呂曉江，馬正偉，劉衛(wèi)國，陳吉清，周大永，馮擎峰

（1. 浙江吉利汽車研究院有限公司，浙江，杭州 311228；2. 華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東，廣州 510641；3. 浙江省汽車安全技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江，杭州 311228）

在交通事故中，頭部損傷是最為常見的損傷類型，是造成人類重傷或者死亡的主要原因。根據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，在道路交通中弱勢道路使用者占總死亡人數(shù)中的50%，其中行人占總死亡人數(shù)中的22%[1]。在中國，由于混合式交通狀況嚴(yán)重，行人受到的威脅更大。根據(jù)2010年統(tǒng)計數(shù)據(jù)，在中國，行人死亡占所有交通死亡人數(shù)的25%，共計689 996人[2]，因此進(jìn)行行人損傷尤其是行人頭部損傷的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前世界上評價行人頭部損傷大多采用符合歐洲車輛安全促進(jìn)委員會標(biāo)準(zhǔn)的（European Enhanced Vehicle-Safety Committee，EEVC）行人頭部碰撞沖擊器，以HIC15標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評價。然而，該評價標(biāo)準(zhǔn)由于僅考慮平移加速度的影響，對于人體頭部生物力學(xué)其它性能未能良好體現(xiàn)；此外該沖擊器幾何尺寸等方面并不適合中國人體特征，對研究中國行人碰撞安全問題具有一定的局限性。

本文以具有中國50百分位人體特征的頭部損傷生物力學(xué)模型為基礎(chǔ)，通過對比EEVC行人頭部碰撞沖擊器，對行人頭部顱骨、顱腦損傷進(jìn)行研究，為我國行人保護(hù)安全開發(fā)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定及交通事故重建提供一些參考。

1 頭部生物力學(xué)模型

1.1 頭部損傷類型及機(jī)理

頭部損傷主要分為顱傷及腦傷兩大類。顱傷主要形式為面部軟組織損傷以及面顱、頭顱骨折。顱骨骨折分為凹陷性骨折和線性骨折，與行人有關(guān)的顱骨骨折主要和顱骨碰撞點(diǎn)以及接觸范圍有關(guān)，當(dāng)顱骨碰撞區(qū)域較小時發(fā)生凹陷性骨折，這是由于碰撞點(diǎn)受力集中，能量通過局部骨折吸收；當(dāng)碰撞區(qū)域較大時，能量擴(kuò)散，頭頂部的沖擊易于在遠(yuǎn)離沖擊點(diǎn)處產(chǎn)生較寬的線性骨折[3]。顱骨不同部位骨折時耐受限度見表1[4]。

表1 顱骨不同部位骨折時耐受限度

腦損傷主要形式為集中性腦損傷及彌漫性腦損傷。集中性腦損傷表現(xiàn)形式有硬膜外血腫、硬膜下血腫、蛛網(wǎng)膜下出血、腦內(nèi)血腫及腦挫裂傷等；彌漫性腦損傷表現(xiàn)形式有腦震蕩、彌散性軸突損傷。在交通事故中顱腦損傷主要是由動態(tài)載荷造成的。頭部與車輛的接觸碰撞會導(dǎo)致頭顱變形產(chǎn)生接觸力，頭部所受的接觸力產(chǎn)生應(yīng)力波，隨著應(yīng)力波在顱腦內(nèi)傳播，在撞擊側(cè)產(chǎn)生正壓力，在對撞側(cè)產(chǎn)生負(fù)壓力從而形成壓力梯度，這樣的機(jī)理使顱內(nèi)壓縮并產(chǎn)生了局部集中性腦損傷，表現(xiàn)形式為腦挫裂傷[5]。另一種情況是頭部受慣性力作用會引起頭部加速或減速運(yùn)動，研究表明平移加速度是造成集中性腦損傷的主要原因，旋轉(zhuǎn)加速度是造成彌漫性腦損傷的主要原因[6-7]。

1.2 頭部生物力學(xué)模型

本文采用的頭部損傷生物力學(xué)模型由華南理工大學(xué)主導(dǎo)開發(fā)完成。幾何模型來自中國成年男性志愿者CT斷層掃描圖片，并通過網(wǎng)格劃分、材料參數(shù)設(shè)置等完成模型的建立。模型總質(zhì)量4.08 kg，描述了頭部主要解剖學(xué)特征，包括頭皮、顱骨、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1所示[8]。

