钝性碰撞中人体肝脏生物力学响应数值分析

陈吉清,杜天亚,兰凤崇

(1.华南理工大学 机械与汽车工程学院,广州510640;2.华南理工大学 广东省汽车工程重点实验室,广州510640)

0 引 言

在交通事故中,胸腹部钝性撞击很常见。王正国等系统分析了道路交通事故中乘员胸腹部损伤流行病学[1]。研究表明胸腹部损伤占交通伤的13%～15%,且在致命伤中占较高比例。其中肝脏损伤是最常见也是致死率最高的损伤类型之一[2],据近期资料统计,肝损伤的死亡率为6%～15%。因此开展钝性碰撞下的肝脏损伤研究对于改善汽车被动安全性能、减少交通事故中人员的伤亡有重要参考意义。

肝脏是人体胸腹部最大的实质器官,主要由左右两片肝叶通过中间镰状韧带连接而成,略呈现楔形,右端圆钝而厚,左端逐渐变窄而薄,大部分位于右季肋区和腹上区,被肋所掩盖,小部分达左季肋区,左、右肋弓之间有小部分露于剑突下,质地柔软而脆弱,是最易损伤的脏器之一。在汽车碰撞中,转向装置、仪表盘、侧门等接触点撞击胸腹部导致腹腔相对脊柱压缩变形,巨大减速度造成器官相对身体的惯性运动,从而引起肝脏挤压出现组织撕裂。针对以上肝脏损伤特点,肝脏损伤生物力学的研究重点是建立器官层面力学响应与可用仪器测量的全局力学参数的量化关系,例如,Walfisch等[3]进行了尸体坠落实验,指出当受到4.5 k N的冲击力时,有50%的可能性产生AIS≥3肝脏损伤,Viano等[4]分析中高速刚性棒侧面冲击的腹部响应,发现AIS≥4肝脏损伤与43.7%的腹部压缩量和1.98 m/s的VCmax相关。

目前,进行钝性碰撞中肝脏损伤生物力学研究主要有3种方法,即尸体实验方法、离体器官实验方法和数学模型方法。人类尸体(PMHS)实验提供了价值极高的胸腹部全局响应数据,如胸部变形量、碰撞接触力等,与肝脏损伤的关系,但由于尸体实验的样本尺寸差异巨大、样本老龄化、缺乏肌肉主动力、不可重复性等问题,目前很少开展。离体器官实验能够得到器官层面力学响应,如器官表面接触力、器官变形量、血流压力等,但缺乏复杂的体内约束条件,无法重现人体碰撞时器官的致伤环境。数字模型方法是解决上述问题的最有效手段之一,利用有限元方法可以建立具有精细解剖结构的人体生物力学模型,在保证模型仿生可靠性的前提下,建立器官层面力学响应与可用仪器测量的全局力学参数的量化关系,可以准确模拟碰撞过程中肝脏的生物力学响应。

理想情况下,人体有限元模型精度越高,解剖学结构越详细,越能准确反映真实碰撞中肝脏的生物力学响应情况。但是,考虑到在汽车安全性设计和虚拟评价方面的应用价值和计算成本问题,针对钝性碰撞下肝脏生物力学响应分析,在保证关键结构准确度的前提下,对模型做适当简化以控制计算稳定性和模型复杂程度是十分必要的。

综上所述,为了深入分析钝性撞击下肝脏的生物力学响应,本文基于中国五十百分位男性平均尺寸建立了简化胸腹部模型,胸腹腔内脏器官除肝脏外构建为一个整体,肝脏模型具有较高仿真度,以达到模型精度与计算效率之间的平衡。参考国外经典胸腹部钝性撞击试验,如正面、斜侧面碰撞摆锤试验,分别进行正面、左斜侧、右斜侧方向上低速(3.8～4.0 m/s)、中速(5.2～5.5 m/s)、高速(6.7～7.33 m/s)等共10组仿真计算,分析了不同加载工况下肝脏的变形机制以及动力学响应结果,并研究了肝脏力学响应结果与胸部响应指标的相关性。

1 有限元模型的建立

考虑到研究重点为肝脏生物力学响应,因此肝脏及其毗邻的软组织建模需要详细阐述。针对肝脏进行单独建模,维持较高精度的表面曲率特征,以分辨出肝脏局部解剖学结构(如左肝叶、右肝叶、方叶、尾状叶、镰状韧带等),对其他内脏器官,如心脏、肺、膈膜、脾脏、肾脏、胰脏、胃、大肠、小肠等,简化为一个整体。由于肝脏损伤主要来源于胸腹腔的变形和脊柱的挤压,因此将内脏简化为一个整体是可行的[5]。

