趙 瑋 阮世捷 李海巖

(天津科技大學(xué)損傷生物力學(xué)與車輛安全工程中心，天津 300222)

引言

交通損傷成為威脅人類安全的主要社會(huì)因素之一。頭部損傷因其較高的致命性，已成為最嚴(yán)重的交通損傷。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球15%的交通事故發(fā)生在中國(guó)，每年十萬(wàn)人的死亡相當(dāng)于每天有三百人。隨著汽車保有量的逐漸增加，未來(lái)幾年中國(guó)的交通損傷存在著有增無(wú)減的趨勢(shì)。行人、自行車、機(jī)動(dòng)車之間的相互碰撞不可避免地頻繁出現(xiàn)，由此引發(fā)的頭部損傷必然會(huì)大大增加。因此，研究、探討、理解頭部損傷中的生物力學(xué)問(wèn)題，研究頭部損傷在交通事故中的損傷機(jī)理，對(duì)于制定相應(yīng)的防護(hù)措施和降低傷害的發(fā)生率具有非常重要的意義［1－2］。

目前，研究頭部生物力學(xué)響應(yīng)的主要手段包括物理模型試驗(yàn)［3－5］、動(dòng)物模型試驗(yàn)［6－18］、尸體模型試驗(yàn)［19－22］。盡管物理試驗(yàn)成本較低，在某種程度上可以觀察到結(jié)構(gòu)受到載荷時(shí)的物理現(xiàn)象，但是物理模型在材料的選用及其生物逼真度方面仍然具有一定的局限性。另外，物理模型畢竟不是生物模型，不能觀察到生物體的生理病理學(xué)變化;盡管動(dòng)物模型可以觀察到由于承受載荷引起的病理生理學(xué)變化和組織破壞，但是，就輸入與響應(yīng)的因果關(guān)系而言，從動(dòng)物試驗(yàn)所得到的數(shù)據(jù)直接通過(guò)外推法換算到人體［12］，在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上、數(shù)學(xué)意義上和試驗(yàn)技術(shù)上顯示出一定的局限性。另外，研究者們現(xiàn)在也只是通過(guò)量化的方法來(lái)確定動(dòng)物腦部與人體腦部承受載荷時(shí)響應(yīng)的不同;雖然尸體單個(gè)樣本的特征不能代表全部樣本，但是其響應(yīng)趨勢(shì)能在一定程度上說(shuō)明問(wèn)題。盡管尸體可以提供與活人相同的幾何結(jié)構(gòu)和解剖學(xué)特征，但是尸體試驗(yàn)卻不能觀測(cè)樣本由于受到載荷，尤其是加速度載荷，而引起的生理病理學(xué)變化和組織破壞，這也顯示出了尸體試驗(yàn)具有一定程度的局限性。

由于物理試驗(yàn)、動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和尸體試驗(yàn)存在著上述局限性，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，有限元模型逐漸成為了研究頭部損傷生物力學(xué)的重要工具。文中將從應(yīng)用于頭部損傷生物力學(xué)研究的有限元模型構(gòu)建、驗(yàn)證有效性以及參數(shù)化研究等方面對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行綜述。

1 三維有限元模型的研究進(jìn)展

在過(guò)去的40年中，研究者構(gòu)建出了許多版本的有限元模型。Hardy和 Marcal于1971年構(gòu)建了第一個(gè)具有真實(shí)幾何形狀的人體頭部有限元模型，該模型被用于做靜態(tài)仿真［23］。1975年 Ward和Thompson構(gòu)建了一個(gè)接近真實(shí)腦部結(jié)構(gòu)的有限元模型用來(lái)模擬尸體頭部試驗(yàn)。在該模型中，腦部由189個(gè)八節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元構(gòu)成，硬膜、大腦鐮和小腦幕由80個(gè)四節(jié)點(diǎn)殼單元構(gòu)成，顱骨被視作剛體，腦脊液為線彈性材料，其彈性模量與泊松比分別為31.5 MPa和0.48，腦組織為彈性材料，其彈性模量和泊松比分別為 650 kPa 和 0.489［24］。

Shugar于1977年構(gòu)建了一個(gè)用于進(jìn)行碰撞仿真的模型。該模型的顱骨與腦組織之間用一層實(shí)體單元來(lái)表示蛛網(wǎng)膜下空間，最后通過(guò)與充滿水的物理模型在相同載荷條件下的壓力值對(duì)比來(lái)驗(yàn)證模型的有效性，研究表明，在相同的載荷條件下，有限元計(jì)算得到的壓力值是物理模型壓力值的10倍左右［25］。

