汽車碰撞事故中頭頸部損傷模型的構建與驗證*

胡　敏羊　玢,2,3肖　峰袁云康梅永存

（1.南京林業大學，南京210018；2.湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙410082；3.新加坡國立大學，新加坡117576）

?

汽車碰撞事故中頭頸部損傷模型的構建與驗證*

胡敏1羊玢1,2,3肖峰1袁云康1梅永存1

（1.南京林業大學，南京210018；2.湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙410082；3.新加坡國立大學，新加坡117576）

【摘要】建立了基于中國人體特征的50百分位男性頭頸部有限元模型，該模型具有詳細解剖學結構，尺寸精度較高；基于國外經典的尸體碰撞試驗數據，對該頭頸部有限元模型進行了有效性驗證，并利用該模型模擬了兩種典型面部碰撞交通事故案例。結果表明，所建立模型具有較好的生物逼真度，能夠正確反映碰撞過程中顱內生物力學響應，可用于研究汽車碰撞事故中頭頸部損傷機理及損傷評估等工作。

1　前言

交通損傷一直是威脅人類安全的主要社會因素之一，其中頭部損傷因其致命性較高而成為最嚴重的交通損傷，因此，研究汽車碰撞過程中頭頸部損傷機理對于汽車安全性設計具有重要意義［1］。

目前，研究頭部生物力學響應的主要手段包括動物模型試驗、物理模型試驗、尸體試驗等［2～5］，但由于這些模型存在著各種各樣的局限性，使得有限元模型逐漸成為研究頭頸部損傷生物力學的重要工具［6］。當前行人交通碰撞事故中面部損傷和創傷性腦損傷是頭部有限元模型仿真研究的熱點，Nyquist等人［7］對11具尸體進行了面部碰撞試驗，但只針對鼻骨處碰撞進行了研究；All?sop等人［8］針對人體頭部顴骨和上頜骨進行了碰撞研究，但試驗結果只給出了沖擊力-位移曲線，并沒有針對骨折類型進行分析報道。

針對以上問題，構建了符合中國人體特征的50百分位頭頸部有限元模型，并基于國外不同時期經典的尸體試驗數據［9～11］對模型進行了驗證與修正，通過碰撞案例分析了所建模型用于研究汽車碰撞過程中頭頸部損傷機理的可行性。

2　頭頸部有限元模型的構建

2.1幾何模型

通過對1個符合中國人體特征的50百分位成年男性頭部進行的斷層掃描（computed tomography，CT）及磁共振（magnetic resonance imaging，MRI）掃描獲取了頭部顱骨組織幾何信息，將CT和MRI掃描數據導入到醫學建模軟件Mimics中，根據各組織結構閾值范圍，調節合適的灰度值進行各組織輪廓邊界的分割提取，最后運用三維重構技術建立頭頸部三維幾何模型，包括頭骨、面部骨骼、竇、大腦、小腦、大腦白質、灰質、腦室系統、中腦、腦干和腦脊液等，如圖1所示。

圖1　頭頸部三維幾何模型

2.2有限元模型

將頭頸部幾何模型導入軟件Hyperworks中進行網格劃分，在網格生成器HyperMesh中使用陣面推進法填充表面四面體單元限定的封閉區域。最終建立的有限元模型包含327 536個節點和1 337 903個線性四面體單元，網格平均邊緣長度為1.57 mm，縱橫比為1.61，如圖2所示。

圖2　頭頸部模型網格劃分

2.3材料參數

根據文獻［11］、［12］相關研究結果設置所建立頭頸部模型中各組織的材料屬性，如表1所列。

表1　頭頸部模型各組織材料屬性

2.4頭頸部模型接觸條件定義

顱骨與腦組織的相對運動描述是顱腦有限元模型研究的重點。早期的有限元模型在模擬顱腦交界面時主要采用3種方式：一種是用相同節點代表顱骨和腦組織兩種結構［13］，這種方法能較好地模擬壓力梯度分布，但是難以描述顱骨與腦組織界面的相對運動；第2種是將腦脊液層定義為低剪切模量的薄層材料［14］，但此方法易出現計算不能收斂的情況；第3種方式采用滑動不分離算法定義顱骨與腦組織的接觸界面，這種定義方式可使在碰撞時顱腦與顱骨之間不會出現間隙，可以模擬碰撞點對側（contre-coup）的負壓力，但必須再定義腦組織與顱骨之間的摩擦因數來模擬旋轉加速度由顱骨傳遞至腦組織的情況。

