蔡志華，蘭鳳崇，陳吉清，施 磊

(華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，汽車(chē)工程廣東省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510641)

前言

對(duì)于汽車(chē)交通碰撞損傷的嚴(yán)重性，世界衛(wèi)生組織于2004年發(fā)布的“世界預(yù)防道路交通傷害報(bào)告”［1］指出，估計(jì)每年全球由于交通碰撞問(wèn)題引起的死亡人數(shù)為120萬(wàn)，傷者5000萬(wàn)。預(yù)計(jì)到2020年，全球交通傷亡總數(shù)將上升65%左右，根據(jù)美國(guó)國(guó)家公路交通安全管理局汽車(chē)碰撞年度統(tǒng)計(jì)報(bào)告的數(shù)據(jù)，美國(guó)平均每5s就有1起汽車(chē)碰撞事故發(fā)生，每11s就有1人因汽車(chē)碰撞而受傷害，每12min就有1人因汽車(chē)碰撞而死亡;我國(guó)因交通事故而造成的死亡人數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)美國(guó)和歐盟死亡人數(shù)的總和［2-3］。研究表明，交通事故中頭部損傷是最為常見(jiàn)的損傷類(lèi)型之一，是造成重傷或者死亡的主要原因;因此，研究頭部損傷中的生物力學(xué)問(wèn)題和在交通事故中頭部的損傷機(jī)理對(duì)于改善與優(yōu)化汽車(chē)的設(shè)計(jì)，制定科學(xué)安全的交通傷害評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)、采取安全的防護(hù)措施和降低傷害的發(fā)生率具有非常重要的意義。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，有限元模型逐漸成為研究頭部損傷生物力學(xué)的重要工具，也是汽車(chē)安全設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。近年來(lái)研究人員開(kāi)始用有限元方法建立三維人體頭部模型，文獻(xiàn)［4］～文獻(xiàn)［14］中開(kāi)發(fā)了各種頭部有限元模型。但基于中國(guó)人體特征并得到驗(yàn)證的高仿生有限元模型較少。

本文中通過(guò)對(duì)中國(guó)成年男性志愿者進(jìn)行CT掃描得到具有50百分位中國(guó)人體特征的頭部幾何模型，并進(jìn)行了有限元模型的構(gòu)建與驗(yàn)證，使之能夠成為預(yù)測(cè)頭部損傷的有效工具。同時(shí)能為汽車(chē)安全設(shè)計(jì)，防護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)提供有效工具;為深入研究頭部損傷機(jī)理及損傷評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)提供科學(xué)依據(jù);為制定汽車(chē)安全法規(guī)提供參考。

1 中國(guó)50百分位成年男性頭部有限元模型的構(gòu)建

1.1 幾何模型

通過(guò)對(duì)一個(gè)35歲50百分位中國(guó)人體特征的男性進(jìn)行CT斷層掃描，掃描層厚為0.6mm，獲取頭部的幾何信息，CT數(shù)據(jù)按照醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)處理技術(shù)重構(gòu)頭部的幾何模型，首先從最初的CT數(shù)據(jù)進(jìn)行醫(yī)學(xué)影像的顱骨和腦組織輪廓邊界的分割提取;然后把分割提取出來(lái)的各斷層醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行影像配準(zhǔn);最后將正確配準(zhǔn)疊加起來(lái)的各斷層CT圖像運(yùn)用三維重構(gòu)技術(shù)建立頭部的幾何模型。本模型利用醫(yī)學(xué)建模軟件MIMICS建立，如圖1所示。

利用GEOMAGIC、UG等軟件對(duì)CT點(diǎn)云圖像進(jìn)行去噪、濾波和數(shù)據(jù)平滑等處理，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)按照選定的精度，以最佳曲面方式在層間進(jìn)行擬合，生成表面光滑的幾何曲面模型，曲面橫跨多層而不存在層厚對(duì)曲線光滑程度的影響。從結(jié)果來(lái)看，以點(diǎn)云數(shù)據(jù)方式建立的模型表面光滑程度高。形態(tài)復(fù)雜區(qū)域的精度較高，同樣的方法建立顱骨與腦組織的幾何模型。所建立的頭部模型以IGES格式存貯，見(jiàn)圖2。