表2 人體頭部測量尺寸對比單位：mm

將頭部損傷生物力學(xué)模型與我國50百分位成年男性測量尺寸對比，由表2可知[9]，該生物力學(xué)有限元模型幾何尺寸與中國50百分位人體測量尺寸十分接近，因此該模型具有廣泛代表性。

表中，A指頭部兩耳屏間寬；B指頭長（枕后隆突點(diǎn)到眉間點(diǎn)距離）；C指頭最大長（眉間點(diǎn)至枕后點(diǎn)的直線距離）；D指頭全高（頜下點(diǎn)到顱頂點(diǎn)豎直高度）；E指頭圍長度（以眉間點(diǎn)為起點(diǎn)經(jīng)枕后點(diǎn)至起點(diǎn)的圍長）；F指頭矢狀弧長（軟卷尺在正中矢狀面上測量從眉間點(diǎn)至枕外隆突點(diǎn)的弧長）；G指頭冠狀弧（在冠狀面上測量從一側(cè)耳屏點(diǎn)至另一側(cè)耳屏點(diǎn)的弧長）。

模型驗(yàn)證基于Nahum尸體試驗(yàn)[10]，通過對比仿真與試驗(yàn)中接觸力、頭部質(zhì)心加速度及顱內(nèi)壓力曲線，仿真與試驗(yàn)曲線數(shù)量級及峰值趨于一致，表明建立的頭部損傷生物力學(xué)模型能夠準(zhǔn)確反映真實(shí)碰撞中人體顱內(nèi)組織力學(xué)相應(yīng)情況。

2 行人頭部損傷研究

2.1 分析模型建立

對某車型前端3D幾何模型進(jìn)行幾何清理、網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格單元基本尺寸為5 mm×5 mm，車輛前端有限元模型包括1 107 982個節(jié)點(diǎn)和1 115 218個單元。碰撞條件參考Euro-NCAP行人保護(hù)測試程序，頭部生物力學(xué)模型發(fā)射角度為65°，碰撞速度為40 km/h。在人車碰撞中，不同行人步態(tài)及行人與車輛的相對位置關(guān)系將導(dǎo)致不同頭部部位與車輛前端碰撞。根據(jù)行人頭部與車輛前端初始接觸位置不同將碰撞分析方案分為4種，見表3，將頭部生物力學(xué)模型質(zhì)心沿65°沖擊方向?qū)?zhǔn)同一目標(biāo)點(diǎn)。

表3 分析方案

2.2 顱骨損傷分析

對于顱骨損傷評價，主要考慮顱骨骨折，評價標(biāo)準(zhǔn)參照表1顱骨不同部位骨折時耐受限度。

由圖2可知，不同碰撞位置顱骨接觸力-時間曲線整體趨勢一致，峰值差異較小，但方案四中曲線在0.005 s左右出現(xiàn)較大震蕩，這是由于顳骨與車輛前端接觸后，隨著頭部發(fā)生翻轉(zhuǎn)，面骨與車輛前端發(fā)生接觸并吸收部分碰撞能量所致。參考表1顱骨不同部位骨折時耐受限度，方案一最大接觸力5.9 kN，存在額骨骨折風(fēng)險；方案二最大接觸力5.8 kN，根據(jù)陳興武等的研究，頂骨耐受限度為6.8～9.4 kN[11]，方案二低于頂骨破壞限值；方案三最大接觸力5.8 kN，低于枕骨的破壞限值；方案四最大接觸力5.9 kN，存在顳骨骨折風(fēng)險。可見顱骨不同位置由于耐受限度不同，在同一目標(biāo)點(diǎn)碰撞時會產(chǎn)生不同的損傷。在交通事故重構(gòu)中也可以通過不同部位顱骨損傷程度來推算碰撞接觸力大小，并結(jié)合其它材料對人的運(yùn)動姿態(tài)及交通狀況進(jìn)行進(jìn)一步分析。另外在方案四中由于面骨也與車輛前端發(fā)生接觸，也存在一定面骨骨折的風(fēng)險。

