蘭鳳崇，童芳，陳吉清，李雄

（華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510641）

在交通事故中，乘員胸部極易與方向盤、安全氣囊及汽車內(nèi)飾發(fā)生碰撞[1]，由此引起的乘員鈍性心臟損傷（Blunt cardiac injury,BCI）的死亡率極高[2].數(shù)據(jù)顯示，事故導(dǎo)致的心臟鈍性損傷患者有6.3%死于交通事故現(xiàn)場，即使送往醫(yī)院總死亡率也高達(dá)88.5%[3].因此，心臟鈍性損傷機(jī)理研究對于車輛設(shè)計(jì)中人體安全防護(hù)裝置的優(yōu)化，以及機(jī)械暴力事故中人體心臟的診斷和治療具有重要意義.

胸部鈍性沖擊下影響B(tài)CI 的因素有很多，沖擊胸部的物體質(zhì)量和沖擊速度越大，會使胸腔發(fā)生越劇烈的變形，增加了BCI 的風(fēng)險(xiǎn)[4-5].由人種、性別、年齡等因素引起的胸壁順應(yīng)性差別在鈍性胸部沖擊下會對心臟造成不同程度的壓迫[2，6].老年人群肋骨斷裂的極限應(yīng)力應(yīng)變較低，在碰撞過程中更容易發(fā)生肋骨骨折，增加心臟破裂的可能性[7].不僅如此，心臟是一個(gè)充滿血液的四腔室結(jié)構(gòu)，心肌在心電刺激下持續(xù)地有節(jié)律的收縮，實(shí)現(xiàn)了血液的體循環(huán)和肺循環(huán)[8].在這個(gè)過程中，心肌的形態(tài)以及心腔內(nèi)的血流動力學(xué)均處于動態(tài)變化，心動周期內(nèi)不同胸部沖擊時(shí)刻對心臟損傷產(chǎn)生的影響不可忽略[9-10].許多研究者利用活體動物實(shí)驗(yàn)來研究胸部沖擊時(shí)刻對鈍性心臟損傷的影響.Link 等[11]利用18 只幼豬做不同心動周期時(shí)刻的胸部沖擊試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)心室纖顫的發(fā)生與否與胸部的撞擊時(shí)刻有關(guān).劉維永等[12]利用78只麻醉后的家兔做心室前壁的撞擊實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示在舒張末期心臟破裂的幾率較高.Stein 等人以及Life 等人[13-14]通過對狗的胸部沖擊試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，心臟收縮期時(shí)心室更容易受傷，而在心臟舒張期時(shí)心房更容易受傷.然而，人與動物的生理和解剖學(xué)上存在差異，動物試驗(yàn)不能完全真實(shí)地反應(yīng)人體的響應(yīng)[15].在這種情形下，基于人體解剖結(jié)構(gòu)建立的生物力學(xué)模型已成為分析人體損傷機(jī)理的重要方法之一.

目前的損傷生物力學(xué)模型如福特的整人模型[16]、豐田的安全人體模型（Total Human Model for Safety,THUMS）[17]、華南理工大學(xué)的中國人體模型（Chinese Human Body Model,CHUBM）[18]、全球人體聯(lián)盟模型（Global Human Body Models Consortium,GHBMC）[19]等，在人體碰撞損傷研究方面都取得了重要進(jìn)展.然而，目前人體生物力學(xué)模型的建立基本不包含心臟的精細(xì)化建模，對心臟的鈍性沖擊損傷的研究較少.Jiang 等[20]以及Iwamoto 等[17]建立的人體胸部有限元模型中，心臟被看作一個(gè)均質(zhì)的實(shí)體，主要通過胸部壓縮量及肋骨斷裂情況研究胸腔整體的響應(yīng).蘭鳳崇等[21]建立的胸部模型中，基于網(wǎng)格劃分情況將心臟分出兩個(gè)腔室，但對心房心室輪廓描述較為粗糙.方紅榮等[22]采用尸體的心臟斷層圖像數(shù)據(jù)建立了心臟有限元模型，研究了血壓作用下心肌的應(yīng)力分布.但其中血壓采用恒定的均布壓力載荷來模擬，對于血壓的動態(tài)變化模擬不足，無法反映血液與心肌的相互作用.

