不同颅脑接触面对头部模型损伤状况影响的研究*

宋学伟，胡 浩，胡兴军，孙晓艳，金景旭，高振海,，赵 会

(1.吉林大学，汽车仿真与控制国家重点实验室，长春 130022；2.湖南大学，汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙 410082;3.长安汽车股份有限公司汽车工程研究院，重庆 401120)



2015032

宋学伟1,2，胡 浩1，胡兴军1，孙晓艳1，金景旭1，高振海1,3，赵 会3

(1.吉林大学，汽车仿真与控制国家重点实验室，长春 130022；2.湖南大学，汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙 410082;3.长安汽车股份有限公司汽车工程研究院，重庆 401120)

基于第50百分位中国男性头部CT和MRI数据，建立一个用于交通事故损伤评价的头部有限元模型。分别定义颅-脑接触面为共节点、滑动不分离和滑动分离3种界面，以研究不同颅-脑接触方式对伤害结果的影响。利用Nahum颅内压和Hardy颅-脑相对位移实验数据评价不同颅-脑接触面模型的准确性。结果表明，颅-脑接触面类型对颅内压影响较大，其中共节点界面与实验结果吻合最好，而颅-脑相对位移对颅-脑间界面类型不敏感。

前言

全球每年因道路交通事故造成约120万人死亡，使约2 000万人遭受终身致残伤害。我国每年约6万人因交通事故死亡[1]。交通事故中的头部损伤的概率高达54%[2]，是伤后致残致死的首要原因，而头部又是身体中最易受伤的部位。如今，头部损伤(TBI)已是全世界所面临的社会性问题。颅脑损伤不仅给家庭带来无限痛苦，而且给社会带来巨大的经济损失。据世界卫生组织(WHO)估计，道路交通事故每年给全球造成经济损失约为5 180亿美元，占全球生产总值的1%～2%[1]。因此，开展颅脑损伤发生机制的研究，对于制定并完善相应的防护措施，降低伤害的发生率以及预测事故中脑损伤发生的概率具有重要意义。

学者们利用动物、尸体和机械模型开展头部损伤的研究始于20世纪40年代。这些研究成果对了解头部伤害机理有重要意义，但动物、机械模型、尸体样本与真实的人体头部结构都有差异，且实验工况单一，具有一定的局限性。随着计算机功能的迅猛发展和人们对头部伤害研究的深入，利用力学结合医学影像手段建立有限元模型对头部伤害进行模拟分析已成为研究头部伤害的主要工具之一。国外在颅脑损伤有限元建模与仿真方面开展得较早[3-6]，国内在此方向的研究则开展得相对较晚[7-9]。这些研究取得了很多有益的成果，但各种头部损伤有限元模型进行研究时，多集中在对几个经典尸体头部实验的验证，很少有考虑颅-脑接触面对伤害结果的影响。

本文中基于某中国人的头部医学影像数据建立了第50百分位中国人头部有限元模型，利用Nahum颅内压实验[10]和Hardy颅-脑相对位移实验[11]结果分析颅-脑接触面不同建模方法的准确性。

1 第50百分位头部有限元模型

1.1 第50百分位头部有限元模型的构建

研究中使用的头部有限元模型是基于某身高170cm、42岁的男性志愿者头部CT和MRI数据建立，其中颅骨数据来自CT，软组织数据来自MRI。在Mimics软件中，利用根据各组织不同阈值而提取的几何参数在逆向软件中拟合成曲面，生成头部各组织的几何模型(图1)，并在软件ICEM和Hypermesh中对其进行网格划分，而生成完整的头部有限元模型(图2)。

模型包括头皮、颅骨(密质骨和松质骨)、脑脊液、大脑镰、小脑幕、大脑、小脑、脑干、胼胝体和脑室等头部主要解剖学结构(图2)。颅骨厚度为4～7mm，用3层实体单元对其进行划分，面骨经简化后用1层壳单元模拟，设定壳单元的厚度为3mm，头皮厚度为5～7mm，同样采用3层实体单元对其进行网格划分。最终建立的头部有限元模型具有99 765个节点，96 187个单元，其中壳单元2 180个，实体单元94 007个，模型总质量约为4.5kg。

1.2 材料属性

真实的脑组织非常复杂，材料为非均质且各向异性，但在实际的工程问题中，头部模型把脑组织视为均质、线性和各项同性。脑组织材料模型有线弹性、线性黏弹性和超弹性3种材料。其中线性Max-well黏弹性模型应用最广，其剪切模量G(t)可以描述为[5]

