行人頭部與車輛碰撞中旋轉速度對顱腦組織響應影響

劉金明，馬華星，李 奎，李桂兵*

（1.湖南科技大學 機電工程學院，湘潭 411201，中國；2.陸軍軍醫大學 交通醫學研究所，重慶 400042，中國）

交通事故中行人安全保護一直是人們關注的重點。與汽車乘員相比，行人在碰撞中沒有受到保護，是交通事故中最易受傷的道路使用者[1]，交通事故中顱腦損傷是造成行人重傷或死亡的主要原因[2-3]。典型的行人頭部損傷包括頭皮損傷、顱骨骨折和顱腦損傷，其中顱腦損傷可分為局灶性腦損傷（多為血腫和挫傷）和彌漫性腦損傷（多為彌漫性軸索損傷和腦震蕩）[4-6]。顱骨骨折和局灶性腦損傷通常是由接觸力和線性運動造成的，而旋轉運動是造成彌漫性腦損傷的主要原因[7-8]。

為了了解頭部損傷機理和制定防護對策，學者們對行人頭部損傷進行了廣泛的研究。Otte D等[9]通過對762例車輛與行人碰撞案例研究發現當頭部損傷達到AIS2+時，碰撞速度高于40 km/h；碰撞速度低于40 km/h時，大多數頭部損傷是軟組織損傷和腦震蕩，顱骨骨折和腦損傷發生概率較小。Mizuno K等[10]的研究發現頭部受傷的風險取決于頭部的碰撞速度和頭部接觸的車輛結構的剛度，頭部碰撞速度影響頭部損傷的嚴重程度。CHEN Yong等[11]利用頭部與風擋有限元仿真模型設置模擬頭部撞擊風擋的初始邊界條件并發現Von Mises應力和剪切應力是預測腦損傷風險的重要物理參數。PENG Yong等[12]發現行人在39 km/h和54 km/h的碰撞速度下AIS2+和AIS3+頭部傷害風險概率為50 %。馮成建等[13]發現車輛碰撞速度、車輛前置結構影響行人頭部損傷嚴重度。劉博涵等[14]通過有限元仿真研究發現初始碰撞速度越高，HIC值越高，頭部損傷越嚴重。WANG Jiawen等[15]在頭部與風擋碰撞的研究中發現較高的初始碰撞速度往往導致較大的加速度、HIC和SFC值，并且較高的碰撞速度容易導致較大的最大主應變和Von Mises應力值。以往的研究表明頭部碰撞邊界條件對顱腦損傷風險有顯著影響，但是大都強調線性速度對顱腦損傷的影響；又有研究表明旋轉運動同樣對顱腦損傷有重要影響[16-17]，如Holbourn認為，旋轉運動產生的剪切變形可以在整個腦部產生剪切應變，從而造成彌散性腦損傷、腦震蕩及橋動脈的破裂；Ommaya等通過靈長類動物實驗研究發現，大約50%的頭部損傷是由于頭部的旋轉引發的。但是，目前鮮有研究針對行人頭部碰撞初始旋轉速度影響，且各國新車評價規程[18-19]進行的行人頭部保護碰撞測試中也只考慮了線性碰撞速度，該評價方法忽略了頭部旋轉速度邊界條件的影響。

本文通過交通事故再現獲得真實碰撞事故中行人頭部與車輛碰撞線性速度和旋轉速度分布特征，提取代表性碰撞工況（頭部線性/旋轉碰撞速度和頭部碰撞位置）施加于頭部與車輛碰撞有限元仿真模型，研究行人頭部與車輛碰撞中旋轉速度對顱腦生物力學響應影響，研究結果可為考慮行人頭部防護的車輛安全性設計和評價提供基礎參考。

1 交通事故再現分析

1.1 事故案例信息描述

本文選取了來自陸軍軍醫大學交通醫學研究所的車輛事故深度調查數據庫中的46例中國行人與車輛碰撞事故案例。選擇標準如下：

1） 行人頭部的碰撞范圍在車輛的擋風玻璃和發動機罩（簡稱發罩，下同）區域內；

2） 車輛和行人之間的第1接觸點位于汽車的前部；

3） 每起事故只涉及1輛車輛和1名行人；

4） 車輛與行人的接觸碰撞點及相應的行人接觸部位能夠清楚的識別；

5） 行人必須處于正常的行走姿勢(行人躺在地上、下蹲或行人奔跑排除)；

6） 能夠找到事故車輛的矢量圖或清晰的正視圖以及側視圖（便于車輛模型重建）；

7） 事故車輛為轎車、SUV和微型廂式車。

本文選取的46例事故樣本中包含健全的車輛信息、行人信息。事故案件中的車輛信息包括：車輛型號、車輛矢量圖、碰撞時刻行駛速度及方向、行人在車輛上的碰撞痕跡；行人信息包括：行走方向、行人初始位置、損傷情況，以及行人的身高、體重、年齡和姓名。