為了考慮碰撞過程中血液與心肌的耦合作用，并進(jìn)一步分析與心動周期有關(guān)的碰撞時(shí)刻對心臟損傷的影響，本文首先基于成年男性胸部的增強(qiáng)CT 影像構(gòu)建了心臟的有限元模型，在Abaqus 仿真軟件中對心房心室進(jìn)行血液流體的填充.將血液-心臟流固耦合模型裝配到團(tuán)隊(duì)前期開發(fā)的中國50 百分位男性模型胸腔內(nèi)，并利用尸體胸部的碰撞試驗(yàn)進(jìn)行了模型有效性的驗(yàn)證.隨后，對心動周期內(nèi)40 個(gè)不同狀態(tài)的心臟模型進(jìn)行胸部正面碰撞的仿真，得到了心臟舒張、收縮期胸部碰撞下心肌的應(yīng)力應(yīng)變分布以及四個(gè)心腔內(nèi)的血壓變化.分析了四個(gè)腔室在胸部正面碰撞下的損傷風(fēng)險(xiǎn)，碰撞時(shí)刻對心肌應(yīng)力、血壓的影響，以及瓣膜開閉狀態(tài)對BCI 的影響.

1 模型與方法

1.1 乘員心臟有限元模型的建立

根據(jù)《中國成年人人體尺寸（GB/T 10000-1988）》，18-60 歲的中國男性平均身高為167.8 cm，體重為59 kg.據(jù)此，選擇身高170 cm，體重60 kg 的30 歲健康男性志愿者，對其注射造影劑后進(jìn)行增強(qiáng)CT 掃描.將獲得的影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics 軟件中進(jìn)行心肌及血管組織的點(diǎn)云處理.利用閾值調(diào)整、區(qū)域增長、3D 編輯等功能配合手動調(diào)整蒙罩部分區(qū)域分別獲取心室、心房、主動脈、心肌外輪廓的點(diǎn)云數(shù)據(jù).提取血管的中心線，輔助調(diào)整血管與組織的局部干涉.將提取的點(diǎn)云導(dǎo)入Geomagic Studio 軟件中進(jìn)行幾何重建，生成的幾何模型通過Hypermesh 軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到心臟及血管的有限元模型如圖1 所示.

圖1 乘員心臟及主要血管的有限元模型Fig.1 FE model of occupant heart and vessels

建立的心臟模型包括心包膜、心肌、左心房、左心室、右心房、右心室、主動脈、肺動脈、肺靜脈、上下腔靜脈等.心包膜和心內(nèi)膜采用三角形殼單元模擬，厚度為0.5 mm[23]；血管用三角形殼單元模擬，厚度為1.5 mm[24]；心肌因形狀復(fù)雜采用四面體單元劃分.最終建立的模型具有154 202 個(gè)單元和34 149 個(gè)節(jié)點(diǎn).網(wǎng)格質(zhì)量顯示所有單元雅各比大于0.8，翹曲度小于4.7°且扭曲都小于37°.心肌采用粘彈性材料模擬，如公式（1）所示：

式中：Go是短效剪切模量，G∞是長效剪切模量，用于控制粘彈性響應(yīng)，β 為延遲系數(shù).在心肌材料中剪切模量分別取0.44 以及0.15[16].

血管采用線彈性材料模擬，更多部分的材料參數(shù)見表1.其中ρ 表示材料密度，E 表示彈性模量，γ表示材料泊松比，H 表示殼單元的厚度.

表1 心臟及血管的材料特性[16]Tab.1 Material properties of the heart FE model

1.2 血液流體單元的填充

心臟是一個(gè)充滿血液的四腔室結(jié)構(gòu).軟件Abaqus 中基于面的流體腔算法能夠模擬在一個(gè)充滿流體的結(jié)構(gòu)中流體與結(jié)構(gòu)的相互作用.對腔體內(nèi)的流體，用兩種模型來表達(dá)其性質(zhì)：基于理想氣體方程的氣動模型與表示不可壓縮或近似不可壓縮流體的水力模型.血液是一種近似不可壓縮流體，故本研究選用水力模型來模擬血液的性質(zhì).在Abaqus 的顯示計(jì)算中，流體的壓力是根據(jù)腔體的體積來計(jì)算的.通過設(shè)置流體的體積模量來定義其壓縮性，本研究中血液的體積模量為2 200 MPa.

