汽车碰撞事故中头颈部损伤模型的构建与验证*

胡　敏羊　玢,2,3肖　峰袁云康梅永存

（1.南京林业大学，南京210018；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.新加坡国立大学，新加坡117576）



汽车碰撞事故中头颈部损伤模型的构建与验证*

胡敏1羊玢1,2,3肖峰1袁云康1梅永存1

（1.南京林业大学，南京210018；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.新加坡国立大学，新加坡117576）

【摘要】建立了基于中国人体特征的50百分位男性头颈部有限元模型，该模型具有详细解剖学结构，尺寸精度较高；基于国外经典的尸体碰撞试验数据，对该头颈部有限元模型进行了有效性验证，并利用该模型模拟了两种典型面部碰撞交通事故案例。结果表明，所建立模型具有较好的生物逼真度，能够正确反映碰撞过程中颅内生物力学响应，可用于研究汽车碰撞事故中头颈部损伤机理及损伤评估等工作。

1　前言

交通损伤一直是威胁人类安全的主要社会因素之一，其中头部损伤因其致命性较高而成为最严重的交通损伤，因此，研究汽车碰撞过程中头颈部损伤机理对于汽车安全性设计具有重要意义［1］。

目前，研究头部生物力学响应的主要手段包括动物模型试验、物理模型试验、尸体试验等［2～5］，但由于这些模型存在着各种各样的局限性，使得有限元模型逐渐成为研究头颈部损伤生物力学的重要工具［6］。当前行人交通碰撞事故中面部损伤和创伤性脑损伤是头部有限元模型仿真研究的热点，Nyquist等人［7］对11具尸体进行了面部碰撞试验，但只针对鼻骨处碰撞进行了研究；All⁃sop等人［8］针对人体头部颧骨和上颌骨进行了碰撞研究，但试验结果只给出了冲击力-位移曲线，并没有针对骨折类型进行分析报道。

针对以上问题，构建了符合中国人体特征的50百分位头颈部有限元模型，并基于国外不同时期经典的尸体试验数据［9～11］对模型进行了验证与修正，通过碰撞案例分析了所建模型用于研究汽车碰撞过程中头颈部损伤机理的可行性。

2　头颈部有限元模型的构建

2.1几何模型

通过对1个符合中国人体特征的50百分位成年男性头部进行的断层扫描（computed tomography，CT）及磁共振（magnetic resonance imaging，MRI）扫描获取了头部颅骨组织几何信息，将CT和MRI扫描数据导入到医学建模软件Mimics中，根据各组织结构阈值范围，调节合适的灰度值进行各组织轮廓边界的分割提取，最后运用三维重构技术建立头颈部三维几何模型，包括头骨、面部骨骼、窦、大脑、小脑、大脑白质、灰质、脑室系统、中脑、脑干和脑脊液等，如图1所示。

图1　头颈部三维几何模型

2.2有限元模型

将头颈部几何模型导入软件Hyperworks中进行网格划分，在网格生成器HyperMesh中使用阵面推进法填充表面四面体单元限定的封闭区域。最终建立的有限元模型包含327 536个节点和1 337 903个线性四面体单元，网格平均边缘长度为1.57 mm，纵横比为1.61，如图2所示。

图2　头颈部模型网格划分

2.3材料参数

根据文献［11］、［12］相关研究结果设置所建立头颈部模型中各组织的材料属性，如表1所列。

表1　头颈部模型各组织材料属性

2.4头颈部模型接触条件定义

颅骨与脑组织的相对运动描述是颅脑有限元模型研究的重点。早期的有限元模型在模拟颅脑交界面时主要采用3种方式：一种是用相同节点代表颅骨和脑组织两种结构［13］，这种方法能较好地模拟压力梯度分布，但是难以描述颅骨与脑组织界面的相对运动；第2种是将脑脊液层定义为低剪切模量的薄层材料［14］，但此方法易出现计算不能收敛的情况；第3种方式采用滑动不分离算法定义颅骨与脑组织的接触界面，这种定义方式可使在碰撞时颅脑与颅骨之间不会出现间隙，可以模拟碰撞点对侧（contre-coup）的负压力，但必须再定义脑组织与颅骨之间的摩擦因数来模拟旋转加速度由颅骨传递至脑组织的情况。