G(t)=G∞+(G0-G∞)e-βt

(1)

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为持续时间。

本文中大脑的材料特性选用线性Max-well黏弹性模型，脑脊液(CSF)选用ELASTIC_FLUID材料。头部其它部分材料参考了韦恩州立大学的WSUHIM模型[5]的参数，并根据所建立模型的实际特点对其中一些材料参数进行适当调整。头部模型中各组织材料参数见表1。

表1 头部各组织材料属性及参数

当头部受到冲击时，颅骨和大脑之间会发生相对运动，不同颅-脑接触界面的定义会影响大脑对外界冲击的响应。本文中建立了3种不同类型的颅-脑接触面模型，研究颅-脑接触界面对头部响应的影响。第1种模型，颅骨和大脑共节点，不允许颅脑之间的分离；第2种模型，颅骨和大脑不共节点，颅-脑接触面定义为滑动不分离界面；第3种模型，颅骨和大脑不共节点，颅-脑接触面定义为滑动分离界面。模型颅-脑接触界面的滑动摩擦因数定义为0.2[12]。

2 基于文献数据的仿真验证

2.1 颅内压实验验证

Nahum等人1976年进行的尸体颅内压实验一直是验证头部模型有效性的重要依据。实验中使用前端带有填充材料的圆柱刚性冲击器对未经防腐处理的尸体头部进行冲击，并测量了冲击器和头部的接触力、头部质心加速度和额骨区域、顶骨左右区域、枕骨左右区域与小脑窝处的压力[10]。但文献[10]中只给出37号尸体实验的压力-时间曲线。

利用建立的头部模型进行Nahum颅内压实验的验证，并将3种不同颅-脑界面的模型仿真结果与实验数据进行比较，研究不同接触界面对头部响应的影响。实验中，冲击器质量为5.9kg，冲击速度为9.94m/s。根据实验建立了头部撞击模型，如图3所示。由于文献[10]中没有给出冲击器和缓冲垫片的具体几何参数和材料特性，只给出了实验时测得的接触力曲线，因此，只能通过试算去获得与实验一致的接触力曲线。通过试算最终选定的仿真分析冲击器的质量为5.6kg，冲击速度为6m/s时，接触力曲线与实验值吻合较好，如图4所示。将该速度作为模拟中的撞击速度进行实验验证分析。考虑到实验中的碰撞时间极短(10ms)，因此设定头部为自由边界。

Hardy等人2001年进行的颅-脑相对位移实验[11]是验证有限元模型的另一个重要的尸体头部实验，也是目前唯一考虑头部旋转的尸体实验。实验中选取了未经防腐和冷冻处理的尸体头部到第二胸椎的标本，尸体头部倒置悬挂，使用CSF灌注设备，保证标本体温和压力正常，并分别在大脑颞骨区域和枕骨区域植入与大脑密度相当的中性密度的标识物(NDT)，每一标识物之间的间距约为10mm，如图5所示。选择C755-T2这一组实验来研究不同类型颅-脑界面的影响。表2为样本C755-T2基本情况和实验条件，包括平移加速度和转动角加速度的正向、负向最大值。该组实验中，用冲击器冲击样本枕部进行加速，碰撞速度为2m/s。头部CG的合成平移加速度和角加速度峰值分别为24g和1 813rad/s2。

表2 样本C755-T2基本情况和实验条件

Hardy实验中涉及到复杂的坐标转换关系，且也很难获得各组实验的全部有效数据，因此仿真中将经换算的头部加速度曲线作为模拟中的输入，定义颅骨为刚性体。将实验获得的头部6个方向的加速度(平移加速度和角加速度)施加在头部的质心上。

3 仿真结果分析

3.1 颅内压实验

图6为用不同颅-脑接触面仿真得到的前额处颅内压与实验结果的对比。从图6看出，颅-脑共节点界面仿真结果与实验值吻合最好，滑动不分离界面额骨处压力高出实验值20%左右，而滑动分离界面仿真结果与实验值误差最大，滑动分离界面前额处压力峰值达285kPa，比实验值约高91%。图7为对应的小脑窝处颅内压曲线。从图7看出，颅-脑共节点界面仿真结果与实验值吻合最好，滑动不分离界面小脑窝处压力比实验值小5%左右，峰值时间约早0.2ms，滑动分离界面仿真结果与实验值误差最大，小脑窝处压力出现了局部正压，这是因为滑动分离接触界面只能传递压力而不能传递拉力，在头部受到冲击的瞬间，由于大脑运动滞后于颅骨，对冲击侧缺少拉力，大脑与颅骨短暂分离，出现空隙，当两者再次接触时会出现局部压力过大，形成正压力。真实颅腔内，由于脑脊液的流动性，颅骨和大脑不会出现空隙。