腔體的體積等于組成腔體的每一個(gè)流體單元的體積總和.單個(gè)流體單元是由腔體邊界的面單元與腔內(nèi)的參考點(diǎn)構(gòu)成.圖2 以右心室為例展示了一個(gè)流體腔以及內(nèi)部的流體單元.P 作為右心室內(nèi)部的參考點(diǎn)，用于計(jì)算腔體體積以及輸出流體的壓力等性質(zhì)；三角形ABC 是組成右心室內(nèi)部邊界的面單元；四面體P-ABC 構(gòu)成一個(gè)流體單元.

圖2 流體腔（右心室）及內(nèi)部流體單元Fig.2 Fluid cavity（right ventricle）and fluid element

建立的血液-心臟流固耦合模型中，血液填充的四個(gè)腔室分別為左心房、左心室、右心房和右心室.后續(xù)可根據(jù)心臟的狀態(tài)分別在四個(gè)心腔的參考點(diǎn)定義腔體初始壓力以及瓣膜的激活狀態(tài).

1.3 血液-心臟流固耦合模型的裝配及驗(yàn)證

本團(tuán)隊(duì)前期已開發(fā)了中國50 百分位成年男性乘員的生物力學(xué)模型，并對比文獻(xiàn)中的沖擊器試驗(yàn)以及臺車試驗(yàn)分別進(jìn)行了頭、頸、胸腹、上下肢等的局部和整體仿真[25-28]，驗(yàn)證了模型的可靠性.將建立的心臟模型與整人模型進(jìn)行裝配，如圖3 所示.微調(diào)肺、肝臟等與心臟的相對位置符合解剖學(xué)結(jié)構(gòu).肺動脈、肺靜脈等與肺的連接方式采用共節(jié)點(diǎn)以提升計(jì)算的穩(wěn)定性.

圖3 心臟模型與人體模型胸腔的裝配Fig.3 Assembly of heart model and thoracic model

在Kroell[29]的研究中，采用23 具不同年齡性別的尸體樣本進(jìn)行正面胸部鈍性沖擊試驗(yàn)，研究胸部及心臟在此過程中的動態(tài)響應(yīng).為了模擬體內(nèi)的血壓狀態(tài)，在實(shí)驗(yàn)前給心臟和主動脈填充生理鹽水并縫合，記錄實(shí)驗(yàn)過程中各腔室的時(shí)間壓力變化曲線.實(shí)驗(yàn)中，樣本上肢被膠帶固定在一個(gè)5 cm 寬的平面上（碰撞前撕開），用一個(gè)半徑為15.24 cm 的圓柱（內(nèi)附加不同質(zhì)量）以不同的速度撞擊胸部第四根肋骨的位置，如圖4 所示.研究中，有9 例試驗(yàn)記錄了血壓變化，同時(shí)無背部約束及死后僵直現(xiàn)象.按照沖擊器質(zhì)量和沖擊速度將這9 例試驗(yàn)分為2 組，分別對模型在不同工況下的仿真響應(yīng)進(jìn)行驗(yàn)證見表2，其中m 代表沖擊器質(zhì)量，v 代表沖擊速度.

圖4 胸部正面沖擊的實(shí)驗(yàn)與仿真約束Fig.4 Test and simulation conditions under thoracic impact

表2 實(shí)驗(yàn)與仿真工況的條件Tab.2 Test and simulation cases

本文建立了與尸體實(shí)驗(yàn)相同的邊界條件來模擬胸部的鈍性沖擊過程.將裝配有流固耦合心臟模型的整人模型調(diào)整姿勢到與實(shí)驗(yàn)一致.人體模型坐于剛性板上，上肢舉起約45°角.約束沖擊器除水平移動方向的其他5 個(gè)自由度，保證其不發(fā)生翻轉(zhuǎn).