所建立的頭頸部模型中，硬腦膜附著在內顱表面，軟腦膜附著在腦組織上表面，硬腦膜與軟腦膜之間為腦脊液層，腦組織與顱骨之間的接觸界面采用滑動不分離算法，參考相關文獻定義滑動摩擦因數為0.2。其它顱內組織、顱骨、軟骨和牙齒之間的連接均采用網格固連（tie-constraints）的面面接觸方式。

3　頭頸部有限元模型驗證

3.1Nahum尸體試驗

Nahum等人［8］以未經防腐處理的人類尸體作為試驗樣本進行了撞擊頭部前額的試驗。試驗中使用帶有墊片的剛性圓柱體沖擊器以恒定初速度對額骨部位進行正面撞擊，為使沖擊器的初速度通過頭部質心時不引起頭部的偏轉，頭部被向前傾斜安裝，如圖3所示。碰撞時間持續0.015 s，最大碰撞力發生在0.004 s，輸入力與時間函數的關系如圖4所示。

圖3　Nahum試驗中的碰撞方向示意

圖4　輸入力與時間函數曲線

參照Nahum試驗條件，對所建立的頭頸部模型進行了碰撞仿真，得出顱內4個典型位置（碰撞側，碰撞點對側，上、下枕骨）的壓力-時間曲線，并與Nahum試驗結果進行了對比，如圖5和表2所示。由圖5和表2可知，Nahum試驗中，沖擊側壓力最大峰值為180 kPa，出現在0.004 s左右，而仿真中頂骨壓力為正，呈壓縮模式，最大壓力為162 kPa，出現在0.004 5 s左右，比試驗值稍小；而碰撞點對側仿真壓力為負，呈拉伸模式，壓力峰值為-58 kPa，出現在0.003 8 s左右，而試驗中壓力峰值為-62 kPa，出現在0.004 5 s左右。試驗結果表明，碰撞側、碰撞點對側、下枕位置的仿真結果與試驗結果吻合度較好，均沒有超過允許范圍的20％；上枕位置仿真峰值壓力與試驗結果差異較大，主要是由于有限元模型材料參數定義與真實人體頭部組織材料屬性不同導致。

圖5　仿真與Nahum試驗顱內典型位置壓力-時間曲線對比

表2　各碰撞位置顱內壓力峰值對比結果

3.2Trosseille尸體試驗

Trosseille等人［9］使用質量為23.4 kg的沖擊器以不同初速度對3個尸體標本的前額、面部和胸部進行了碰撞試驗。本文只選取Trosseille試驗中的面部沖擊試驗（編號MS428-2）并參照其試驗條件進行仿真分析，試驗時沖擊器的沖擊速度為7 m/s。仿真中定義顱骨為剛體，將頭部質心獲得的加速度加載在剛性顱骨上，因為碰撞發生在正中矢狀面上，因此仿真中將Trosseille試驗得到的X軸、Z軸的平移加速度和Y軸的旋轉加速度作為輸入條件（圖6）。將仿真獲得的額部、顳部以及枕部壓力值與試驗值進行了對比，如圖7和表3所示。

圖6　Trosseille試驗中的碰撞方向及加速度曲線

圖7　各碰撞位置壓力仿真結果與Trosseille試驗結果對比曲線

由圖7和表3可知，仿真額部壓力峰值出現在0.010 s，峰值為86 kPa，試驗峰值出現在0.012 s，峰值為84 kPa，仿真峰值出現的時間比試驗時提前0.002 s，峰值誤差為2.4％，未超過20％的允許范圍，表明額部壓力仿真結果與試驗結果吻合較好；顳部壓力峰值和枕部壓力峰值與試驗峰值相差較大，其它文獻中也出現過類似情況［15］，可能是因為仿真模型與尸體試驗樣本個體之間存在差異，而且模型中腦脊液（CSF）用低剪切模量的實體單元進行建模，不能準確反應固-液界面處的壓力分布以及相互作用。