1.2 事故重建示例

此處以46起事故重建案例中的一起典型案例為例說明事故重建過程及其有效性。事故描述：一名68歲的成年男性行人被一輛長安SC7165A汽車撞倒，通過監控錄像（該視頻圖像質量及連續性較好，幀率f為25 幀/ s）計算該車發生碰撞時的速度，在圖1a畫面中，根據汽車左前輪中心垂直于畫面做固定的參考標線。從汽車左前輪中心接觸參考標線時開始計數，至汽車左后輪中心接觸參考標線時停止計數（如圖1），視頻畫面總共經過 4 幀，查閱公開資料可知該車的軸距為2.5 m，則汽車前后軸通過參考標線的時間t= 0.16 s，根據以上分析，汽車通過參考標線時的行駛速度計算：v=S/t= 56.25 km/h。該車從西向東行駛，行人正在從南向北橫穿馬路，司機在碰撞發生前沒有注意到行人，在發動機罩前緣和擋風玻璃上可以分別看到接觸凹痕和裂紋，事故后行人創傷性休克。該案例中行人橫穿馬路，身體側面與車輛前部發生碰撞，是最典型的車輛與行人碰撞工況。

圖1 汽車前后軸通過參考標線時的監控錄像

重建中行人采用MADYMO多體人體模型模擬，該模型對行人運動學響應的預測能力已經在之前的研究中得以證明[20-22]；調用MADYMO中的Madyscale模塊，根據每次重建中行人的實際身高和體重對行人模型進行縮放；車輛模型根據事故中涉及的汽車的矢量圖重建，基于沖擊錘的測試曲線[23]，定義汽車前部的剛度特性；將縮放后的行人模型與重建完成的車輛模型調用在一起，根據事故案例信息調整人車位置、行人步態、車輛與行人碰撞時刻的車輛速度、行人的行走速度，并根據不同的天氣和其他環境條件，設置車輛與地面、車輛與行人、行人與地面之間的摩擦。車輛與行人碰撞重建模型如圖2所示。

案例信息提供的事故現場監控視頻畫面連續，幀速率為25 幀/ s，分辨率為1 280×720。將仿真結果與此監控視頻進行比對：以人車接觸瞬間為0 ms開始計時，監控視頻中經過100 ms行人頭部與車輛風擋發生碰撞，仿真中經過99 ms；監控視頻中經過1 875 ms行人與車輛停止，兩者相對距離5.3 m，仿真中經過1 892 ms，兩者相距5.6 m；仿真中行人與車輛接觸部位、行人運動姿態以及行人拋擲距離與監控視頻中基本吻合（見圖3）。

圖2 車輛與行人碰撞重建模型

圖3 仿真與監控視頻對比

1.3 頭部碰撞邊界條件統計分析

對46起行人事故重建后進行數據統計分析發現：行人與車輛碰撞時，頭部碰撞點主要分布在發罩后端和風擋下端。其中17起事故案例頭部與車輛碰撞的初始位置在發罩，約占案例總數的37 %；29起事故案例頭部與車輛碰撞的初始位置在風擋，約占案例總數的63 %。圖4為46個事故案例中行人頭部線性碰撞速度（頭部與車輛碰撞時刻合成線速度）和旋轉碰撞速度（頭部與車輛碰撞時刻合成角速度）的分布圖。從圖4中可知：頭部線性速度基本都在60 km/h以內，在31～40 km/h的區間里的案例數量最多，超過50 %的案例的頭部線性速度分布在20～40 km/h內；行人頭部旋轉速度在31～40 rad/s的區間內分布最多，并且約80 %的案例中行人頭部旋轉速度在20～50 rad/s區間內。該分布規律為后續有限元碰撞仿真提供邊界條件參考。

