汽車交通事故中頭部損傷評估模型的構建與驗證*

蔡志華，蘭鳳崇，陳吉清，施 磊

(華南理工大學機械與汽車工程學院，汽車工程廣東省重點實驗室，廣州 510641)

前言

對于汽車交通碰撞損傷的嚴重性，世界衛生組織于2004年發布的“世界預防道路交通傷害報告”［1］指出，估計每年全球由于交通碰撞問題引起的死亡人數為120萬，傷者5000萬。預計到2020年，全球交通傷亡總數將上升65%左右，根據美國國家公路交通安全管理局汽車碰撞年度統計報告的數據，美國平均每5s就有1起汽車碰撞事故發生，每11s就有1人因汽車碰撞而受傷害，每12min就有1人因汽車碰撞而死亡;我國因交通事故而造成的死亡人數遠遠超過美國和歐盟死亡人數的總和［2-3］。研究表明，交通事故中頭部損傷是最為常見的損傷類型之一，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問題和在交通事故中頭部的損傷機理對于改善與優化汽車的設計，制定科學安全的交通傷害評估標準、采取安全的防護措施和降低傷害的發生率具有非常重要的意義。

隨著計算機技術的不斷發展，有限元模型逐漸成為研究頭部損傷生物力學的重要工具，也是汽車安全設計的重要依據。近年來研究人員開始用有限元方法建立三維人體頭部模型，文獻［4］～文獻［14］中開發了各種頭部有限元模型。但基于中國人體特征并得到驗證的高仿生有限元模型較少。

本文中通過對中國成年男性志愿者進行CT掃描得到具有50百分位中國人體特征的頭部幾何模型，并進行了有限元模型的構建與驗證，使之能夠成為預測頭部損傷的有效工具。同時能為汽車安全設計，防護系統的設計與開發提供有效工具;為深入研究頭部損傷機理及損傷評判標準提供科學依據;為制定汽車安全法規提供參考。

1 中國50百分位成年男性頭部有限元模型的構建

1.1 幾何模型

通過對一個35歲50百分位中國人體特征的男性進行CT斷層掃描，掃描層厚為0.6mm，獲取頭部的幾何信息，CT數據按照醫學影像數據處理技術重構頭部的幾何模型，首先從最初的CT數據進行醫學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的各斷層醫學圖像進行影像配準;最后將正確配準疊加起來的各斷層CT圖像運用三維重構技術建立頭部的幾何模型。本模型利用醫學建模軟件MIMICS建立，如圖1所示。

利用GEOMAGIC、UG等軟件對CT點云圖像進行去噪、濾波和數據平滑等處理，將點云數據按照選定的精度，以最佳曲面方式在層間進行擬合，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曲線光滑程度的影響。從結果來看，以點云數據方式建立的模型表面光滑程度高。形態復雜區域的精度較高，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，見圖2。

1.2 有限元模型

基于50百分位成年男性人體解剖學結構、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等對模型進行網格劃分，主要組織結構均使用實體單元建模。由于面骨結構復雜，在網格劃分過程對面骨進行了簡化。在頭部模型中采用殼單元建模，頭皮網格單元使用殼單元，腦膜網格使用只承受張力的膜單元。為了確保模型的精度和計算的效率，在模型網格劃分時對網格質量進行控制。參考文獻［13］的標準進行適當修正，見表2。

表2 模型網格劃分的單元質量控制

有限元分析模型在LS-DYNA軟件中的建立。整個模型質量 4.08kg，由 26個部件組成，包括57705個節點，57110個實體單元和11514個殼單元。該模型描述了頭部的主要解剖學特征，包括頭皮、三層骨結構的顱骨(松質骨與皮質骨)、面骨、大腦鐮、腦幕、小腦鐮、軟腦膜、腦脊液、大腦、小腦和腦干等結構，如圖3所示。

2 數值計算模型

頭部損傷生物力學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的黏彈性材料。黏彈性材料模型被廣泛用來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∞為長效剪切模量;β為衰減系數;t為時間。

由于現有的科技手段和實驗條件的限制，實際頭部的材料參數很難獲取，各種材料參數與屬性參考了文獻［15］，見表3。

表3 頭部模型材料參數與屬性

頭部與頸部的連接采用自由邊界條件，Nahum實驗實際的碰撞沖擊響應過程的脈沖只持續6ms左右，因此可忽略短時間內頸部對頭部運動的影響。定義硬腦膜緊貼在腦顱的內表面，而軟腦膜附著在腦表面。通過Tied(滑動不分離)接觸定義(基于運動約束方法)對這種附著特性進行模擬，使用Tied接觸描述腦脊液層和硬腦膜之間的相對運動。為了減少模型的復雜程度，腦室與腦、顱腦和顱骨都使用共節點方法連接，顱腦與顱骨之間采用相對界面滑動不分離的接觸算法定義。該算法能確保碰撞時對側負壓力的模擬，沖擊器與頭部模型采用面-面接觸方式。