1.4 不同胸部沖擊時(shí)刻的碰撞仿真

一個(gè)心動周期由四個(gè)階段組成，分別是等容收縮期、射血期、等容舒張期和心室充盈期，在每個(gè)階段選取10 個(gè)心臟的瞬時(shí)狀態(tài)來進(jìn)行碰撞模擬.心臟的瞬時(shí)狀態(tài)用各心房心室的血壓以及瓣膜的開閉情況來表征.當(dāng)心臟處于等容收縮期、射血期和等容舒張期時(shí)，房室瓣膜處于關(guān)閉狀態(tài)，此時(shí)激活瓣膜與血液的接觸作用（圖5（a）），阻止血液在房室間流動；當(dāng)心臟處于心室充盈期時(shí)，取消瓣膜與血液的接觸作用（圖5（b）），使得心房和心室連通.不同時(shí)刻的心腔內(nèi)血壓來源于文獻(xiàn)記錄，如圖6 所示[8].例如，在射血期的仿真a 根據(jù)圖6 分別賦予四個(gè)心腔碰撞時(shí)的初始壓力15.8 kPa（LV），0.11 kPa（LA），3.16 kPa（RV）以及0.08 kPa（RV），并激活瓣膜與血液的接觸.將40 個(gè)不同狀態(tài)的心臟放入整人模型中，建立如圖4 中仿真的約束條件，沖擊器質(zhì)量為18.98 kg，沖擊速度為7.2 m/s.記錄不同狀態(tài)的心臟在胸部碰撞過程中心肌應(yīng)力應(yīng)變分布及心房心室的血壓輸出曲線.

圖5 瓣膜不同狀態(tài)的設(shè)置Fig.5 Valve settings in different heart states

圖6 心動周期內(nèi)各心腔壓力的變化Fig.6 Pressure-time histories in four heart chambers during a cardiac cycle

2 結(jié)果

2.1 心臟模型的驗(yàn)證

兩組不同工況的胸部沖擊試驗(yàn)及對應(yīng)仿真中，左心室血壓隨時(shí)間的變化曲線如圖7 所示，右心房血壓隨時(shí)間的變化曲線如圖8 所示.針對左心室的壓力，實(shí)驗(yàn)和仿真曲線在開始的10 ms 變化不大，隨后10-20 ms 迅速增大.達(dá)到峰值后的約25 ms 在高壓范圍內(nèi)波動，隨后壓力逐漸減小至30 kPa 以下.仿真1 中的峰值血壓為72.4 kPa，仿真2 中的峰值血壓為125.5 kPa，均在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)范圍內(nèi)，符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

圖7 左心室血壓隨時(shí)間的變化Fig.7 Pressure-time histories in left ventricle

圖8 右心房血壓隨時(shí)間的變化Fig.8 Pressure-time histories in right atrium

圖8 所示右心房壓力曲線，經(jīng)過10 ms 的胸廓擠壓階段（此時(shí)心臟未被壓縮）后，有波動的上升.壓力達(dá)到最大之后即開始緩慢下降，在50-60 ms 間幾乎恢復(fù)到初始值.仿真1 的右心房壓力峰值為72.1 kPa，仿真2 中右心房壓力峰值為128.6 kPa，均在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)范圍內(nèi)，符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

2.2 胸部正面沖擊下心肌及血壓的整體響應(yīng)

首先分析40 個(gè)不同心動周期的心臟受到?jīng)_擊時(shí)的整體響應(yīng)，如圖9 所示.由圖可見不論心臟處于什么狀態(tài)，胸壁的正面沖擊都大大增加了心內(nèi)血壓及心肌的應(yīng)力.在碰撞過程中，左心的血壓明顯高于右心的血壓，其中左心房的血壓最大達(dá)到（164.91±17.33）kPa.對于心肌應(yīng)力而言，右心的心肌比左心的心肌承受了更大的應(yīng)力.右心室的心肌上應(yīng)力最大，達(dá)到（1887.07±168.74）kPa.