所建立的头颈部模型中，硬脑膜附着在内颅表面，软脑膜附着在脑组织上表面，硬脑膜与软脑膜之间为脑脊液层，脑组织与颅骨之间的接触界面采用滑动不分离算法，参考相关文献定义滑动摩擦因数为0.2。其它颅内组织、颅骨、软骨和牙齿之间的连接均采用网格固连（tie-constraints）的面面接触方式。

3　头颈部有限元模型验证

3.1Nahum尸体试验

Nahum等人［8］以未经防腐处理的人类尸体作为试验样本进行了撞击头部前额的试验。试验中使用带有垫片的刚性圆柱体冲击器以恒定初速度对额骨部位进行正面撞击，为使冲击器的初速度通过头部质心时不引起头部的偏转，头部被向前倾斜安装，如图3所示。碰撞时间持续0.015 s，最大碰撞力发生在0.004 s，输入力与时间函数的关系如图4所示。

图3　Nahum试验中的碰撞方向示意

图4　输入力与时间函数曲线

参照Nahum试验条件，对所建立的头颈部模型进行了碰撞仿真，得出颅内4个典型位置（碰撞侧，碰撞点对侧，上、下枕骨）的压力-时间曲线，并与Nahum试验结果进行了对比，如图5和表2所示。由图5和表2可知，Nahum试验中，冲击侧压力最大峰值为180 kPa，出现在0.004 s左右，而仿真中顶骨压力为正，呈压缩模式，最大压力为162 kPa，出现在0.004 5 s左右，比试验值稍小；而碰撞点对侧仿真压力为负，呈拉伸模式，压力峰值为-58 kPa，出现在0.003 8 s左右，而试验中压力峰值为-62 kPa，出现在0.004 5 s左右。试验结果表明，碰撞侧、碰撞点对侧、下枕位置的仿真结果与试验结果吻合度较好，均没有超过允许范围的20％；上枕位置仿真峰值压力与试验结果差异较大，主要是由于有限元模型材料参数定义与真实人体头部组织材料属性不同导致。

图5　仿真与Nahum试验颅内典型位置压力-时间曲线对比

表2　各碰撞位置颅内压力峰值对比结果

3.2Trosseille尸体试验

Trosseille等人［9］使用质量为23.4 kg的冲击器以不同初速度对3个尸体标本的前额、面部和胸部进行了碰撞试验。本文只选取Trosseille试验中的面部冲击试验（编号MS428-2）并参照其试验条件进行仿真分析，试验时冲击器的冲击速度为7 m/s。仿真中定义颅骨为刚体，将头部质心获得的加速度加载在刚性颅骨上，因为碰撞发生在正中矢状面上，因此仿真中将Trosseille试验得到的X轴、Z轴的平移加速度和Y轴的旋转加速度作为输入条件（图6）。将仿真获得的额部、颞部以及枕部压力值与试验值进行了对比，如图7和表3所示。

图6　Trosseille试验中的碰撞方向及加速度曲线

图7　各碰撞位置压力仿真结果与Trosseille试验结果对比曲线

由图7和表3可知，仿真额部压力峰值出现在0.010 s，峰值为86 kPa，试验峰值出现在0.012 s，峰值为84 kPa，仿真峰值出现的时间比试验时提前0.002 s，峰值误差为2.4％，未超过20％的允许范围，表明额部压力仿真结果与试验结果吻合较好；颞部压力峰值和枕部压力峰值与试验峰值相差较大，其它文献中也出现过类似情况［15］，可能是因为仿真模型与尸体试验样本个体之间存在差异，而且模型中脑脊液（CSF）用低剪切模量的实体单元进行建模，不能准确反应固-液界面处的压力分布以及相互作用。