圖4 頭部與車輛碰撞線性速度和旋轉速度分布

2 顱腦組織響應

2.1 頭部與車輛碰撞仿真

基于多體重建結果和擋風玻璃與發罩的對稱性，選取風擋中下端、風擋右下端、發罩中后端和發罩右后端4個頭部碰撞位置，建立了頭部與風擋和頭部與發罩碰撞有限元仿真模型。根據圖4中行人頭部與車輛碰撞速度分布特征，在頭部初始線性碰撞速度分別為20、30、40 km/h的基礎上，對頭部有限元仿真模型分別施加20、25、30、35、40、45、50 rad/s的初始旋轉速度，共進行84次仿真計算（4個碰撞位置×3種線性速度×7種旋轉速度）。由于事故重建中行人頭部碰撞線性速度主要表現在Y-Z平面垂直碰撞表面方向，旋轉速度主要體現在繞X軸正向（見圖5），故仿真中頭部初始線性碰撞速度（v）定義為方向垂直于接觸面的vy和-vz合成速度，頭部初始旋轉碰撞速度則定義為ωx。本文使用的頭部有限元模型來源于THUMS4.0人體模型[24]，該模型具有詳細解剖學結構，生物逼真度得到了驗證且廣泛應用于車輛碰撞中的人體頭部損傷研究[25]。頭部與發動機罩碰撞仿真模型采用NCAC （National Crash Analysis Center）[26]發布的本田雅閣有限元模型，頭部與風擋碰撞仿真模型采用PENG Yong等[27]驗證過的共節點三層殼單元模擬的風擋玻璃模型。圖5為頭部與風擋/發罩有限元仿真模型示意圖。

圖5 頭部碰撞有限元仿真模型

2.2 顱腦響應分析

以往的研究[28-33]表明：大腦中的Von Mises應力和應變是評估大腦彌漫性軸索損傷和腦挫傷的重要表征參數。因此，本文選取Von Mises應力和大腦主應變作為顱腦損傷風險表征參數，通過上文建立的有限元仿真模型的計算結果研究頭部旋轉速度對顱腦損傷風險的影響（同時考慮頭部線性速度與頭部碰撞位置的差異對研究結果的影響）。圖6和圖7所示分別為不同碰撞工況下顱腦最大主應變和Von Mises應力隨旋轉碰撞速度的變化趨勢。圖8和圖9所示分別為不同碰撞工況下顱腦主應變和Von Mises應力分布云圖。WANG Jiawen等[15]在行人頭部與擋風玻璃接觸碰撞研究中得出結論：當線性速度在20～50 km/h時，Von Mises應力的變化范圍為1～10 kPa之間，應變的變化范圍在0.05～0.25之間。本文頭部與風擋碰撞仿真獲得的顱腦主應變和Von Mises應力的分布范圍與前人研究結果相符合，說明仿真結果具有有效性。

由圖6可知：在頭部與風擋碰撞中，顱腦最大主應變ηmax和Von Mises應力PVM總體上隨著頭部旋轉碰撞速度ω的增大而線性增加。對比ω= 20 和50 rad/s時的仿真結果，在頭部與風擋玻璃中下端碰撞中：線性速度v= 20 km/h時，ηmax由0.131增加到0.187 （增幅43 %），最大PVM由2.26 kPa增加到3.24 kPa（增幅43 %）；v= 30 km/h時，ηmax由0.162增加到0.210 （增幅30 %），最大PVM由2.91 kPa增加到3.64 kPa（增幅26 %）； 40 km/h時，旋轉速度(ω)與ηmax和PVM相關性減弱（R2＜0.6）。在頭部與風擋玻璃右下端碰撞中： 20 km/h時，最大主應變由0.143增加到0.171（增幅20 %），最大PVM由2.41 kPa增加到2.95 kPa（增幅23 %）； 30 km/h時，ηmax由0.160增加到0.231（增幅44 %），最大PVM由2.90 kPa增加到3.99 kPa（增幅38 %）；v增加到40 km/h時，ω與ηmax和PVM無明顯相關性。

圖6 線性速度為20～40 km/h時頭部與風擋碰撞中顱腦最大主應變和Von Mises應力隨旋轉速度變化趨勢

圖7 線性速度20～40 km/h時頭部與發動機罩碰撞中顱腦最大主應變和Von Mises應力隨旋轉速度變化趨勢

由圖7可知：顱腦最大主應變ηmax和Von Mises應力PVM均隨著頭部旋轉碰撞速度的增大而線性增加。對比ω= 20 和50 rad/s時的仿真結果，在行人頭部與發罩中后端碰撞中：v= 20 km/h時，ηmax由0.218增加到0.266（增幅22 %），最大PVM由3.72 kPa增加到5.34 kPa （增幅44 %）； 30 km/h時，ηmax由0.254增加到0.325（增幅28 %），最大PVM由4.33 kPa增加到6.22 kPa（增幅44 %）； 40 km/h時，ηmax由0.288增加到0.352（增幅22 %），最大PVM由4.86 kPa增加到6.87 kPa （增幅41 %）。行人頭部與發罩右后端碰撞中： 20 km/h時，ηmax由0.238增加到0.366 （增幅54 %），最大PVM由4.08 kPa增加到6.42 kPa（增幅57 %）； 30 km/h時，ηmax由0.259增加到0.389 （增幅50 %），最大PVM由4.39 kPa增加到 6.86 kPa（增幅56 %）； 40 km/h時，ηmax由0.283增加到0.442（增幅56%），最大PVM由4.96 kPa增加到7.76 kPa （增幅56 %）。