圖9 不同狀態(tài)心臟在胸壁沖擊下的整體響應(yīng)Fig.9 Overall responses of the heart under impact

選擇其中一例仿真結(jié)果（心臟處于等容收縮期時(shí)的碰撞，心腔初始壓力為左心室6.01 kPa，左心房1.00 kPa，右心室1.20 kPa，右心房0.75 kPa）來分析心肌及血管的應(yīng)力分布，如圖10 所示.當(dāng)胸腔被極度壓縮時(shí)（20 ms），Von Mises 應(yīng)力主要集中在肺靜脈與左心房血管與心房的連接處，以及右心房與靜脈腔的連接處（圖10（a））.這是由于胸部在受到撞擊時(shí)，心臟與肺等其他組織產(chǎn)生相對運(yùn)動，導(dǎo)致血管在連接處產(chǎn)生拉扯.Turan[2]的研究中也報(bào)道了類似的鈍性心臟損傷機(jī)理：車輛碰撞導(dǎo)致人體突然的減速會使血管與心房的連接處斷裂.

胸部鈍性碰撞過程中，心肌的Von Mises 應(yīng)力分布如圖10（b）所示.當(dāng)胸骨開始接觸心臟時(shí)（9 ms），首先對右心產(chǎn)生沖擊，瞬間的作用力容易造成右心室的破裂.載荷沖擊下胸骨持續(xù)擠壓心臟，20 ms 時(shí)應(yīng)力集中在左右心室間隔處以及右心的內(nèi)壁，使得右心房心室以及心室間隔容易發(fā)生損傷.Kroell[29]利用尸體做的胸部正面沖擊實(shí)驗(yàn)中，試驗(yàn)93 號，94 號以及104 號等也都產(chǎn)生了左右心腔間隔的破裂損傷.

圖10 胸部正面沖擊下血管及心肌的Von Mises 應(yīng)力分布Fig.10 Distribution of stress on blood vessels and myocardium

2.3 胸部沖擊時(shí)刻對鈍性心臟損傷的影響

將心臟在不同狀態(tài)受到?jīng)_擊時(shí)的心肌最大應(yīng)力與峰值血壓繪制成點(diǎn)狀圖如圖11 所示.四種不同的點(diǎn)標(biāo)記分別代表等容收縮期、射血期、等容舒張期以及心室充盈期.結(jié)果顯示，在心臟的四個(gè)腔室中，不論是峰值血壓還是心肌最大應(yīng)力，心臟處于心室充盈期的碰撞結(jié)果與其它三個(gè)狀態(tài)的結(jié)果具有明顯的差異性：在左心室中，心室充盈期的碰撞結(jié)果具有更高的峰值血壓與更大的心肌應(yīng)力；在左心房和右心室中，心室充盈期碰撞時(shí)產(chǎn)生了較低的血壓峰值與較大的心肌應(yīng)力；在右心房中，心室充盈期碰撞引起的腔內(nèi)血壓較低.等容收縮期、射血期和等容舒張期碰撞時(shí)，應(yīng)力和血壓結(jié)果在一定范圍內(nèi)的分布較為平均，沒有明顯的規(guī)律.

圖11 不同胸部碰撞時(shí)刻心肌最大應(yīng)力與峰值血壓分布Fig.11 Maximum stress and peak pressure of the heart under different impact timing

當(dāng)心臟處于等容收縮期、射血期和等容舒張期時(shí)，房室瓣膜均處于關(guān)閉狀態(tài)，心腔內(nèi)的血液壓力是區(qū)分心臟狀態(tài)的主要變量.圖11 的結(jié)果表明，心動周期內(nèi)不同階段的心腔內(nèi)血壓對心臟鈍性損傷的影響不明顯.為了進(jìn)一步探究每個(gè)心腔內(nèi)的初始血壓對該心腔的損傷影響，用Pearson 相關(guān)系數(shù)來衡量它們之間的關(guān)系如圖12 所示.第一行的圖12（a）-（d）是四個(gè)心腔內(nèi)初始血壓與碰撞期間峰值血壓的相關(guān)系數(shù)計(jì)算；第二行的圖12（e）-（h）是四個(gè)心腔內(nèi)初始血壓與心肌最大應(yīng)力的相關(guān)系數(shù)計(jì)算.從8 組數(shù)據(jù)計(jì)算得到的Pearson 相關(guān)系數(shù)表明，心腔內(nèi)的初始壓力與胸部撞擊時(shí)心內(nèi)的峰值之間幾乎沒有線性關(guān)系；在左心房中，初始血壓和心肌最大應(yīng)力的相關(guān)性系數(shù)為0.47，理論上存在中等偏弱的線性相關(guān)性.這可能是由于左心房壁厚較薄，且在碰撞過程中直接與脊柱接觸，對血壓的敏感性稍強(qiáng).

