汽车交通事故中头部损伤评估模型的构建与验证*

蔡志华，兰凤崇，陈吉清，施 磊

(华南理工大学机械与汽车工程学院，汽车工程广东省重点实验室，广州 510641)

前言

对于汽车交通碰撞损伤的严重性，世界卫生组织于2004年发布的“世界预防道路交通伤害报告”［1］指出，估计每年全球由于交通碰撞问题引起的死亡人数为120万，伤者5000万。预计到2020年，全球交通伤亡总数将上升65%左右，根据美国国家公路交通安全管理局汽车碰撞年度统计报告的数据，美国平均每5s就有1起汽车碰撞事故发生，每11s就有1人因汽车碰撞而受伤害，每12min就有1人因汽车碰撞而死亡;我国因交通事故而造成的死亡人数远远超过美国和欧盟死亡人数的总和［2-3］。研究表明，交通事故中头部损伤是最为常见的损伤类型之一，是造成重伤或者死亡的主要原因;因此，研究头部损伤中的生物力学问题和在交通事故中头部的损伤机理对于改善与优化汽车的设计，制定科学安全的交通伤害评估标准、采取安全的防护措施和降低伤害的发生率具有非常重要的意义。

随着计算机技术的不断发展，有限元模型逐渐成为研究头部损伤生物力学的重要工具，也是汽车安全设计的重要依据。近年来研究人员开始用有限元方法建立三维人体头部模型，文献［4］～文献［14］中开发了各种头部有限元模型。但基于中国人体特征并得到验证的高仿生有限元模型较少。

本文中通过对中国成年男性志愿者进行CT扫描得到具有50百分位中国人体特征的头部几何模型，并进行了有限元模型的构建与验证，使之能够成为预测头部损伤的有效工具。同时能为汽车安全设计，防护系统的设计与开发提供有效工具;为深入研究头部损伤机理及损伤评判标准提供科学依据;为制定汽车安全法规提供参考。

1 中国50百分位成年男性头部有限元模型的构建

1.1 几何模型

通过对一个35岁50百分位中国人体特征的男性进行CT断层扫描，扫描层厚为0.6mm，获取头部的几何信息，CT数据按照医学影像数据处理技术重构头部的几何模型，首先从最初的CT数据进行医学影像的颅骨和脑组织轮廓边界的分割提取;然后把分割提取出来的各断层医学图像进行影像配准;最后将正确配准叠加起来的各断层CT图像运用三维重构技术建立头部的几何模型。本模型利用医学建模软件MIMICS建立，如图1所示。

利用GEOMAGIC、UG等软件对CT点云图像进行去噪、滤波和数据平滑等处理，将点云数据按照选定的精度，以最佳曲面方式在层间进行拟合，生成表面光滑的几何曲面模型，曲面横跨多层而不存在层厚对曲线光滑程度的影响。从结果来看，以点云数据方式建立的模型表面光滑程度高。形态复杂区域的精度较高，同样的方法建立颅骨与脑组织的几何模型。所建立的头部模型以IGES格式存贮，见图2。

1.2 有限元模型

基于50百分位成年男性人体解剖学结构、几何形状和尺寸建立的几何曲面模型，利用有限元前处理软件TRUEGRID、HYPERMESH等对模型进行网格划分，主要组织结构均使用实体单元建模。由于面骨结构复杂，在网格划分过程对面骨进行了简化。在头部模型中采用壳单元建模，头皮网格单元使用壳单元，脑膜网格使用只承受张力的膜单元。为了确保模型的精度和计算的效率，在模型网格划分时对网格质量进行控制。参考文献［13］的标准进行适当修正，见表2。

表2 模型网格划分的单元质量控制

有限元分析模型在LS-DYNA软件中的建立。整个模型质量 4.08kg，由 26个部件组成，包括57705个节点，57110个实体单元和11514个壳单元。该模型描述了头部的主要解剖学特征，包括头皮、三层骨结构的颅骨(松质骨与皮质骨)、面骨、大脑镰、脑幕、小脑镰、软脑膜、脑脊液、大脑、小脑和脑干等结构，如图3所示。

2 数值计算模型

头部损伤生物力学分析中组织材料主要采用较少变形的弹性、黏弹性和线弹性材料。其中最典型的是与载荷速率相关的黏弹性材料。黏弹性材料模型被广泛用来描述脑组织的材料特性。研究表明，脑组织含水量接近78%，表现出不可压缩的特性，本模型选用黏弹性材料，其剪切弹性模量的公式为