利 用Mimics 10.0(Materialisc Inc.,Leuven,Belgium)thresholding功能分别对胸腹部和肝脏提取点云数据,导入Geomagic Studio 12中构建几何模型,如图1和图2所示。在Geomagic Studio 12中,将图1中红色线圈内部的点云数据删除,得到胸腹部内脏空腔的闭合包络面,将该闭合曲面和肝脏几何模型(见图2)分别导入Hypermesh中生成实体,文中记作A和B。在同一套CT中提取的所有点云模型使用同一坐标系,也就是说肝脏实体与胸腹部内脏包络体的相对位置没有发生变化,与体内实际的相对位置一致,是准确的解剖学位置。

图1 软组织的CT提取Fig.1 Soft tissue CT extraction

图2 肝脏的点云模型和几何模型Fig.2 Liver point cloud model and smoothed geometric model

采用布尔运算(A-B)＋B的方法将内脏整体与肝脏进行装配,即,在内脏整体的实体模型中挖去肝脏相应位置上所占部分,获得A-B,再与肝脏实体装配,获得(A-B)＋B。为了避免肝脏模型与内脏实体模型在划分网格时产生初始渗透,导致计算不稳定,在装配前将肝脏实体模型等比例放大至1.01倍,以保证与原始尺寸肝脏模型装配后接触面之间留有足够的间距进行接触运算。然后将原始尺寸的肝脏实体模型按实际解剖学位置导入内脏实体(A-B)中。肝脏与内脏整体接触定义为AUTOMATIC_SLIDING_SURFACE,摩擦因数设为0.1。

为了保持肝脏表面及内脏整体包络面固有的曲率 特 征,采 用ICEM CFD(Ansys Inc.,Canonsburg,PA)中块功能划分网格,然后在前处理软件Hypermesh(Altair Engineering Inc.,Troy,MI)中进行材料属性赋值,边界条件的加载等。肝脏的主要韧带,如冠状韧带、左/右三角韧带用弹簧单元表示,如图3所示。

图3 肝脏的点云模型和几何模型Fig.3 Liver point cloud and smoothed geometric model

人体胸腹部有限元模型共由肋骨、胸骨、肋间肌、脊柱、肝脏、内脏整体等组成。肋骨、胸骨、椎骨等均由皮质骨和松质骨构成,用六面体单元模拟。皮质骨和松质骨之间采用共节点的方式连接。脊柱为可变形弯曲结构,椎间盘的髓核和纤维环均采用六面体单元模拟。简化后的胸腹部模型共741 916个节点,727 705个单元,较完整胸腹部模型分别减少35%和30%,接触面减少11个,保证了计算效率和稳定性。该简化模型已经通过可靠性验证,结果详见文献[6],图4展示了简化后的躯干和整人有限元模型。

图4 简化的躯干和整人有限元模型Fig.4 FEM of torso and whole human body

整人有限元模型是基于中国五十百分位男性志愿者(身高(1678.0±59.93 mm),体重(59.0±6.66)kg[7])CT数据建立的。包括头颈部、躯干、骨盆、四肢等主要结构。模型具体参数及细节详见文献[8-12]。为了使胸腹部模型所受载荷及边界条件与实验条件尽可能保持一致,将已经建立验证的头颈部、四肢有限元模型与简化胸腹部模型连接起来,放置在平板上,对整人模型施加重力场。表1列出了简化胸腹部模型主要结构的材料参数[5,13]。

表1 部分重要结构的材料参数Table 1 Material settings for some important tissues

2 碰撞仿真条件设置

参照Kroell等[14]开展的胸部正面摆锤撞击尸体实验和Viano等[15]开展的胸部侧面摆锤撞击尸体实验,拟定胸腹部简化模型的仿真方案见表2。建立直径152 mm、质量为23 kg的圆柱体刚性撞击块,在正面撞击中,撞击块端面中心对准剑突位置;在侧面碰撞中,将撞击块绕经过人体重心的纵轴分别水平左右各旋转60°,作为左右侧面撞击方向,以保证实验对象不会发生旋转,具体模拟边界条件如图5所示。10组仿真条件及计算结果列于表2。

表2 仿真结果列表Table 2 Summary of simulation results

图5 碰撞仿真示意图Fig.5 Frontal and oblique impact simulations

实验样本在碰撞中的胸部变形量通过固定在脊柱和胸骨两个主要特征位置的测量仪采集数据得到,是指胸部在通过剑突的水平面上沿碰撞方向的相对位移量,而在仿真计算中该参数的测量相对容易,胸部变形量的测量方法见图6。

图6 正面和侧面碰撞胸部变形量测量方法Fig.6 Measurement of thoracic deflection in frontal and oblique impacts