1.2 有限元模型

基于50百分位成年男性人體解剖學(xué)結(jié)構(gòu)、幾何形狀和尺寸建立的幾何曲面模型，利用有限元前處理軟件TRUEGRID、HYPERMESH等對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，主要組織結(jié)構(gòu)均使用實(shí)體單元建模。由于面骨結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在網(wǎng)格劃分過(guò)程對(duì)面骨進(jìn)行了簡(jiǎn)化。在頭部模型中采用殼單元建模，頭皮網(wǎng)格單元使用殼單元，腦膜網(wǎng)格使用只承受張力的膜單元。為了確保模型的精度和計(jì)算的效率，在模型網(wǎng)格劃分時(shí)對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行控制。參考文獻(xiàn)［13］的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行適當(dāng)修正，見(jiàn)表2。

表2 模型網(wǎng)格劃分的單元質(zhì)量控制

有限元分析模型在LS-DYNA軟件中的建立。整個(gè)模型質(zhì)量 4.08kg，由 26個(gè)部件組成，包括57705個(gè)節(jié)點(diǎn)，57110個(gè)實(shí)體單元和11514個(gè)殼單元。該模型描述了頭部的主要解剖學(xué)特征，包括頭皮、三層骨結(jié)構(gòu)的顱骨(松質(zhì)骨與皮質(zhì)骨)、面骨、大腦鐮、腦幕、小腦鐮、軟腦膜、腦脊液、大腦、小腦和腦干等結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

2 數(shù)值計(jì)算模型

頭部損傷生物力學(xué)分析中組織材料主要采用較少變形的彈性、黏彈性和線彈性材料。其中最典型的是與載荷速率相關(guān)的黏彈性材料。黏彈性材料模型被廣泛用來(lái)描述腦組織的材料特性。研究表明，腦組織含水量接近78%，表現(xiàn)出不可壓縮的特性，本模型選用黏彈性材料，其剪切彈性模量的公式為

式中:G0為短效剪切模量;G∞為長(zhǎng)效剪切模量;β為衰減系數(shù);t為時(shí)間。

由于現(xiàn)有的科技手段和實(shí)驗(yàn)條件的限制，實(shí)際頭部的材料參數(shù)很難獲取，各種材料參數(shù)與屬性參考了文獻(xiàn)［15］，見(jiàn)表3。

表3 頭部模型材料參數(shù)與屬性

頭部與頸部的連接采用自由邊界條件，Nahum實(shí)驗(yàn)實(shí)際的碰撞沖擊響應(yīng)過(guò)程的脈沖只持續(xù)6ms左右，因此可忽略短時(shí)間內(nèi)頸部對(duì)頭部運(yùn)動(dòng)的影響。定義硬腦膜緊貼在腦顱的內(nèi)表面，而軟腦膜附著在腦表面。通過(guò)Tied(滑動(dòng)不分離)接觸定義(基于運(yùn)動(dòng)約束方法)對(duì)這種附著特性進(jìn)行模擬，使用Tied接觸描述腦脊液層和硬腦膜之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。為了減少模型的復(fù)雜程度，腦室與腦、顱腦和顱骨都使用共節(jié)點(diǎn)方法連接，顱腦與顱骨之間采用相對(duì)界面滑動(dòng)不分離的接觸算法定義。該算法能確保碰撞時(shí)對(duì)側(cè)負(fù)壓力的模擬，沖擊器與頭部模型采用面-面接觸方式。

3 實(shí)驗(yàn)與仿真驗(yàn)證

國(guó)外較早開(kāi)始使用尸體進(jìn)行頭部損傷方面的實(shí)驗(yàn)研究，早期以研究顱骨骨折的耐受限度為主。1976年，文獻(xiàn)［16］中開(kāi)始使用未經(jīng)防腐處理的尸體頭部進(jìn)行碰撞實(shí)驗(yàn)，測(cè)量顱內(nèi)壓力。20世紀(jì)90年代，文獻(xiàn)［17］中建立了一套實(shí)驗(yàn)體系，通過(guò)尸體碰撞實(shí)驗(yàn)測(cè)量顱內(nèi)壓力數(shù)據(jù)，同時(shí)用所開(kāi)發(fā)的有限元模型證實(shí)了旋轉(zhuǎn)加速度和平移加速度所引起的顱腦相對(duì)運(yùn)動(dòng)在腦損傷機(jī)理中的重要作用，這兩組實(shí)驗(yàn)?zāi)壳皬V泛用于人體頭部模型的驗(yàn)證。