EEVC 4.5 kg成人頭型與發(fā)動機(jī)罩外板碰撞后對比，如圖3所示。整體來看，方案一至方案四產(chǎn)生凹痕形態(tài)與EEVC試驗(yàn)后類似，由于顱骨不同部位的幾何形狀不同，在發(fā)動機(jī)罩外板上產(chǎn)生略微不同的凹痕，方案一由于額骨近似半圓狀，與EEVC試驗(yàn)結(jié)果較為一致。

2.3 顱腦損傷分析

2.3.1 顱內(nèi)壓力

Ward等人的研究指出，當(dāng)顱內(nèi)壓力大于235 kPa，拉伸壓力達(dá)到-186 kPa，會導(dǎo)致嚴(yán)重傷害，在173～235 kPa之間，會產(chǎn)生中度損傷[12]。根據(jù)圖4所示，方案一額骨與車輛前端碰撞，碰撞側(cè)額葉呈現(xiàn)正壓力，碰撞對側(cè)枕葉呈現(xiàn)負(fù)壓力，最大壓力分布在額葉位置，壓力值為209.1 kPa，拉伸壓力為-187.8 kPa，存在腦挫裂傷風(fēng)險。方案二頂骨與車輛前端碰撞，碰撞側(cè)頂葉呈現(xiàn)正壓力為221.5 kPa，碰撞對側(cè)枕葉及顳葉下部呈負(fù)壓力為-202.3 kPa，存在腦挫裂傷風(fēng)險。方案三枕骨與車輛前端碰撞，碰撞側(cè)枕葉呈現(xiàn)正壓力為165.5 kPa，碰撞對側(cè)額葉呈現(xiàn)負(fù)壓力，最大壓力雖然未超出文獻(xiàn)給定限值，但從醫(yī)學(xué)角度來看，對腦的影響，枕骨的沖擊力造成的影響是很大的，主要是因?yàn)轱B骨內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成：顱骨底部凹凸不平，前面骨脊銳利，而且存在銳利的大小腦幕。所以，醫(yī)療上，在條件相同的情況下，枕部沖擊導(dǎo)致的腦傷較為嚴(yán)重。方案四顳骨與車輛前端碰撞，碰撞側(cè)右顳葉呈現(xiàn)正壓力，碰撞對側(cè)左顳葉呈現(xiàn)負(fù)壓力，但最大壓力并未出現(xiàn)在碰撞側(cè)及碰撞對側(cè)，而出現(xiàn)在右顳葉下部，接近不規(guī)則部位壓力值達(dá)到了344.9 kPa，存在嚴(yán)重腦挫裂傷風(fēng)險。

2.3.2 顱內(nèi)應(yīng)力

Willinger等人的研究指出，當(dāng)顱內(nèi)等效應(yīng)力達(dá)到15～20 kPa時，會導(dǎo)致腦震蕩的出現(xiàn)，而當(dāng)顱內(nèi)等效應(yīng)力達(dá)到38 kPa，會導(dǎo)致嚴(yán)重的腦損傷[3]。根據(jù)圖5的結(jié)果，方案一、二顱內(nèi)應(yīng)力超出了限值范圍，存在較嚴(yán)重腦震蕩。方案三、四顱內(nèi)應(yīng)力在限值范圍內(nèi)，存在腦震蕩風(fēng)險。

2.3.3 HIC15

根據(jù)圖6計算出HIC15值為：方案一2 030.31；方案二1 410.51；方案三1 810.24；方案四1 575.67；EEVC成人頭部試驗(yàn)1 554.39。由圖6可知，方案一、二、三、四合成加速度-時間曲線與EEVC成人頭部試驗(yàn)趨勢一致。但方案一、二、三、四曲線存在不規(guī)則震蕩會引起HIC15值增加或減少，說明同一目標(biāo)點(diǎn)不同顱骨碰撞位置HIC值差異較大。由于生物力學(xué)模型不是剛體，其運(yùn)動和接觸的問題導(dǎo)致HIC值差異，主要受接觸力、變形和轉(zhuǎn)動力矩或轉(zhuǎn)動加速度等原因影響，這也就是說生物力學(xué)模型并不適用HIC 評價。