由圖8可知：在頭部與風擋碰撞中，對比旋轉碰撞速度ω20 rad/s和50 rad/s仿真結果發現，ω不僅影響顱腦主應變η和Von Mises應力PVM峰值，同時影響其分布區域：線性速度v為20～30 km/h，ω= 50 rad/s時，顱內高η和PVM區域明顯大于20 rad/s作用時；當頭部v= 40 km/h，50 rad/s作用下的顱腦高η分布區域較20 rad/s作用時大，但PVM分布接近。

由圖9可知：在頭部與發動機罩碰撞中，對比旋轉碰撞速度（ω）20 rad/s和50 rad/s仿真結果發現，ω同樣影響顱腦主應變η和PVM分布，所有v下，ω為50 rad/s作用下顱內的高η和PVM區域均明顯大于20 rad/s作用時。

參考E.G.Takhounts 等[33]根據顱腦主應變η建立的顱腦損傷風險曲線，把本文仿真獲得的顱腦最大主應變ηmax代入風險曲線，計算出對應的顱腦損傷風險，發現頭部與發動機罩碰撞中其旋轉速度對行人顱腦損傷風險有顯著影響，但在頭部與風擋碰撞中影響不大。具體結果如下：在頭部與風擋右下端碰撞中，頭部旋轉碰撞速度ω從20 rad/s增大到50 rad/s，當線性速度v為20、30 km/h時，行人頭部發生AIS2損傷的概率分別由2 %（ηmax= 0.143）增加到5 %（ηmax= 0.171）、由4 %（ηmax= 0.160）增加到 9 %（ηmax= 0.231）；在頭部與發罩碰撞中，頭部ω從20 rad/s增大到50 rad/s，當v為20、30、40 km/h時，行人頭部發生AIS2損傷的概率分別由9 % （ηmax= 0.238）增加到32 % （ηmax= 0.366）、由13 % （ηmax= 0.259）增加到36 %（ηmax= 0.389）、由17%（ηmax= 0.283）增加到 49 %（ηmax= 0.442）。

可以發現：總體上頭部旋轉速度對顱腦最大主應變和Von Mises應力影響顯著且具有線性相關性，同時顱腦高主應變和Von Mises應力分布區域隨頭部旋轉速度的增加而增大；但在頭部與風擋碰撞中，當線性速度的增加到40 km/h時，頭部旋轉速度對最大主應變和Von Mises應力影響顯著性降低；頭部與發罩碰撞時其旋轉速度對顱腦組織響應和損傷風險的影響較風擋碰撞時更明顯且隨線性速度的增加更持續。此上述結果可能是因為：

1） 頭部旋轉速度能加劇顱腦在碰撞載荷下的慣性運動，從而導致顱內應變和應力峰值和分布區域同時增大；

2） 風擋破裂前變形能力小，碰撞載荷作用過程短暫，當頭部線性速度較高時，其在碰撞過程中起更大的作用，頭部旋轉運動的作用相對較小，同理風擋碰撞時頭部旋轉運動的作用也比發動機罩（沖擊力作用過程較長）碰撞時小。

同時本文研究還發現：碰撞位置靠近風擋/發罩邊緣的顱腦最大主應變和Von Mises應力值明顯高于碰撞位置在風擋/發罩中端的對應參數值；頭部線性碰撞速度增大時顱腦最大主應變和Von Mises應力也隨之增高。原因是靠近風擋/發罩固定邊界位置的剛度較中部高，線性碰撞速度增大時沖擊能量增大，從而造成了較大的損傷風險。

3 結 論

在行人頭部與風擋玻璃碰撞中：當頭部線性速度較低時，頭部旋轉速度對顱腦組織響應的影響顯著，但顱腦損傷風險并未隨頭部旋轉碰撞速度增加而明顯增大；但頭部線性速度較高時，頭部旋轉速度對顱腦組織響應的影響趨勢減弱。在行人頭部與發動機罩碰撞中：頭部旋轉速度對顱腦組織響應和損傷風險均影響顯著，顱腦損傷風險隨頭部旋轉速度增加而增大。碰撞位置靠近風擋/發動機罩邊緣和碰撞線性速度較高時，可能造成更嚴重的顱腦損傷，頭部碰撞位置和線性碰撞速度對顱腦組織響應有較大的影響。綜上，行人頭部旋轉碰撞速度對顱腦組織響應的影響與其線性碰撞速度和碰撞位置剛度有關，同時碰撞位置剛度和線性碰撞速度本身對行人顱腦組織響應也有較大的影響。本文研究結果建議在針對行人頭部防護的車輛安全性評價時應當考慮頭部旋轉速度作用及風擋玻璃和發罩碰撞差異，合理選擇碰撞加載條件。