在Nahum尸體實(shí)驗(yàn)中使用一帶有墊片的剛性圓柱體沖擊器以一恒定初速度對(duì)額骨部位進(jìn)行正面撞擊，法蘭克福平面與水平面成45°角，圓柱體的質(zhì)量從5.23kg到23.09kg不等，碰撞速度在8.41～12.95m/s之間變化。實(shí)驗(yàn)中測(cè)量了沖擊器與頭部的碰撞接觸力、頭部質(zhì)心加速度和顱內(nèi)5個(gè)不同位置的壓力值，即頂骨側(cè)腦組織左右各一點(diǎn)、枕骨下方的部位左右各一點(diǎn)和枕部的后腦窩位置。

本模型參考Nahum 37號(hào)實(shí)驗(yàn)，仿真驗(yàn)證建立了5.6kg的圓柱體沖擊器模型，使用泡沫材料來(lái)模擬實(shí)驗(yàn)中的填充材料［18］(E=13.6MPa，泊松比 =0.16)，沖擊器以9.94m/s的速度撞擊頭部，頭部向前傾斜，法蘭克福平面與水平面成45°角，見(jiàn)圖4。

由于Nahum實(shí)驗(yàn)沒(méi)有對(duì)沖擊器前部墊片的材料做出說(shuō)明，只給出了頭部與沖擊器相撞時(shí)的接觸力。為了還原實(shí)驗(yàn)條件，通過(guò)仿真得到在9.94m/s的速度下的接觸力曲線與實(shí)驗(yàn)吻合較好，如圖5所示。因此將這一速度作為驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)匹配的沖擊速度。同時(shí)在驗(yàn)證過(guò)程中考慮到碰撞持續(xù)時(shí)間極短(6ms)，因此設(shè)定頭部為自由邊界條件，忽略頸部對(duì)頭部運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響。

4 實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果的對(duì)比分析與驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本模型的有效性，仿真對(duì)比了頭部質(zhì)心加速度曲線，如圖6所示;前額沖擊位置的顱內(nèi)壓力曲線如圖7所示;枕骨后腦窩位置壓力曲線如圖8所示。由圖可見(jiàn)，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)得到的曲線趨勢(shì)相吻合，前額和枕部的壓力峰值出現(xiàn)在4ms時(shí)刻。圖8顯示的顱內(nèi)壓力分布表現(xiàn)出典型的沖擊-對(duì)沖的壓力梯度分布模式。在前額位置的壓力為正，峰值為160kPa;在枕部壓力為負(fù)，峰值為 -55kPa，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

同時(shí)仿真對(duì)比模擬了Trosseille的尸體實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)曾被用于模型有效性檢驗(yàn)。它用撞擊物在不同初速度和撞擊部位對(duì)3個(gè)尸體標(biāo)本進(jìn)行碰撞，記錄了頭顱的加速度和顱內(nèi)壓力。仿真結(jié)果顯示沖擊接觸力、加速度和顱內(nèi)特定位置的壓力值與Nahum實(shí)驗(yàn)的值比較接近，顱內(nèi)壓力梯度分布如圖9所示。在這些實(shí)驗(yàn)仿真中，顱內(nèi)壓力分布都表現(xiàn)出典型的沖擊-對(duì)沖的壓力梯度分布模式。壓縮時(shí)的峰值為225kPa，拉伸時(shí)的峰值為-196kPa，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

5 結(jié)論

(1)建立了基于中國(guó)人體特征的50百分位男性頭部有限元模型，模型尺寸精度較高，有效性得到了驗(yàn)證，對(duì)我國(guó)深入開(kāi)展汽車(chē)交通事故中頭部損傷機(jī)理與耐受極限的研究具有重要意義。

(2)通過(guò)對(duì)模型的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)響應(yīng)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，本模型具有較高的生物逼真度，在不同的實(shí)驗(yàn)仿真中，模型的顱內(nèi)壓力分布均表現(xiàn)出典型的沖擊-對(duì)沖的壓力梯度分布模式，并且壓力的峰值與前人的尸體實(shí)驗(yàn)吻合較好，該模型可用于汽車(chē)交通事故中頭部和汽車(chē)接觸與無(wú)接觸碰撞事故中由于平移加速度與旋轉(zhuǎn)加速度所引起腦部的損傷評(píng)估。

(3)本模型可作為有效工具應(yīng)用于汽車(chē)車(chē)身安全和防護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，對(duì)減少頭部損傷、保護(hù)乘員和行人安全有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

(4)為我國(guó)建立具有針對(duì)中國(guó)人體特征的汽車(chē)安全法規(guī)與損傷防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)提供參考。

［1］世界衛(wèi)生組織.世界預(yù)防道路交通傷害報(bào)告［R］.瑞士:世界衛(wèi)生組織，2004:1-24.