1980年Hosey和Liu構(gòu)建了一個(gè)由637個(gè)實(shí)體單元和149個(gè)殼單元構(gòu)成的頭部有限元模型，其研究目的在于模擬碰撞處對(duì)側(cè)的空穴現(xiàn)象并與Nahum尸體頭部碰撞試驗(yàn)的顱內(nèi)壓數(shù)據(jù)作對(duì)比驗(yàn)證了有效性。該模型的顱骨選用線彈性材料，其彈性模量和泊松比分別為4.46 GPa和0.21，腦脊液選用線彈性材料，其彈性模量和泊松比分別為66.7 kPa和0.499腦組織的材料屬性同腦脊液，膜結(jié)構(gòu)選用線彈性材料，其彈性模量和泊松比分別為31.5 MPa和0.45［26］。

Dimasi于1991年構(gòu)建了一個(gè)三維頭部有限元模型用來(lái)模擬加速度為165～302 g時(shí)有阻尼的與無(wú)阻尼的頭部撞擊。該模型共有500個(gè)單元，顱骨選用線彈性材料，其彈性模量為2.4 GPa，腦組織選用粘彈性材料，其短效剪切模量、長(zhǎng)效剪切模量、延遲系數(shù)和體積模量分別為34.5 kPa、17.2 kPa、100 s－1和68.95 kPa，大腦鐮與小腦幕均選用線彈性材料，其彈性模量為 6.89 MPa［27］。

1992年，Mendis構(gòu)建了兩個(gè)有限元模型用以分析當(dāng)頭部受到旋轉(zhuǎn)加速度時(shí)，腦組織應(yīng)力與應(yīng)變并且與Gennarelli和Thibault在靈長(zhǎng)類動(dòng)物試驗(yàn)［28］中所測(cè)得的與軸索損傷嚴(yán)重程度有關(guān)的腦組織應(yīng)變作比較。隨后，這些仿真的結(jié)果通過(guò)外推法換算到人頭部，該模型的腦組織選用超彈性材料，該超彈性材料的本構(gòu)方程［29］為

式中，C10與C01分別為Mooney-Rivlin剛度系數(shù)。

另外，在1977年到1993年之間還有一些版本的有限元模型，例如，1982年 Ward的［30］，1982年Khalil 和 Viano 的［31］，1993 年 Sauren 和Claessens 的［32］。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，研究者們構(gòu)建出越來(lái)越復(fù)雜的有限元模型并為研究由于碰撞而產(chǎn)生的腦損傷提供有利的信息。

1.1 WSU(Wayne State University)Model I

1994年，Ruan等構(gòu)建了一個(gè)結(jié)構(gòu)較為詳細(xì)的有限元模型，如圖1所示，該模型為第50百分位頭型，總共6 080個(gè)節(jié)點(diǎn)和7 351個(gè)單元，其中包括頭皮864個(gè)單元、顱骨2 800個(gè)單元、腦1 760個(gè)單元、腦脊液864個(gè)單元、硬腦膜896個(gè)單元和大腦鐮135個(gè)單元，腦組織選用粘彈性材料，總質(zhì)量3.077 kg，其中腦組織質(zhì)量 1.25 kg。該模型重構(gòu)了 1977年Nahum的尸體頭部撞擊試驗(yàn)［19］，其顱內(nèi)壓力與試驗(yàn)吻合良好。除了驗(yàn)證模型的有效性，Ruan等還在此基礎(chǔ)上進(jìn)行一系列的參數(shù)化研究，結(jié)果表明，模型受到枕骨處撞擊時(shí)，顱內(nèi)對(duì)撞側(cè)壓力較其受到前額撞擊時(shí)的高。隨著顱骨彈性模量的增加，顱內(nèi)撞擊側(cè)壓力減小，對(duì)撞側(cè)壓力升高。隨著腦脊液體積模量的增加，顱內(nèi)撞擊側(cè)壓力升高，對(duì)撞側(cè)壓力減小［33］。