表3　各碰撞位置壓力峰值仿真結果與Trosseille試驗結果對比

3.3Hardy尸體試驗

Hardy等人［10］利用相關的測量傳感器進行了尸體頭部沖擊試驗。試驗中，將兩列6個檢測標示物植入到顳骨-頂骨和枕骨-頂骨區域，每個標示物間距約為10 mm，利用一個直徑為152 mm的沖擊器以2～4 m/s的速度撞擊枕部。碰撞過程中，頭部標示物的運動由高速X光攝影系統捕捉，利用新型傳感器測量沖擊過程中顱腦相對運動的位移量。

參照Hardy尸體試驗條件進行碰撞仿真試驗，頭部標示物位置如圖8所示，兩列標識物中，前部標識物NDTa植于顳骨-頂骨區域，后部標識物NDTp植于枕骨-頂骨區域，都在大腦的右半球。仿真結果顯示，大部分的大腦運動圖像呈現“8”和“∞”兩種模式，顱腦相對運動距離≤6 mm，與試驗結果基本吻合。

圖8　頭部標識物位置以及仿真中測量點位移模式

上述試驗表明，所建立的頭頸部模型具有較高的生物逼真度，能夠正確反映在碰撞過程中人體顱內生物力學響應，因此該模型可用于汽車碰撞中頭頸部損傷機理的研究。

4　面部碰撞損傷案例分析

模擬面部正面碰撞和側面碰撞兩種場景，使用一個3.2 kg、直徑為28.66 mm的圓柱形剛體沖擊器，分別對面部正面和側面進行碰撞仿真，沖擊速度為2.5 m/s。通過仿真模擬獲得兩種碰撞條件下應力波在頭頸部傳播情況，如表4所列。

表4　不同碰撞條件下人體頭部應力傳播情況

由表4可知，正面碰撞案例中，應力先是集中在撞擊位置，然后從前鼻骨向后移動，約1.6 ms后穿過犁骨傳播到蝶骨和枕骨大孔，最終到達頸部。由于模型底座是固定的，在下頸部引發一些局部應力，根據斷裂理論，在鼻骨周圍可能存在骨折風險。側面碰撞案例中，應力波主要通過上頜腭和上頜竇向蝶骨傳播，最大應力集中在顴骨處，為244.69 MPa，而且在顴骨額突、上頜骨和顴眶表面還呈現局部應力集中，導致頭骨額區和大腦額部之間產生較大的相對位移，應力會集中在大腦的前額部和顳部處，隨后向枕部傳播。

通過兩種碰撞場景的仿真試驗可知，面部碰撞的位置和方向是導致面部骨折位置和嚴重性的關鍵因素，也決定腦損傷的部位和嚴重程度，面部外傷中的骨折在一定程度上都與腦損傷有關，即利用該模型進行仿真試驗能夠正確反映在汽車碰撞過程中顱內生物力學響應，可用于碰撞過程中顱腦損傷評估等相關工作。

5　結束語

以CT和MRI數據為依據，建立了基于中國人體特征的50百分位男性頭頸部有限元模型，基于Na?hum、Trosseille和Hardy等人的經典尸體試驗數據對有限元模型進行了有效性驗證。模擬了兩種典型面部碰撞交通事故場景，獲得了顱內應力波傳遞和von Mises應力等生物力學響應參數分布規律，通過對比頭部損傷閾值，可預測和評判面部碰撞引起的創傷性腦損傷。本文所建立的有限元模型具有詳細解剖學結構，尺寸精度高，有較好的生物逼真度，能夠正確反映碰撞過程中顱內生物力學響應，對于研究碰撞造成的人體頭頸部損傷機理及制定損傷評判標準具有參考價值。

參考文獻

1Carl R S, Brian I, Karen A S. Traumatic brain injury in the United States: an epidemiologic overview. Mt Sinai J, 2009,76（2）:105～110.