［2］NHTSA.Traffic Safety Facts2003:A Compilation of Motor Vehicle Crash Data from the Fatality Analysis Reporting System and the General Estimates System［R］.2004.

［3］NHTSA.Traffic Safety Facts 2004:A Compilation of Motor Vehicle Crash Data from the Fatality Analysis Reporting System and the General Estimates System［R］.2005.

［4］Shugar T，Katona M.Development of a Finite Element Head Injury Model［J］.ASCE Journal of Eng.Mech，1975，EM3(E101/173):223-239.

［5］Hosey R R，Liu Y K A.Homeomorphic Finite Element Model of the Human Head and Neck.Finite Element in Biomechanics［M］.New York:Wiley，1982，379-401.

［6］Ruan J S，Khalil T，King A.Dynamic Head Response of the Head to Impact by Three Dimensional Finite Element Analysis［J］.ASME Biomech.Eng.1994，116:44-50.

［7］Bandak F，Eppinger R.A Three-dimensional FE Analysis of the Human Brain Under Combined Rotational and Translational Accelerations［C］.38thStapp Car Crash Conference，F(xiàn)lorida:Society of Automotive Engineers，1994，145-163.

［8］Bandak F，Vandervorst M，Chilton W，et al.An Imaging-based Computational and Experimental Study of Skull Fracture:Finite Element Model Development［J］.Neurotrauma，1995，12(4):679-688.

［9］Dokko Y，Anderson R W G，Zhang Liying.Validation of the Human Head FE Model Against Pedestrian Accidents and its Tentative Application to the Examination of the Existing Tolerance Curve［C］.18thInternational Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles，Nagoya:National Highway Traffic Safety Administration，2003:No.322.

［10］Kang H S，Willinger R，Diaw B M.Validation of a 3D Anatomic Human Head Model and Replication of Head Impact in Motorcycle Accident by Finite Element Modeling［C］.41thStapp Car Crash Conference，Lake Buena Vista:Society of Automotive Engineers，1997:329-338.

［11］Al-Bsharat A，Hardy W N，Yang K H，et al.Brain/skull Relative Displacement Magnitude Due to Blunt Head Impact:New Experimental Data and Model［C］.43thStapp Car Crash Conference，San Diego:Society of Automotive Engineers，1999:321-332.

［12］Kleiven S，Hardy W N.Correlation of an F E Model of the Human Head with Experiments on Localized Motion of the Brain-Consequences for Injury Prediction［C］.46thStapp Car Crash Conference，Ponte Vedra:Society of Automotive Engineers，2002:123-144.

［13］許偉，楊濟(jì)匡.用于交通傷評(píng)估的頭部有限元模型的虛擬試驗(yàn)驗(yàn)證［J］.汽車(chē)工程，2008，30(2):151-155.

［14］趙瑋，阮世捷，李海巖.應(yīng)用于頭部損傷生物力學(xué)研究的三維有限元模型發(fā)展概況［J］.中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào)，2011(1):110-119.

［15］Li Dalong，Ziejewski Mariusz.The Parametric Studies of Brain Materials in the Analysis of Head Impact［C］.Proceedings of IMECE2006//ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition November 5-10，2006，Chicago，Illinois，USA，IMECE2006-15596.

［16］Nahum Alan M，Smith Randall，et al.Intracranial Pressure Dynamics During Head Impact［C］.SAE Paper 770922.

［17］Trosseille X，Tarriere C，et al.Development of a FEM of the Human Head According to a Specific Test Protocol［C］.36thStapp Car Crash Conference.Seattle，USA:Society of Automotive Engineers，1992:235-253.

［18］Zhang Liying，Yang King H.Recent Advances in Brain Injury Research:A New Human Head Model Development and Validation［J］.Stapp Car Crash Journal，2001，45:1-25.