黏性准则(VC)是考虑到软组织损伤取决于压缩量和压缩速度而制定的胸部区域损伤准则。

式中:v(t)是由变形量D(t)微分得到的变形速率;C(t)是瞬时压缩函数,即变形量D(t)和初始的躯体厚度b之间的比值。

3 肝脏生物力学响应分析

3.1 肝脏损伤机制分析

为了清晰显示肝脏变形剧烈的部位及引起肝脏变形的骨骼结构,图7～图9均隐藏了内脏整体模型,只表达肝脏与毗邻骨骼结构的相对位置关系,且每个碰撞方向取碰撞速度最高的仿真结果进行分析。

在速度为7.33 m/s的正面碰撞条件下,胸腹部动力学响应过程大体一致,图7展示了整个碰撞过程中肝脏的动力学响应变化,为了清晰呈现肝脏形态,下列云图均隐去了内脏整体结构,只显示肝脏与骨骼结构挤压变形情况。在碰撞初始,胸廓向内侧压缩,与胸前壁一起压迫肝脏。胸廓右肋弓及剑突位置与肝脏右叶邻近镰状韧带位置及胆囊底位置发生接触。随着胸腹变形量增大,肝脏不均匀变形剧烈,产生应力集中,并推动整个肝脏产生严重的相对位移,挤压脊柱,造成尾状叶部位变形。因此在正面碰撞中,挤压造成的肝脏破裂最可能发生在右叶邻近镰状韧带位置和尾状叶位置。

图7 正面碰撞下肝脏应变云图Fig.7 Liver principal strain contours in frontal impact

在6.7 m/s左侧碰撞中,肝脏变形主要来自于左侧胸骨下角、肋弓和剑突部位挤压,如图8所示。左侧胸骨下角和肋弓压迫肝左叶,剑突挤压肝右叶邻近镰状韧带位置,与正面碰撞相似,但挤压方向不同。从左向右的载荷方向造成肝左叶局部向脊柱运动,左右叶之间呈一定角度折叠,局部曲率明显增大,如图8(b)所示,肝左叶的胃压迹位置挤压脊柱,产生应力集中。

肝脏大部分位于右季肋部,小部分在上腹部和左季肋部,肝右叶位于胸廓的大面积覆盖下。因此在4.0 m/s右侧碰撞中,肋骨大面积挤压肝右叶,肝叶膈面向上隆起,尾状叶与脊柱接触并挤压,造成大变形和应力集中,如图9所示。

图8 左侧碰撞下肝脏应变云图Fig.8 Liver principal strain contours in left impact

图9 右侧碰撞下肝脏应变云图Fig.9 Liver principal strain contours in right impact

3.2 肝脏力学响应分析

图10 肝脏损伤风险较高位置示意图Fig.10 Locations with high injury risk on liver

通过分析不同碰撞条件下肝脏的变形情况可以发现,肝脏的剧烈变形导致应变集中主要由骨骼结构压迫造成,分布在剑突压迫位置,左/右肋弓压迫位置以及脊柱挤压位置,因此将这四个部位分别编号1～4,如图10所示。进行10组仿真计算,在正面、左侧、右侧不同碰撞方向下各取3个碰撞速度,代表低速碰撞(3.8～4.0 m/s)、中速碰撞(5.2～5.5 m/s)、高速碰撞(6.7～7.33 m/s),仿真结果见表3。得到1～4号位置在各碰撞条件下的压力-时间曲线,如图11所示。

表3 胸部响应指标与肝脏响应的相关性Table 3 Correlation coefficient of thorax response predictors and liver responses

正面碰撞引起的应力集中主要分布在1、2号位置,即剑突压迫处和右侧肋弓压迫处,如图11(a)～(d)所示。左侧肋弓与肝脏左叶接触面积小,因此在胸廓变形量左右几乎对称时,左肋弓压迫肝脏的压力值小于右侧肋弓压力值。在低速碰撞条件下,肝脏较脊柱的相对运动幅度小,因此脊柱对肝脏的压迫不明显,压力值低于25 k Pa。随着碰撞速度增大,脊柱压迫肝脏产生的压力值大幅提高到100 k Pa以上,见表3,超过左侧肋弓处的压力值。

图11 肝脏各位置压力响应及峰值分布Fig.11 Pressure response and eak value distribution of 4 locations on liver