2007年，Ruan等對(duì)現(xiàn)有的頭部損傷判斷準(zhǔn)則適用性和可用性進(jìn)行了新探索［34］。該研究分別對(duì)不同尺寸的頭部有限元模型在相同加速度情況下的生物力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行研究，結(jié)果表明，用HIC值來(lái)衡量直接撞擊情況下頭部損傷的可能性具有一定的科學(xué)性和可靠性;頭型的大小、頭部質(zhì)量的大小對(duì)頭部受損傷的可能性的判斷有較大影響，不應(yīng)用同樣的HIC值來(lái)衡量所有人頭部受損傷的可能性，對(duì)質(zhì)量(或尺寸)較大的頭型應(yīng)用低于平均的HIC值，對(duì)質(zhì)量(或尺寸)較小的頭型則可用高于平均的HIC值。

圖1 韋恩州立大學(xué)模型 I［19］。(a)頭部有限元模型;(b)顱腦左右半球有限元模型Fig.1 WSU model I［19］.(a)finite element of human head;(b)right and left hemisphere of human head

1.2 WSUBIM(Brain Injury Model)

1995年Zhou等在Ruan等模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)構(gòu)建了一個(gè)具有詳細(xì)顱內(nèi)結(jié)構(gòu)的腦損傷模型，如圖2所示。該模型為第50百分位頭型，其結(jié)構(gòu)包括頭皮、顱骨、硬腦膜、大腦鐮、小腦幕、軟腦膜、腦脊液、靜脈竇、腦室、區(qū)分灰、白質(zhì)的大腦、小腦、腦干和橋靜脈，總共17 656個(gè)節(jié)點(diǎn)，22 995個(gè)單元，總質(zhì)量為 4.37 kg，其中腦組織質(zhì)量為 1.41 kg。與Ruan的頭部有限元模型相比，由于該模型區(qū)分了腦組織的灰、白質(zhì)，因此能夠更精確地利用幾何形狀和本構(gòu)關(guān)系模擬不均勻的腦組織特征。由于模型構(gòu)建了腦室和橋靜脈，則可以估計(jì)硬膜下血腫的發(fā)生，另外還細(xì)化了腦組織部分的網(wǎng)格。同 Ruan的模型一樣，該模型也與Nahum尸體頭部撞擊試驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比來(lái)驗(yàn)證模型的有效性［19］，但是由于模型計(jì)算所得的對(duì)撞側(cè)壓力較試驗(yàn)值高10%，因此該模型被認(rèn)為是部分有效。隨后，該模型還用來(lái)研究頭部受到矢狀面內(nèi)旋轉(zhuǎn)加速度時(shí)的生物力學(xué)響應(yīng)。結(jié)果表明，撞擊側(cè)和對(duì)撞側(cè)的損傷可能是由于顱內(nèi)壓力引起的，而胼胝體和腦干的損傷可能是由于切應(yīng)變引起的。胼胝體膝處的切應(yīng)力可以認(rèn)為是預(yù)測(cè)彌漫性軸索損傷的指標(biāo)。橋靜脈的響應(yīng)也與動(dòng)物試驗(yàn)中硬膜下血腫的發(fā)現(xiàn)吻合良好。對(duì)于橋靜脈拉伸應(yīng)變的估計(jì)表明，在前額受到撞擊以后，腦組織的回彈階段存在著潛在的橋靜脈斷裂危險(xiǎn)。這是第一次用有限元模型模擬橋靜脈，并通過(guò)這些橋靜脈來(lái)研究硬膜下血腫的損傷機(jī)理［35］。

圖2 韋恩州立大學(xué)腦損傷模型［35］Fig.2 WSU brain injury model［35］

1.3 WSU Final Version

2001年，Zhang等為了研究頭部的高強(qiáng)度直接撞擊和間接撞擊，構(gòu)建了一個(gè)更完善的頭部有限元模型，如圖3所示。該模型是基于先前的WSU模型經(jīng)過(guò)修改細(xì)化網(wǎng)格構(gòu)建而成的，其尺寸屬于第50百分位，其中包括頭皮、顱骨內(nèi)、外骨板、板障、硬腦膜、大腦鐮、小腦幕、軟腦膜、矢狀竇、橫竇、腦脊液、區(qū)分大腦白質(zhì)與灰質(zhì)的大腦半球、小腦、腦干、側(cè)腦室、第三腦室、橋靜脈以及包括下頜骨、上頜骨、顴骨和鼻骨在內(nèi)的面骨，總共281 800個(gè)節(jié)點(diǎn)和314 500個(gè)單元，總質(zhì)量為4.5 kg，腦組織的材料屬性為粘彈性，面部的密質(zhì)骨與松質(zhì)骨為彈塑性材料［36］。此模型已經(jīng)重構(gòu)出了53例體育運(yùn)動(dòng)事故，其中包括發(fā)生腦震蕩的22例。