圖12 心腔內(nèi)初始血壓與心內(nèi)峰值血壓及初始血壓與心肌最大應(yīng)力的關(guān)系Fig.12 The relationship between initial intracardiac pressure and blunt cardiac injury and the relationship between initial intracardiac pressure and maximum myocardial stress

當(dāng)心臟處于心室充盈期時(shí)，房室瓣膜處于開啟狀態(tài).當(dāng)心臟處于等容收縮期、射血期和等容舒張期時(shí)，房室瓣膜均處于關(guān)閉狀態(tài).為了研究房室瓣膜開閉狀態(tài)對心臟鈍性損傷的影響，將40 個(gè)仿真結(jié)果分為兩組：第一組是瓣膜關(guān)閉狀態(tài)的心臟損傷結(jié)果；第二組是瓣膜開啟狀態(tài)的心臟損傷結(jié)果，對比如圖13所示.房室瓣膜的開啟降低了心臟沖擊過程中左心房、右心房和右心室的血壓，增大了左心室的血壓；對于心肌的應(yīng)力分布而言，開啟的房室瓣膜增加了四個(gè)腔室的心肌應(yīng)力最大值.從數(shù)值上看，第二組的心肌應(yīng)力最大值在左心室、左心房、右心室和右心房分別高于第一組15.99%、13.35%、15.00%以及4.00%；在血壓峰值方面，第二組的左心房（15.59%）、右心室（12.77%）、右心房（12.26%）較第一組低，而左心室的壓力高于第一組17.19%.

圖13 瓣膜開閉狀態(tài)對鈍性心臟損傷的影響Fig.13 Effect of valve state on blunt cardiac injury

3 討論

心臟在正常生理?xiàng)l件下的動態(tài)特性使得研究者們開始關(guān)注心動周期對BCI 的影響，但目前的研究多是利用動物實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的，缺乏對人體心臟解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的反映[19-22].本文利用CT 影像建立了人體的血液-心臟流固耦合模型，與前期開發(fā)的人體模型進(jìn)行裝配后，利用尸體的正面胸部沖擊器試驗(yàn)對其進(jìn)行了有效性驗(yàn)證.通過賦予各心腔不同的血壓及瓣膜的開閉狀態(tài)，模擬了心動周期內(nèi)40 個(gè)不同狀態(tài)的心臟，并分別進(jìn)行胸部鈍性沖擊仿真，記錄了碰撞過程中各心腔的血壓變化及心肌應(yīng)力分布.

對于心臟整體響應(yīng)而言，胸部正面沖擊下右心心肌應(yīng)力明顯大于左心，說明在給定載荷下右心更容易受傷.這一結(jié)論與Turk 等[7，30]的研究結(jié)果一致，他們的基于尸檢的統(tǒng)計(jì)顯示BCI 患者中右心破裂的數(shù)量是左心破裂數(shù)量的2-3 倍.造成這一現(xiàn)象的原因是胸部正面沖擊下，胸骨直接將碰撞力傳遞到右心，尤其是右心室，導(dǎo)致接觸區(qū)域出現(xiàn)局部大變形.Leavitt 等[10]也描述了這一損傷機(jī)理，他認(rèn)為心腔的破裂常常由于胸骨的直接沖擊引起的.由于左心與脊柱的接觸面積小于右心與胸壁的接觸面積，心臟受到胸壁和脊柱的擠壓時(shí)，左心尤其是左心房內(nèi)會產(chǎn)生更高的血壓，增加了二尖瓣及主動脈瓣的損傷風(fēng)險(xiǎn).