左侧碰撞的压力值主要集中在左侧肋弓压迫处,即3号位置,见图11(e)～(g)。低速碰撞时只有3号位置出现明显的应力集中,1、2、4号压力值几乎为零 。随着碰撞速度增大,剑突对肝脏的挤压(1号位置)渐趋剧烈,压力值从8 k Pa增大至100 k Pa左右。值得一提的是,左侧碰撞导致的脊柱压迫并不明显,但是4号位压力值却维持在50～100 kPa范围内,这主要是由于左侧碰撞引起肝脏在方叶(与脊柱接触位置,即4号位)位置呈一定角度的折叠褶皱,如图8(b)所示,导致出现较大压力值,并非脊柱压迫导致。2号位置,即右侧肋弓处,一直没有明显的压力变化,说明右侧肋弓在左侧碰撞中不会挤压肝脏,造成明显损伤。

右侧碰撞的压力值主要集中在右侧肋弓压迫处,即2号位置,见图11(h)～(j)。低速碰撞时只有2号位置出现明显的应力集中,1、3、4号压力值几乎为零 。随着碰撞速度增大,剑突逐渐压迫肝脏,且肝脏相对脊柱的位移增大,导致1、4号位置压力增大,而3号位置,即左侧肋弓处一直未压迫肝脏。

分析1～4号位置在不同碰撞条件下的压力峰值分布,见图11(k)～(m),可以得出,正面碰撞时的1号位置、左侧碰撞时3号位置以及有侧碰撞时2号位置是肝脏最容易出现损伤的部位,且中高速碰撞时这些损伤风险最高的部位压力差异逐步缩小,可以猜想肝脏压力逐步收敛于一个特定值,不会随速度提高一直增大下去,可针对这个猜想开展进一步的研究。

3.3 相关性分析

国内外学者采用不同指标预测肝脏损伤,至今没有统一定论,这些指标主要包括碰撞速度,接触力峰值,VCmax,胸部变形量等,而器官层面主要通过应力、应变峰值判断损伤是否发生。分析10组仿真结果,研究各预测指标与肝脏响应结果的相关性,进而获得相关性较高的胸部响应指标。采用线性回归方法,以相同方向下不同速度的仿真结果作为取样点,计算不同碰撞方向条件下胸部各响应指标分别与肝脏应力峰值及应变峰值的相关性判定系数R2,见表3。由于肝脏不对称的解剖学特点和不同碰撞方向引起胸廓刚度差异,碰撞方向和碰撞点位置显著影响肝脏生物力学响应,导致不同碰撞条件下各胸部响应指标相关性结果差异巨大。在正面碰撞中,胸部变形量与肝脏压力显著相关;在左侧碰撞中,接触力、VCmax和胸部变形量等预测指标与肝脏应变峰值的相关性普遍较强,而与肝脏压力的相关性并不显著;在右侧碰撞中,胸部响应参数与肝脏压力、应变峰值的相关性均普遍较高。因此采用单一胸部响应指标预测所有加载工况下肝脏损伤情况的做法是值得商榷的。

4 结 论

(1)不同碰撞方向和碰撞位置导致肝脏与胸廓挤压位置发生变化。剑突、胸骨下角及肋弓位置最易与肝脏发生挤压,剑突一般引起肝右叶靠近镰状韧带位置变形剧烈,而胸骨下角和肋弓对肝脏的加载则与碰撞条件密切相关。不同的加载条件均导致肝脏相对脊柱产生位移,导致肝脏方叶位置受脊柱压迫产生应力应变集中。

(2)正面碰撞时压力主要分布在剑突压迫位置,其次为右肋弓挤压位置和脊柱挤压位置,左肋弓挤压引起的应力应变较小,损伤影响可以忽略。右侧碰撞时压力主要分布在右侧肋弓压迫位置,其次为剑突挤压和脊柱挤压,左肋弓挤压影响小。左侧碰撞时压力主要分布在左侧肋弓压迫位置,其次为剑突挤压位置,脊柱接触位置也会出现一定程度应力集中,但不是脊柱压迫造成,而是肝脏在方叶处呈一定角度折叠产生。各部位的压力峰值均随碰撞速度的增大而增大,随着速度增大,峰值差逐渐减小,趋于收敛。

(3)各胸部响应指标与肝脏损伤程度(用应力、应变峰值表示)的相关性随加载条件的差异而发生变化。在正面碰撞中,胸部变形量与肝脏压力显著相关;在左侧碰撞中,接触力峰值、VCmax和胸部变形量等预测指标与肝脏应变峰值的相关性普遍较强;在右侧碰撞中,胸部响应参数与肝脏压力、应变峰值的相关性均普遍较高。

(4)本研究中使用的肝脏模型仍是一个整体,对重要解剖学结构,如肝包膜、镰状韧带、肝门静脉等进行了简化,无法得到这些结构的力学响应。事实上,如果关注肝脏特定结构的碰撞相应,可以针对分析部位进一步细化处理,以得到更加丰富的信息,但是以牺牲计算效率为代价。根据不同的研究需求建立恰当规模的有限元模型也逐步成为生物力学研究的一个重要课题。

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