Zhang等還提出一種新的驗(yàn)證頭部有限元模型有效性的方法，即，與行人碰撞的交通事故損傷數(shù)據(jù)作對(duì)比［37］。研究結(jié)果表明，該模型可以用來(lái)模擬真實(shí)情況下行人的頭部碰撞，另外，在一般情況下，還可以通過(guò)最大主應(yīng)變來(lái)預(yù)測(cè)彌漫性軸索損傷;利用該模型還可以通過(guò)仿真來(lái)檢驗(yàn)韋恩曲線，當(dāng)HIC值為1 000時(shí)，對(duì)應(yīng)的最大主應(yīng)變大約為0.2。

1.4 ULP(Université Louis Pasteur)模型

圖3 韋恩州立大學(xué)最終版模型［37］Fig.3 Final version of WSU model［37］

Kang和Willinger于1997年構(gòu)建了 ULP模型，如圖4所示。該模型包括頭皮、顱骨的內(nèi)、外骨板、大腦鐮、小腦幕、腦脊液、大腦、小腦以及腦干。為了估計(jì)顱骨的骨折，顱骨選用彈性脆性材料。腦組織為粘彈性材料，腦脊液選用彈性材料，頭皮、面骨、大腦鐮和小腦幕全都選用均勻的各向同性材料。該 ULP模型共包含13 208個(gè)單元，總量為4.7 kg［39］。

該模型通過(guò)與 Nahum尸體頭部撞擊試驗(yàn)［19］、Trosseille尸體撞擊試驗(yàn)［20］和 Yoganandan的顱骨斷裂試驗(yàn)［21］的對(duì)比來(lái)驗(yàn)證有效性［38］。與 Nahum 試驗(yàn)［21］相比，仿真所得的頭部加速度最大值比試驗(yàn)所得的約小20%，顱內(nèi)壓力曲線與試驗(yàn)所得曲線吻合良好。然而，與 Trosseille試驗(yàn)［20］相比，顱內(nèi)壓力曲線與試驗(yàn)所得曲線存在著一定差異。與Yoganandan的試驗(yàn)［21］相比，通過(guò)有限元仿真得到的失效力—位移曲線在試驗(yàn)所得范圍之內(nèi)，從而證明了該模型的有效性［39］。另外，該模型還被用來(lái)與Hybrid III假人連接進(jìn)行假人跌落仿真和重構(gòu)摩托車交通事故中的頭部撞擊［39］。

1.5 TUE(Eindhoven University of Technology)模型

1997年，Claessens等構(gòu)建了一個(gè)包括顱骨、腦、面骨和顱內(nèi)膜結(jié)構(gòu)的頭部有限元模型，如圖5所示。其幾何形狀由CT圖像提取，利用“投影”方法劃分腦組織網(wǎng)格，顱骨是由腦組織表面的網(wǎng)格拉伸而成，模型共計(jì)1 756個(gè)六面體單元和2 257個(gè)節(jié)點(diǎn)，模型所有結(jié)構(gòu)均使用均勻的各向同性線彈性材料。但是其初始尺寸是第95百分位的，將其縮小到第50百分位以后，通過(guò)模態(tài)分析和與Nahum尸體頭部撞擊試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證有效性［19］。驗(yàn)證結(jié)果表明，盡管顱內(nèi)壓力尤其是撞擊對(duì)側(cè)的負(fù)壓力，較試驗(yàn)值高，但就其趨勢(shì)而言，能在一定程度上說(shuō)明模型具有有效性。然而該模型的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的差異還不能通過(guò)特定的模型說(shuō)明［40］。

圖4 路易斯巴斯德大學(xué)模型［39］。(a)顱骨;(b)腦組織;(c)顱內(nèi)被膜Fig.4 ULP model［39］.(a)skull;(b)brain tissue;(3)intracranial membrane

2002年，Brands等對(duì) Claessens版本的 TUE模型進(jìn)行了改進(jìn)，共計(jì)14 092個(gè)六面體單元，其解剖學(xué)結(jié)構(gòu)包括顱骨、被膜結(jié)構(gòu)和腦脊液、腦組織三個(gè)部分。該模型被用來(lái)研究在受到前后方向的旋轉(zhuǎn)時(shí)，非線性材料對(duì)腦組織相應(yīng)的影響。結(jié)果表明，非線性材料的選用可以使偏應(yīng)變?cè)黾訉⒔?1%，使應(yīng)力減小11%;顱內(nèi)壓力與非線性材料的選用無(wú)關(guān)，壓力梯度完全取決于模型在承受載荷過(guò)程中是否動(dòng)量守恒而與腦組織的本構(gòu)模型無(wú)關(guān)［41］。