3 實驗與仿真驗證

國外較早開始使用尸體進行頭部損傷方面的實驗研究，早期以研究顱骨骨折的耐受限度為主。1976年，文獻［16］中開始使用未經防腐處理的尸體頭部進行碰撞實驗，測量顱內壓力。20世紀90年代，文獻［17］中建立了一套實驗體系，通過尸體碰撞實驗測量顱內壓力數據，同時用所開發的有限元模型證實了旋轉加速度和平移加速度所引起的顱腦相對運動在腦損傷機理中的重要作用，這兩組實驗目前廣泛用于人體頭部模型的驗證。

在Nahum尸體實驗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額骨部位進行正面撞擊，法蘭克福平面與水平面成45°角，圓柱體的質量從5.23kg到23.09kg不等，碰撞速度在8.41～12.95m/s之間變化。實驗中測量了沖擊器與頭部的碰撞接觸力、頭部質心加速度和顱內5個不同位置的壓力值，即頂骨側腦組織左右各一點、枕骨下方的部位左右各一點和枕部的后腦窩位置。

本模型參考Nahum 37號實驗，仿真驗證建立了5.6kg的圓柱體沖擊器模型，使用泡沫材料來模擬實驗中的填充材料［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，見圖4。

由于Nahum實驗沒有對沖擊器前部墊片的材料做出說明，只給出了頭部與沖擊器相撞時的接觸力。為了還原實驗條件，通過仿真得到在9.94m/s的速度下的接觸力曲線與實驗吻合較好，如圖5所示。因此將這一速度作為驗證實驗匹配的沖擊速度。同時在驗證過程中考慮到碰撞持續時間極短(6ms)，因此設定頭部為自由邊界條件，忽略頸部對頭部運動響應的影響。

4 實驗與仿真結果的對比分析與驗證

為了驗證本模型的有效性，仿真對比了頭部質心加速度曲線，如圖6所示;前額沖擊位置的顱內壓力曲線如圖7所示;枕骨后腦窩位置壓力曲線如圖8所示。由圖可見，仿真結果與實驗得到的曲線趨勢相吻合，前額和枕部的壓力峰值出現在4ms時刻。圖8顯示的顱內壓力分布表現出典型的沖擊-對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，峰值為 -55kPa，與實驗結果吻合較好。

同時仿真對比模擬了Trosseille的尸體實驗，該實驗曾被用于模型有效性檢驗。它用撞擊物在不同初速度和撞擊部位對3個尸體標本進行碰撞，記錄了頭顱的加速度和顱內壓力。仿真結果顯示沖擊接觸力、加速度和顱內特定位置的壓力值與Nahum實驗的值比較接近，顱內壓力梯度分布如圖9所示。在這些實驗仿真中，顱內壓力分布都表現出典型的沖擊-對沖的壓力梯度分布模式。壓縮時的峰值為225kPa，拉伸時的峰值為-196kPa，與實驗結果吻合較好。

5 結論

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

(2)通過對模型的運動學和動力學響應與實驗結果的對比，本模型具有較高的生物逼真度，在不同的實驗仿真中，模型的顱內壓力分布均表現出典型的沖擊-對沖的壓力梯度分布模式，并且壓力的峰值與前人的尸體實驗吻合較好，該模型可用于汽車交通事故中頭部和汽車接觸與無接觸碰撞事故中由于平移加速度與旋轉加速度所引起腦部的損傷評估。

(3)本模型可作為有效工具應用于汽車車身安全和防護系統的設計與開發，對減少頭部損傷、保護乘員和行人安全有重要的實際應用價值。

(4)為我國建立具有針對中國人體特征的汽車安全法規與損傷防護標準提供參考。

［1］世界衛生組織.世界預防道路交通傷害報告［R］.瑞士:世界衛生組織，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，Florida: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，楊濟匡.用于交通傷評估的頭部有限元模型的虛擬試驗驗證［J］.汽車工程，2008，30(2):151-155.

［14］趙瑋，阮世捷，李海巖.應用于頭部損傷生物力學研究的三維有限元模型發展概況［J］.中國生物醫學工程學報，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.