6歲兒童乘員胸部有限元模型驗證及損傷分析

崔世海+單蕾蕾+李海巖+賀麗娟+呂文樂+阮世捷

摘 要：通過構建人體有限元模型，研究交通事故中兒童胸腹部生物力學響應及損傷機理，對提高汽車安全性設計具有重要意義?；贑T醫學圖像構建了包括胸骨、肋骨和內臟等軟硬組織在內的具有詳細解剖學結構的6歲兒童乘員胸腹部有限元模型，并構建了具有真實幾何形狀的斜方肌、外斜肌、岡下肌、肩胛下肌等肌肉組織。利用所構建的模型重構了兒童胸部碰撞尸體試驗，仿真得到的胸部撞擊力-變形量曲線、粘性準則（viscous criterion，VC）值與尸體試驗結果呈現一致性，表明了該模型的有效性。對碰撞中肋骨、心臟和肺等胸部組織器官的應力應變進行了分析，結合損傷準則討論了其損傷狀況及損傷機理。

關鍵詞：6歲兒童乘員；胸部模型驗證；有限元仿真；胸部損傷分析

中圖分類號：U461.91；R318.01 文獻標文獻標識碼：A文獻標DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2016.06.05

Abstract：The understanding of pediatric thoracoabdominal injury mechanism using finite element （FE） human body models is of great importance to improve the design of vehicle safety. Based on the CT data of a healthy 6-year-old child， the whole thorax and abdomen finite element（FE） model with detailed anatomical structures including internal organs such as lung， heart， was developed. The FE models of muscles， such as trapezius， infraspinatus， supraspinatus， external oblique muscle， were also developed in their true shape and true size. The pediatric cadaver thorax impact experiment was reconstructed using the developed thorax and abdomen FE model. Simulation results， such as force-displacement curves for thoracic impact and the thorax viscous criterion（VC）， were in accordance with the cadaver results， which showed the validation of the FE model. The stresses and strains of rib， heart and lungs were calculated， and their injury conditions and mechanisms were discussed according to injury criteria.

Keywords：6-year-old pediatric occupant；thorax model validation； finite element simulation； thorax injury analysis

隨著私家車的不斷普及，兒童乘坐汽車出行變得十分普遍，與兒童有關的交通事故發生率也越來越高。在因交通事故致死或嚴重損傷的事件中，胸腹部損傷的發生率高達45%，僅次于顱腦損傷，是交通事故死亡的主要原因之一[1-2]。GB 27887—2011《機動車兒童乘員用約束系統》[3]的實施雖然在一定程度上提高了消費者對兒童乘車安全的重視，但國內很多家庭還是忽視了兒童乘車安全。交通事故中兒童胸腹部遭受外部傷害時，胸腹部產生較大變形致使內臟損傷并伴有較高的死亡率，因此研究兒童胸腹部損傷機理對提高汽車安全性設計以及臨床應用都具有重要意義。

兒童尸體試驗是研究兒童碰撞損傷機理和組織耐受極限的重要方法，但由于兒童尸體樣本獲取困難，目前公開文獻中可查到的兒童胸腹部尸體試驗比較少。OUYANG Jun等 [4]和KENT等 [5-6]分別應用兒童尸體樣本得到了兒童胸部的生物力學響應特性，這些尸體試驗是驗證兒童胸腹部有限元模型有效性的重要手段。構建具有真實解剖學結構的胸腹部有限元模型是研究胸腹部損傷機理的有效方法，經有效性驗證的模型具有很高的生物仿真度，可多次進行試驗分析胸部損傷，同時還能夠獲得胸腹部器官的局部變形和應力應變等力學參數，結合尸體試驗能更好地研究其損傷機理和損傷極限[7-8]。目前國內外具有真實解剖學結構的兒童胸腹部有限元模型較少。JIANG Binhui等[9]構建了具有詳細解剖特征的 10 歲兒童胸部有限元模型并驗證了其有效性，但該模型中沒有采用真實解剖學結構的肌肉組織。LYU Wenle等 [10]構建了具有詳細解剖學結構的6歲行人兒童胸腹部有限元模型并驗證了模型的有效性，該模型是兒童站姿胸腹部模型。在實際碰撞過程中，兒童乘員的胸腹部形態與兒童行人是有區別的，并且碰撞過程中胸腹部的響應在一定程度上會受到頭頸部等結構的影響。為了更好地研究兒童乘員胸腹部損傷機理，本研究構建了具有完整解剖學結構的6歲兒童乘員有限元模型，并參考OUYANG Jun等[4]所做的尸體試驗進行了有效性驗證。