3 結(jié)論

本文利用頭部生物力學(xué)模型研究了行人與車輛前端碰撞的頭部損傷，得出以下結(jié)論。

（1）對顱骨損傷而言，在同一目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行碰撞時，由于顱骨碰撞位置不同，產(chǎn)生的顱骨損傷也不同。

（2）對顱腦損傷而言，利用顱內(nèi)壓力及顱內(nèi)應(yīng)力可以為判斷集中性腦損傷及彌漫性腦損傷提供參考。

（3）本文頭部生物力學(xué)模型與EEVC頭部碰撞模型對比頭部合成加速度曲線趨勢一致，發(fā)動機(jī)罩外板變形接近，HIC15值隨著碰撞位置不同，存在較大差異。

References)

[1]World Health Organization. Global Status Report on Road Safety 2013：Supporting a Decade of Action [R].Switzerland：World Health Organization，2013.

[2]World Health Organization. Estimated Road Traffic Death Rate 2010[EB/OL]. (2013-7-18)http：//gamapserver.who.int/gho/interactive_charts/road_safety/road_traffic_deaths2/atlas.html.

[3]許偉. 車輛碰撞事故中頭部生物力學(xué)響應(yīng)和損傷機(jī)理分析[D]. 長沙：湖南大學(xué)， 2007.

Xu Wei. A Study of Head Biomechanical Response and Injury Mechanisms in Vehicle Traffic Accidents [D].Changsha：Hunan University，2007. (in Chinese)

[4]Yang Jikuang. Review of Injury Biomechanics in Car-Pedestrian Collisions [J]. International Journal of Vehicle safety，2005，1(1/2/3)：100-117.

[5]施磊. 車輛碰撞事故中人體頭部生物力學(xué)響應(yīng)仿真模擬研究[D]. 廣州：華南理工大學(xué)，2011.

Shi Lei. Study on Human Head Biomechanical Response and Simulation in Vehicle Collisions [D]. Guangzhou：South China University of Technology，2011. (in Chinese)

[6]LISSNER H，LEBOW M，EVANS F. Experimental Studies on the Relation Between Acceleration and Intracranial Pressure Changes in Man [J]. Surgery，Gynecology and Obstetrics，1960，18(1)：58-60.

[7]GENNARELLI T，THIBAULT L，OMMAYA A.Pathophysiologic Responses to Rotational and Translational Accelerations of the Head [C]// Proc of 15th Stapp Car Crash Conference，Detroit，USA：Society of Automotive Engineers，1972：296-308.

[8]蔡志華，蘭鳳崇，陳吉清，等. 汽車交通事故中頭部損傷評估模型的構(gòu)建與驗(yàn)證[J]. 汽車工程，2012，34(9)：782-786.

Cai Zhihua，Lan Fengchong，Chen Jiqing，et al. Construction and Validation of the Assessment Model for Human Head Injury in Vehicle Traffic Accident [J]. Automotive Engineering，2012，34(9)：782-786. (in Chinese)

[9]GB/T2428—1998. 成年人頭面部尺寸[S]. 北京： 國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，1998.

GB/T2428—1998. Head-Face Dimensions of Adults[S].Beijing：General Administration of Quality Supervision，Inspection and Quarantine of the People's Republic of China，1998. (in Chinese)

[10]NAHUM A，SIMTH M D. An Experimental Model for Closed Head Impact Injury [C]// Proc of 20th Stapp Car Crash Conference，Dearborn：Society of Automotive Engineers，1976：785-814.

[11]陳興武，王慧君，趙衛(wèi)東，等. 人頭部力錘沖擊試驗(yàn)的生物力學(xué)研究[J]. 中國臨床解剖學(xué)雜志，2005，23(3)：298-302.

Chen Xingwu，Wang Huijun，Zhao Weidong，et al.Biomechanical Study on the Impact Tests Conducted on Human Head with Hammer [J]. Chinese Journal of Clinical Anatomy，2005，23(3)：298-302. (in Chinese)

[12]WARD C，THOMPSON R. The Development of a Detailed Finite Element Brain Model [C]// Proc of 19th Stapp Car Crash Conference，San Diego：Society of Automotive Engineers，1975：641-674.