵徹靶板的損傷效應研究中，損傷特征用動能桿的侵徹體積和靶板的變形體積來描述，高速長桿碰撞的損傷指數由它們的加權求和來計算[11]。本研究針對城市道路護欄侵徹目標靶——肝臟及胸腹部骨骼建立動能桿碰撞損傷指標，用于衡量薄壁長桿碰撞與貫穿人體肝臟造成的損傷程度。薄壁長桿的微元(單元)侵徹體積Vρ定義為

(1)

式中：n為薄壁長桿模型的微元總數；Zi為微元i相對于目標靶板上表面的位置，靶板內部為正；H為目標靶板被侵徹的總深度；mi為薄壁長桿微元i的質量；ρrod為薄壁長桿的密度。

在薄壁長桿的碰撞和侵徹過程中，靶板材料發生塑性變形，產生凹陷和缺口。對于靶板，在其微元模型中超過塑性應變閾值的所有微元體積的總和可以用作靶的穿透程度的度量。因此，靶板變形體積Vd定義為

(2)

D=λ1·Vρ+λ2·Vd。

(3)

式(2)(3)中：l為靶板模型的微元總數；mj為微元j的質量；ρplate為靶板密度；D為城市道路護欄的碰撞損傷指標；λ1，λ2為加權系數，λ1取0.995，λ2取0.0995。

當高速長桿以傾斜角度侵徹靶板時，長桿角度增大，靶的變形量增大，但穿透深度減小，故將λ2取0.0995以降低靶板變形體積在侵徹指標中所占的權重。在目標靶板——肝臟及胸腹部骨骼被侵徹的總深度H一定時，薄壁長桿貫穿肝臟及胸腹部骨骼的損傷程度與以下因素有關：

3.1 質量

由式(1)可以看出,薄壁長桿的微元侵徹體積與薄壁長桿微元的質量呈正相關。由于實際中薄壁長桿為固定端，汽車與乘員為移動端，故汽車和乘員的總質量與薄壁長桿貫穿人體肝臟及胸腹部骨骼器官的損傷程度成正比，汽車與乘員的總質量越大，侵徹效果就越大，肝臟及胸腹部骨骼的損傷越嚴重。

3.2 速度角

由式(1)可知，微元i相對于目標靶板上表面的位置Zi與薄壁長桿的微元(單元)侵徹體積Vρ成正比，根據圖7分析可知：

圖7 微元i相對位置

Zi=l·sinφ

(4)

式中：l為薄壁長桿的微元(單元)到撞擊中心的直線距離。

由式(4)可知，當l一定時，速度角φ越大，微元i相對于目標靶板上表面的位置Zi越大。即速度角φ越大，薄壁長桿的侵徹體積越大，造成的肝臟及胸腹部骨骼損傷程度越大。

3.3 密度

由式(1)(2)可以看出，薄壁長桿碰撞侵徹過程中，薄壁長桿和目標靶——肝臟及胸腹部骨骼的密度與薄壁長桿貫穿人體胸腹部的損傷程度成反比。薄壁長桿(鋼鐵材料)與肝臟及胸腹部骨骼(生物材料)的密度基本保持不變，故在本研究中不考慮密度給肝臟損傷帶來的相關影響。

4 損傷機理

4.1 直接損傷

當城市道路護欄沿著其運動的方向前進穿透肝臟時，護欄長桿直接破壞肝臟內部組織，造成肝臟的貫穿損傷[12]。為了提高本貫穿模型的可視化，本研究視汽車與薄壁長桿為一個獨立的系統，忽略其他微小的能量損失。根據動能定理，汽車碰撞城市道路護欄前的自身動能主要取決于汽車碰撞護欄的速度，即

(5)

式中：EK為碰撞動能；m為汽車與乘員的總質量；v為汽車的速度。

薄壁長桿的動能主要消耗在對肝臟和胸腹部骨骼的直接損傷作用上。它作用于折斷胸腹部前后肋骨與刺穿肝臟及損壞通道周圍的組織和內臟等，對其造成直接損傷。

4.2 間接損傷

在護欄的薄壁長桿以一定的速度貫穿乘員的肝臟及胸腹部骨骼過程中，其本身具備很大能量。首先，碰撞產生的壓力波的傳遞效應可通過能量傳遞的方式將其傳導給肝臟、胸骨骼、軟組織和其他薄壁長桿周圍的組織，造成鄰近器官的損傷[13]。

其次，由于肝臟等胸腹部器官組織通過肌肉組織、血管等互相連接，彼此之間存在粘連力，當肝臟被城市道路護欄刺穿時，肝臟在胸腹部發生相對位移，隨后肝臟周圍的組織會迅速地發生相對運動，從而產生二次間接損傷。

5 結論

1) 建立了我國成年男性肝臟及胸腹部骨骼的有限元模型。該模型能夠比較準確地模擬道路護欄貫穿人體肝臟及胸腹部的損傷特性。

2) 模型驗證參考了醫學貫穿案例和事故調研案例，通過分析汽車碰撞城市道路護欄產生的貫穿過程中肝臟的貫穿現象與胸腹部骨骼骨折和斷裂的現象，該模型與實際情況吻合較好，具有一定的可靠性。

3) 通過類比高速長桿侵徹目標靶過程中彈靶系統毀傷評估問題的侵徹效應，分析出肝臟的損傷情況與汽車和乘員總質量、速度角具有直接的關系。

4) 本文分析結果為將來國家制定城市道路護欄的相關標準提供了理論分析依據。同時為城市道路護欄貫穿人體肝臟組織及胸腹部骨骼將可能發生的損傷情況作為臨床醫學傷勢評估的相關依據，以及為肝臟及其他內臟器官貫穿損傷治療提供重要的參考。

本研究也存在一定的局限性。肝臟及胸腹部骨骼模型沒有細化胸腔內部其他組織器官以及皮膚和肌肉組織，而皮膚和內臟組織對城市道路護欄的穿透會產生阻力等其他因素，對其在胸腔內部運動動能的衰減和軌跡的變化都具有一定的影響。

由于人體結構的復雜性，道路護欄高速碰撞人體造成的損傷機制非常復雜。后期仍需要不斷開展學習與研究，提高有限元模型的應用性與準確性。