1 材料與方法

1.1 模型構建

在衛志強[11]、孫田軍等[12]所構建的6歲兒童乘員胸腹部有限元模型的基礎上，將胸腹部模型進行連接，同時結合CT數據，采用Mimics軟件和Hypermesh軟件構建了包括斜方肌、外斜肌、岡下肌、肩胛下肌在內的肌肉組織以及脂肪和皮膚組織，并對模型的網格質量進行了進一步優化，最終構建的6歲兒童胸腹部有限元模型如圖1所示。該模型不僅包括了胸椎、腰椎、肋骨、肋軟骨、胸骨、椎間盤和心臟、肺、胃、肝臟、脾臟、腎臟等軟硬組織（圖1a），同時還包括了具有真實解剖學結構的肌肉、脂肪和皮膚等組織（圖1b）。模型中不同的結構采用不同的單元類型進行模擬，其中密質骨、血管、食管、氣管、韌帶、肌腱、皮膚等采用殼單元，松質骨、肌肉、內臟、脂肪等采用實體單元。最終的模型共有413 215個單元，527 680個節點，其中六面體單元399 443個。

為提高模型仿真度還增加了頭頸部和上下肢，但為縮短計算時間，將頭部設置為剛體，下肢只包含了股骨、脂肪和皮膚組織。

1.2 材料參數

由于兒童尸體試驗的缺乏，可直接應用于有限元模型的材料參數較少，目前用于兒童有限元研究的材料參數大多數是通過縮放方法獲得的。LYU Wenle等 [10]采用縮放方法對6歲兒童胸椎、腰椎和肋骨等材料參數進行了計算，本模型中的相關材料參數參考該結果。KENT等[13]的研究表明，內臟等軟組織的楊氏模量隨年齡變化的關系無法很好地確定，在一些老年和兒童有限元模型的文獻中也認為軟組織的材料特性隨年齡并無變化。本模型中內臟和軟組織的材料采用粘彈性本構關系，具體數值參考了成人有限元模型中的材料參數[14-15]。本模型采用的材料參數見表1。

1.3 6歲兒童胸腹部模型的有效性驗證

OUYANG Jun等[4]采用5個5～12歲兒童尸體樣本進行了胸部撞擊試驗，試驗中直徑7.5 cm，質量3.5 kg的撞錘以6 m/s的速度撞擊樣本胸部（圖2a），通過綜合不同速度下樣本的位移-接觸力曲線給出了接觸力-位移曲線通道。本研究通過重構該組兒童尸體胸部撞擊試驗來驗證所構建的6歲兒童乘員胸部有限元模型的有效性。構建了直徑7.5 cm，質量3.5 kg的剛性圓柱體模擬尸體試驗中的撞錘，撞錘位置與尸體試驗條件保持一致，即撞錘軸線指向胸骨體中心，端面平行于胸骨體（圖2b）。試驗中實際最小碰撞速度為 5.9 m/s，最大碰撞速度為 6.5 m/s，仿真中速度分別設為 5.9 m/s、6.0 m/s 和 6.5 m/s 。

2 結果與討論

2.1 模型驗證結果

圖3為三種撞擊速度下6歲兒童的胸部撞擊力-變形量曲線與兒童尸體試驗結果的對比?？梢钥吹矫織l曲線都含有加載和卸載兩個階段，加載階段曲線的斜率急速上升，這主要是由胸部的黏滯特性引起的；卸載階段撞擊力隨著變形量的減小而減小，這是由被壓縮組織的卸載造成的。從圖中還可以看出：當速度分別為5.9 m/s、6.0 m/s、6.5 m/s時，最大撞擊力分別為1 000 N、1 040 N、1 150 N，最大變形量分別為40.3 mm、47.9 mm、50.3 mm?？梢?，隨著速度的增大，撞擊力和變形量隨之增大。三種速度下的撞擊力變形量曲線的變化趨勢與尸體試驗曲線趨勢能較好地保持一致，且都位于兒童尸體試驗曲線通道之間。采用胸腹部有限元模型仿真得到的最大胸部壓縮比（胸腔壓縮量與胸腔原始寬度的比值）變化區間為25.8%～31.8%，隨著速度的增加，胸部最大壓縮比增大。尸體試驗中的最大壓縮比區間為24.2%～48.2%，模型仿真結果位于尸體試驗通道范圍內。

VC值是胸部變形速度和胸部變形量瞬時值乘積的最大值，可用來表征胸部軟組織的損傷。圖4為不同速度下6歲兒童胸部VC值隨時間的變化曲線?？梢钥闯觯翰煌俣认拢?.9 m/s，6.0 m/s，6.5 m/s）VC值的第一個峰值出現的時間分別為8 ms、7.89 ms、7.5 ms，峰值大小分別為1 m/s、1.01 m/s、1.17 m/s。隨著速度的增大，第一個VC峰值出現的時間提前，VC峰值增大。OUYANG Jun等[4]所做的胸部尸體試驗中5號和8號樣本的VC曲線峰值出現的時間區間為7～9 ms，少年組尸體試驗的最大VC值為0.8 ～2 m/s。采用胸腹部有限元模型仿真得到的VC曲線第一峰值出現的時間以及最大VC值均位于尸體試驗區間內。VIANO 等[16]研究發現VC值的最大值達到1.0 m/s時，胸部產生損傷等級AIS≥4的可能性為25%，仿真試驗中兒童胸部的VC最大值超過1.0 m/s，可以判定碰撞會導致內臟損傷，尸體試驗后的尸檢結果也表明碰撞導致了不同程度的氣胸損傷，模型仿真結果與尸檢結果一致。