式中:G0为短效剪切模量;G∞为长效剪切模量;β为衰减系数;t为时间。

由于现有的科技手段和实验条件的限制，实际头部的材料参数很难获取，各种材料参数与属性参考了文献［15］，见表3。

表3 头部模型材料参数与属性

头部与颈部的连接采用自由边界条件，Nahum实验实际的碰撞冲击响应过程的脉冲只持续6ms左右，因此可忽略短时间内颈部对头部运动的影响。定义硬脑膜紧贴在脑颅的内表面，而软脑膜附着在脑表面。通过Tied(滑动不分离)接触定义(基于运动约束方法)对这种附着特性进行模拟，使用Tied接触描述脑脊液层和硬脑膜之间的相对运动。为了减少模型的复杂程度，脑室与脑、颅脑和颅骨都使用共节点方法连接，颅脑与颅骨之间采用相对界面滑动不分离的接触算法定义。该算法能确保碰撞时对侧负压力的模拟，冲击器与头部模型采用面-面接触方式。

3 实验与仿真验证

国外较早开始使用尸体进行头部损伤方面的实验研究，早期以研究颅骨骨折的耐受限度为主。1976年，文献［16］中开始使用未经防腐处理的尸体头部进行碰撞实验，测量颅内压力。20世纪90年代，文献［17］中建立了一套实验体系，通过尸体碰撞实验测量颅内压力数据，同时用所开发的有限元模型证实了旋转加速度和平移加速度所引起的颅脑相对运动在脑损伤机理中的重要作用，这两组实验目前广泛用于人体头部模型的验证。

在Nahum尸体实验中使用一带有垫片的刚性圆柱体冲击器以一恒定初速度对额骨部位进行正面撞击，法兰克福平面与水平面成45°角，圆柱体的质量从5.23kg到23.09kg不等，碰撞速度在8.41～12.95m/s之间变化。实验中测量了冲击器与头部的碰撞接触力、头部质心加速度和颅内5个不同位置的压力值，即顶骨侧脑组织左右各一点、枕骨下方的部位左右各一点和枕部的后脑窝位置。

本模型参考Nahum 37号实验，仿真验证建立了5.6kg的圆柱体冲击器模型，使用泡沫材料来模拟实验中的填充材料［18］(E=13.6MPa，泊松比 =0.16)，冲击器以9.94m/s的速度撞击头部，头部向前倾斜，法兰克福平面与水平面成45°角，见图4。

由于Nahum实验没有对冲击器前部垫片的材料做出说明，只给出了头部与冲击器相撞时的接触力。为了还原实验条件，通过仿真得到在9.94m/s的速度下的接触力曲线与实验吻合较好，如图5所示。因此将这一速度作为验证实验匹配的冲击速度。同时在验证过程中考虑到碰撞持续时间极短(6ms)，因此设定头部为自由边界条件，忽略颈部对头部运动响应的影响。

4 实验与仿真结果的对比分析与验证

为了验证本模型的有效性，仿真对比了头部质心加速度曲线，如图6所示;前额冲击位置的颅内压力曲线如图7所示;枕骨后脑窝位置压力曲线如图8所示。由图可见，仿真结果与实验得到的曲线趋势相吻合，前额和枕部的压力峰值出现在4ms时刻。图8显示的颅内压力分布表现出典型的冲击-对冲的压力梯度分布模式。在前额位置的压力为正，峰值为160kPa;在枕部压力为负，峰值为 -55kPa，与实验结果吻合较好。

同时仿真对比模拟了Trosseille的尸体实验，该实验曾被用于模型有效性检验。它用撞击物在不同初速度和撞击部位对3个尸体标本进行碰撞，记录了头颅的加速度和颅内压力。仿真结果显示冲击接触力、加速度和颅内特定位置的压力值与Nahum实验的值比较接近，颅内压力梯度分布如图9所示。在这些实验仿真中，颅内压力分布都表现出典型的冲击-对冲的压力梯度分布模式。压缩时的峰值为225kPa，拉伸时的峰值为-196kPa，与实验结果吻合较好。

5 结论

(1)建立了基于中国人体特征的50百分位男性头部有限元模型，模型尺寸精度较高，有效性得到了验证，对我国深入开展汽车交通事故中头部损伤机理与耐受极限的研究具有重要意义。

(2)通过对模型的运动学和动力学响应与实验结果的对比，本模型具有较高的生物逼真度，在不同的实验仿真中，模型的颅内压力分布均表现出典型的冲击-对冲的压力梯度分布模式，并且压力的峰值与前人的尸体实验吻合较好，该模型可用于汽车交通事故中头部和汽车接触与无接触碰撞事故中由于平移加速度与旋转加速度所引起脑部的损伤评估。

(3)本模型可作为有效工具应用于汽车车身安全和防护系统的设计与开发，对减少头部损伤、保护乘员和行人安全有重要的实际应用价值。

(4)为我国建立具有针对中国人体特征的汽车安全法规与损伤防护标准提供参考。

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