心內(nèi)壓力對鈍性心臟損傷的影響不明顯.心臟處于等容收縮期、射血期和等容舒張期發(fā)生胸部鈍性沖擊時(shí)，心腔內(nèi)的血液壓力峰值與心肌最大應(yīng)力在一定范圍內(nèi)的分布沒有明顯規(guī)律.不僅如此，pearson 相關(guān)系數(shù)顯示各心腔的初始壓力也與相應(yīng)的心腔損傷幾乎沒有關(guān)系.引起這種現(xiàn)象的一個(gè)原因可能是，在給定載荷的胸部沖擊下，心內(nèi)血壓能夠達(dá)到的峰值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于心臟在正常工作下的血壓，所以心臟正常工作的初始血壓對鈍性心臟損傷的影響很小.如受到?jīng)_擊時(shí)，左心室的峰值血壓能夠達(dá)到130 kPa，而正常工作下峰值血壓約為15 kPa.

與心內(nèi)壓力不同，房室瓣膜的開閉狀態(tài)顯著影響了鈍性心臟損傷.心臟處于心室充盈期（瓣膜開啟）受到鈍性沖擊時(shí)，心肌應(yīng)力明顯高于其他時(shí)期，具有更高的損傷風(fēng)險(xiǎn).Leavitt 等以及Huis 等基于BCI 病人的損傷結(jié)果分析同樣認(rèn)為心臟破裂更容易發(fā)生在舒張末期[10，32].推測由于心臟處于心室充盈期時(shí)，心腔被血液完全填滿，碰撞過程中血液對心肌的作用力更大.不僅如此，開啟的房室瓣膜允許血液在腔內(nèi)流動，使心肌整體在碰撞力下更容易變形，對于室間隔及內(nèi)壁結(jié)構(gòu)的局部擠壓力增加，產(chǎn)生更大的應(yīng)力.另一方面，瓣膜的精細(xì)結(jié)構(gòu)使得它比心肌更容易受到血壓的影響[31].本文的結(jié)果表明心臟受到?jīng)_擊時(shí)，開啟的瓣膜在一定程度上能夠平衡房室的血壓差，減小房室瓣膜的損傷風(fēng)險(xiǎn).McDonald 等人[33]的研究也表明，房室瓣膜的損傷更容易在收縮早期發(fā)生，此時(shí)房室瓣膜處于關(guān)閉狀態(tài).

本文的研究內(nèi)容也存在一定的局限性.心臟在不同心動周期時(shí)刻的差別不僅有血壓、瓣膜狀態(tài)，還有心臟的形態(tài)、心肌在電信號刺激下收縮力的變化.此外，本研究僅考慮了正面胸部沖擊下心臟的鈍性損傷，不同的外界載荷可能會使心臟呈現(xiàn)不同的損傷特點(diǎn)，這也是下一步研究的方向.

4 結(jié)論

本文基于CT 影像建立了人體心臟有限元模型，與之前開發(fā)的整人模型進(jìn)行裝配后，利用尸體的胸部沖擊試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的有效性.結(jié)合流固耦合數(shù)值算法，進(jìn)行了40 例心臟處于不同心動周期的胸部鈍性沖擊仿真，分別研究了胸部鈍性沖擊下心臟的整體響應(yīng)以及心動周期對BCI 的影響.結(jié)果表明：胸腔受到?jīng)_擊時(shí)，左心腔的血壓高于右心腔，使二尖瓣的損傷風(fēng)險(xiǎn)高于三尖瓣；右心的心肌應(yīng)力大于左心，導(dǎo)致心臟的右心室、右心房比左心更容易破裂.當(dāng)心臟處于心室充盈期受到?jīng)_擊時(shí)，心肌應(yīng)力明顯高于其他時(shí)期的碰撞，更容易發(fā)生鈍性心臟損傷.心腔內(nèi)的血壓對心肌損傷結(jié)果影響不明顯，對瓣膜損傷影響較大；而瓣膜的開閉狀態(tài)對心肌損傷的影響較大，開啟的瓣膜使心肌受到了更大的應(yīng)力，承受了較高的損傷風(fēng)險(xiǎn).本文的研究結(jié)果為進(jìn)一步理解胸部鈍性沖擊下的心臟損傷提供了基礎(chǔ)，對于BCI 的診斷和治療具有積極作用.