依据文献[11]选取NDT位置。由于文献[11]中仅给出a1、a5和p1、p5 4个标识物的位移-时间曲线，因此本文中选取了这4个点进行模拟，并观察不同颅-脑接触界面的仿真结果。

仿真结果如图8所示，对于不同颅-脑接触面，脑组织局部运动趋势一致，均出现明显的环形路径(a1、p1)和8字形路径(a5、p5)特征。头部受到冲击时，标识物会立即随脑组织一起向前运动，但由于大脑运动的滞后性，标识物会出现向后的位移量，在23～28ms时位移量达到最大，这与Hardy实验结果基本吻合，但在位移量上与实验值有所差异，造成偏差的可能原因如下：(1)由于模型网格划分，网格节点位置没有与NDT坐标位置(a1，a5，p1，p5)对应；(2)模型的尺寸与实验样本尺寸有差异，导致模型与样本质心不重合；(3)黏弹性脑组织与真实脑组织材料特性存在差异。

在相对位移模拟实验时，目前的有限元模型都存在不同程度的偏差。文献[13]中脑组织运动趋势平缓且没有出现8字形路径，文献[14]中脑组织的局部位移量超过了5mm，甚至达到了10mm左右，文献[5]中也仅是在脑组织的运动模式与实验类似。本文模型对颅-脑相对位移实验模拟的结果，不论是在运动趋势上还是数量级上都可接受。颅-脑之间采用不同的接触面导致的脑组织位移量不同，但是位移变化均处在同一个数量级上，且X、Z方向位移量的绝对值均小于5mm，如表3所示，这与Hardy实验结论一致。因此，颅-脑接触方式定义对头部相对位移的影响不大。

表3 不同颅脑接触面脑的位移量

4 结论

(1) 颅内压对颅-脑接触界面类型比较敏感，其中颅-脑采用共节点界面，仿真结果与实验吻合较好；滑动不分离面，冲击侧压力峰值高出实验值20%左右；而颅-脑采用滑动可分离界面，颅内压模拟误差最大。

(2) 颅-脑相对位移对颅-脑间接触面的类型不敏感，采用不同颅-脑接触面时脑组织的局部运动趋势基本一致，均出现明显的环形路径和8字形路径特征，且位移量绝对值较小，在5mm之内。

(3) 颅内压实验模拟中，颅-脑采用滑动分离界面，对冲击侧大脑和颅骨分离，出现空隙导致了正压的出现，而真实颅腔内，由于脑脊液的流动性，颅骨和大脑不会出现空隙。

本文研究结果对建立头部伤害模型的颅-脑接触界面的选择具有参考价值。

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A Study on the Influence of Different Skull-Brain Interfaceson the Injury Conditions of Human Head Model

Song Xuewei1,2, Hu Hao1, Hu Xingjun1, Sun Xiaoyan1, Jin Jingxu1, Gao Zhenhai1,3& Zhao Hui3

1.JilinUniversity,StateKeyLaboratoryofAutomotiveSimulationandControl,Changchun130022;2.HunanUniversity,StateKeyLaboratoryofAdvancedDesignandManufacturingforVehicleBody,Changsha410082;3.AutomotiveEngineeringInstitute,Chang’anAutomobileCo.,Ltd.,Chongqing401120

A human head finite element model for the injury assessment of traffic accidents is built based on the CT and MRI data of the 50th percentile Chinese male head.Three types of skull-brain interface (sharing common notes, sliding without separation and sliding with separation) are defined respectively to study the effects of different contact conditions between skull and brain on the situations of brain injury.The experimental data of intracranial pressure from Mr.Nahum and that of the relative displacement between skull and brain from Mr.Hardy are used to evaluate the correctness of models with different skull-brain interfaces.The results indicate that the types of skull-brain interface have a relatively great influence on intracranial pressure, in which the interface with common notes agree best with experimental results, while the skull-brain relative displacement is not sensitive to the types of skull-brain interface.

head model; intracranial pressure; relative displacement; skull-brain interface

*国家自然科学基金(51175218)、汽车车身先进设计制造国家重点实验室开放基金项目(31115004)、长江学者和创新团队发展计划(IRT1017)973(2012CB723802)资助。

原稿收到日期为2013年5月20日，修改稿收到日期为2013年7月24日。