表3　各碰撞位置压力峰值仿真结果与Trosseille试验结果对比

3.3Hardy尸体试验

Hardy等人［10］利用相关的测量传感器进行了尸体头部冲击试验。试验中，将两列6个检测标示物植入到颞骨-顶骨和枕骨-顶骨区域，每个标示物间距约为10 mm，利用一个直径为152 mm的冲击器以2～4 m/s的速度撞击枕部。碰撞过程中，头部标示物的运动由高速X光摄影系统捕捉，利用新型传感器测量冲击过程中颅脑相对运动的位移量。

参照Hardy尸体试验条件进行碰撞仿真试验，头部标示物位置如图8所示，两列标识物中，前部标识物NDTa植于颞骨-顶骨区域，后部标识物NDTp植于枕骨-顶骨区域，都在大脑的右半球。仿真结果显示，大部分的大脑运动图像呈现“8”和“∞”两种模式，颅脑相对运动距离≤6 mm，与试验结果基本吻合。

图8　头部标识物位置以及仿真中测量点位移模式

上述试验表明，所建立的头颈部模型具有较高的生物逼真度，能够正确反映在碰撞过程中人体颅内生物力学响应，因此该模型可用于汽车碰撞中头颈部损伤机理的研究。

4　面部碰撞损伤案例分析

模拟面部正面碰撞和侧面碰撞两种场景，使用一个3.2 kg、直径为28.66 mm的圆柱形刚体冲击器，分别对面部正面和侧面进行碰撞仿真，冲击速度为2.5 m/s。通过仿真模拟获得两种碰撞条件下应力波在头颈部传播情况，如表4所列。

表4　不同碰撞条件下人体头部应力传播情况

由表4可知，正面碰撞案例中，应力先是集中在撞击位置，然后从前鼻骨向后移动，约1.6 ms后穿过犁骨传播到蝶骨和枕骨大孔，最终到达颈部。由于模型底座是固定的，在下颈部引发一些局部应力，根据断裂理论，在鼻骨周围可能存在骨折风险。侧面碰撞案例中，应力波主要通过上颌腭和上颌窦向蝶骨传播，最大应力集中在颧骨处，为244.69 MPa，而且在颧骨额突、上颌骨和颧眶表面还呈现局部应力集中，导致头骨额区和大脑额部之间产生较大的相对位移，应力会集中在大脑的前额部和颞部处，随后向枕部传播。

通过两种碰撞场景的仿真试验可知，面部碰撞的位置和方向是导致面部骨折位置和严重性的关键因素，也决定脑损伤的部位和严重程度，面部外伤中的骨折在一定程度上都与脑损伤有关，即利用该模型进行仿真试验能够正确反映在汽车碰撞过程中颅内生物力学响应，可用于碰撞过程中颅脑损伤评估等相关工作。

5　结束语

以CT和MRI数据为依据，建立了基于中国人体特征的50百分位男性头颈部有限元模型，基于Na⁃hum、Trosseille和Hardy等人的经典尸体试验数据对有限元模型进行了有效性验证。模拟了两种典型面部碰撞交通事故场景，获得了颅内应力波传递和von Mises应力等生物力学响应参数分布规律，通过对比头部损伤阈值，可预测和评判面部碰撞引起的创伤性脑损伤。本文所建立的有限元模型具有详细解剖学结构，尺寸精度高，有较好的生物逼真度，能够正确反映碰撞过程中颅内生物力学响应，对于研究碰撞造成的人体头颈部损伤机理及制定损伤评判标准具有参考价值。

参考文献

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14许伟.车辆碰撞事故中头部生物力学响应和损伤机理分析：［学位论文］.长沙:湖南大学, 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.

（责任编辑文楫）

修改稿收到日期为2016年1月29日。

主题词:汽车碰撞头颈部模型损伤机理

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

*基金项目:中国博士后科学基金资助项目（2015M572243）、湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室开放基金资助（31415008）。

中图分类号:U461.91

文献标识码:A

文章编号:1000-3703（2016）04-0057-06