可見，利用6歲兒童胸腹部有限元模型進行碰撞仿真后的試驗結果與尸體試驗結果呈現較好的一致性，證明了該兒童乘員胸腹部有限元模型的有效性?？梢赃M一步利用這一具有高生物仿真度的有限元模型研究兒童的胸部生物力學響應和損傷機理。

2.2 兒童胸部碰撞損傷分析

2.2.1 肋骨損傷

采用胸腹部有限元模型仿真得到的肋骨應變云圖如圖5所示，可以看到隨著撞擊速度的增大，最大應變值隨之增大。LYU Wenle等通過對成人肋骨密質骨極限應變范圍進行縮放得到兒童肋骨密質骨的極限應變范圍為3.6%～4.5%[10，13，17-21]。由圖5可知，本仿真中肋骨密質骨的最大有效塑性應變遠遠小于其損傷閾值，可見碰撞中兒童胸部沒有出現肋骨骨折，兒童胸部尸體試驗后的尸檢結果也沒有發現肋骨骨折，仿真損傷分析結果符合尸體試驗結果。

2.2.2 內臟損傷

在心臟損傷研究方面，YAMADA[22]的研究表明，0～9 歲兒童心肌的極限拉伸應變為 62.6±6.9%，當第一主應變達到30%時心肌組織便開始出現挫傷，因此，可以將心臟發生一般性挫傷的第一主應變損傷容忍極限值定為30%。采用胸腹部有限元模型仿真得到的心臟最大第一主應變范圍為35.2%～41.7%，仿真結果表明撞擊中心臟可能會出現挫傷，但不會出現破裂傷。心臟損傷位置集中在與椎骨接觸的心臟外表面，如圖6所示，碰撞中胸部位移導致心臟接觸到胸椎，由于胸椎不易變形，心臟局部受胸椎擠壓后導致其應變集中，心臟的最大第一主應變出現在與其胸椎接觸的外表面。尸體試驗中并沒有關于心臟是否損傷的報告，所以無法評定與尸體試驗是否符合，但仿真結果對尸體試驗結果是一個很好的補充。

在肺的損傷研究方面，GAYZIK[23]利用試驗與仿真相結合的辦法指出在有限元模型中，利用第一主應變能較好地預測肺部的高顯影損傷，并給出預測高顯影損傷的第一主應變容忍極限值約為 28.4%。仿真試驗中肺部的最大第一主應變為 41.6%～63.8%，可以預測該6歲兒童在受到OUYANG Jun等所做的尸體試驗中的載荷時，肺部會產生挫傷甚至破裂，進而可能會導致氣胸現象的出現。肺部損傷主要集中在肺部外表面與肋骨和肋軟骨接觸的部分，與心臟擠壓的肺部下葉內表面以及有支氣管出入的肺門部位，如圖7所示，左肺和右肺最大第一主應變分別出現在與第五肋和肋軟骨接觸的外表面。肺部不同位置的損傷具有不同的損傷機理：肺部外表面與肋骨、肋軟骨接觸的部分及肺部下葉內表面的肺挫傷，主要是由于碰撞導致胸腔變形使胸腔容積驟然改變，所產生的壓力或壓力波通過胸壁傳遞到肺部組織，造成肺部的挫傷；與支氣管、肺血管相連的肺門損傷的產生，主要是由于肺部受到碰撞擠壓時，肺部的變形速度遠高于支氣管和肺血管的變形速度，使兩者間產生較大的相對速度，導致肺部受到支氣管等的拖拽，造成肺門部分的肺部組織挫傷。在尸體試驗中也檢測到了不同程度的氣胸或胸腺出血損傷，仿真試驗結果與尸體試驗結果一致。

3 結論

本文構建了包括肌肉、心臟和肺等軟組織以及胸部、肋骨等硬組織在內的具有詳細解剖學結構的6歲兒童乘員胸腹部有限元模型，利用該模型重構了兒童胸部尸體試驗。通過比對仿真試驗和尸體試驗的胸部撞擊力-變形曲線以及胸部VC值等，驗證了模型的有效性。

碰撞仿真結果表明，本撞擊條件下肋骨的最大主應變未超過損傷閾值，可見碰撞中未出現肋骨損傷，該結果與兒童尸體試驗的尸檢結果一致。碰撞仿真中胸部VC值均大于1 m/s，表明胸部內臟組織會出現挫傷，進一步分析碰撞時肺部和心臟等臟器的應力應變等力學數據，結果表明肺部和心臟等臟器的最大第一主應變達到了損傷閾值。

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