2 Xiong Y, Mahmood A, Chopp M. Animal models of traumat?ic brain injury. Nat Rev Neurosci,2013,14（2）:128～142.

3Michael F, Hagen A, Christian Z, et al. Experimental trau?ma models: an update. J Biomed Biotech,2011,2011: 797383.

4Yoganandan N, Maiman D J, Guan Y B, et al. Importance of physical properties of the human head on head-neck injury metrics. Traffic Injury Prev,2009,10（5）:488～496.

5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.中國生物醫學工程學報, 2011,30（1）:110～119.

6Nyquist G W, Cavanaugh J M, Goldberg S J, et al. Facial im?pact tolerance and response. Proceeding 30th Stapp Car Crash Conference, SAE Technical Paper, No 861896,1986.

7Allsop D L, Warner C Y, Wille M G, et al. Facial impact re?sponse-a comparison of the Hybrid III dummy and human cadaver. Proceeding 32nd Stapp Car Crash Conference, SAE Technical Paper, No 881719,1988.

8 Nahum A, Smith R, Ward C. Intracranial pressure dynamics during head impact //Proceedings of the 21st Stapp Car Crash Conference, Warrendale: SAE International Society of Automotive Engineers,1977:339～366.

9Trosseille X, Tarriere C, Lavaste F, et al. Development of a FEM of the human head according to a specific test proto?col//Proceeding of 36th Stapp Car Crash Conference, Seat?tle: SAE International Society of Automotive Engineers, 1992:235～253.

10Hardy W N, Mason M J, Foster C D, et al. A study of the re?sponse of the human cadaver head to impact. Stapp Car Crash Journal, 2007, 51:17～80.

11Melvin J W, Robbins D H, Roberts V L. The mechanical properties of the diploe layer in the human skull in com?pression. Dev Mech,1969,5:811～818.

12Chatelin S, Constantinesco A, Willinger R. Fifty years of brain tissue mechanical testing: from in vitro to in vivo in?vestigations, Biorheology, 2010:255～276.

13Kim D S, Kong M H, Jang S Y, et al. The usefulness of brain magnetic resonance imaging with mild head injury and the negative finding of brain computed tomography. Journal of Korean Neurosurgical Society,2013,54（2）:100～106.

14許偉.車輛碰撞事故中頭部生物力學響應和損傷機理分析：［學位論文］.長沙:湖南大學, 2007.

15Tse K M, Tan L B, Lee S J, et al. Development and valida?tion of two subject-specific finite element models of hu?man head against three cadaveric experiments. Int J Num M, 2013,30（3）:397～415.

（責任編輯文楫）

修改稿收到日期為2016年1月29日。

主題詞:汽車碰撞頭頸部模型損傷機理

Construction and Validation of the Head-neck Injury Finite Element Model in Vehicle Crash Accident

Hu Min1, Yang Bin1,2,3,Xiao Feng1, Yuan Yunkang1, Mei Yongcun1
（1. Nanjing Forestry University, Nanjing 210018; 2. State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacture for Vehicle Body, Hunan University, Changsha 410082; 3. National University of Singapore 117576）

【Abstract】In this research, a 50th percentile male head-neck finite element model based on the Chinese human body characteristic is constructed, this model has detailed anatomy structure with high dimensional precision; effectiveness of this finite element model is verified based on the classical cadaver crash test data abroad, that simulates two typical frontal crash accident cases. The results show that the head-neck model had a good biofidelity, which can accurately reflect encephalic biomechanical response during vehicle crash, and can be applicable to the research on head- neck injury mechanisms and injury evaluation in vehicle crash accident.

Key words:Vehicle crash, Head-neck model, Injury mechanism

*基金項目:中國博士后科學基金資助項目（2015M572243）、湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室開放基金資助（31415008）。

中圖分類號:U461.91

文獻標識碼:A

文章編號:1000-3703（2016）04-0057-06