1.6 KTH(Kungliga Tekniska H?gskolan)模型

圖5 埃因霍溫科技大學(xué)模型［40］Fig.5 TUE Model［40］

2002年，Kleiven等人構(gòu)建如圖6所示的第50百分位成人頭部有限元模型［42］，包括頭皮、顱骨、腦、被膜、腦脊液和11對(duì)側(cè)矢狀面橋靜脈。另外，模型中還構(gòu)建了簡(jiǎn)化的頸部結(jié)構(gòu)，包括從腦干到脊髓的部分、硬膜、椎骨以及周圍的皮肉組織。顱骨的內(nèi)、外骨板、板障、面骨、頭皮、大腦、小腦、脊髓、硬腦膜、小腦幕和大腦鐮，模型總共18 400個(gè)單元。為了應(yīng)對(duì)較大的彈性變形，模型的中樞神經(jīng)系統(tǒng)采用Mooney-Rivlin本構(gòu)方程［43］，另外，通過(guò)引入與粘性應(yīng)力線性相關(guān)的彈性應(yīng)力，利用粘彈性性質(zhì)來(lái)考慮耗散作用。在仿真中，該模型的顱骨與腦組織之間分別被設(shè)置了不同的接觸面來(lái)模擬腦組織相對(duì)于顱骨的移動(dòng)。結(jié)果表明，在低強(qiáng)度撞擊情況下，顱骨與腦之間接觸的定義不會(huì)對(duì)二者之間的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生顯著影響。研究中使用了一系列的剪切剛度值，但是，顱—腦的相對(duì)運(yùn)動(dòng)只對(duì)腦組織材料屬性非常敏感。側(cè)面撞擊時(shí)顱—腦的相對(duì)運(yùn)動(dòng)程度較前額撞擊和枕骨撞擊時(shí)的小。為了準(zhǔn)確預(yù)測(cè)頭部受撞擊時(shí)的局部腦組織響應(yīng)，腦組織應(yīng)使用較小的剪切剛度值。

該模型還通過(guò)縮放方法被縮小到第5百分位和放大到第95百分位尺寸，進(jìn)行不同尺寸之間腦組織響應(yīng)的研究［44］。結(jié)果表明，在相同的加速度載荷下，腦組織的等效應(yīng)力范圍從質(zhì)量最小頭部的6.3 kPa到質(zhì)量最大頭部的16.3 kPa。在使用填充材料模擬頭部碰撞時(shí)，頭部HIC值的最大值2 433出現(xiàn)在質(zhì)量為2.4 kg的頭部，最小值1 376出現(xiàn)在質(zhì)量為5.98 kg的頭部。HIC值不能預(yù)測(cè)這種與頭部質(zhì)量有關(guān)的顱內(nèi)應(yīng)力，在制定新的頭部損傷準(zhǔn)則時(shí)應(yīng)考慮頭部尺寸。

1.7 UCD(University College Dublin)模型

Horgan和 Gilchrist于2003年構(gòu)建了一個(gè)新型第50百分位三維頭部有限元模型，如圖7所示，用來(lái)模擬行人碰撞事故［45］，并與 Nahum試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證了有效性［19］，與此同時(shí)還進(jìn)行了一系列參數(shù)化研究，例如，不同密度的網(wǎng)格對(duì)模型響應(yīng)的影響，顱骨使用殼單元對(duì)模型響應(yīng)的影響和腦組織材料屬性對(duì)模型響應(yīng)的影響。研究結(jié)果表明，神經(jīng)組織的短效剪切模量對(duì)模型撞擊側(cè)顱內(nèi)壓力和Von Mises應(yīng)力的影響最大。若將腦脊液與顱骨之間定義耦合結(jié)點(diǎn)，則腦脊液的體積模量對(duì)對(duì)撞側(cè)的壓力有顯著影響。

圖6 瑞典皇家工學(xué)院模型［42］。(a)顱骨及腦組織;(b)被膜結(jié)構(gòu)及腦室Fig.6 KTH model［42］. (a)skull and brain tissue;(b)intracranial membrane and ventricles

為了研究模型材料的本構(gòu)屬性、模型的幾何形狀和腦組織的形狀對(duì)頭部碰撞損傷機(jī)理的影響，Horgan和Gilchrist于2004年對(duì)UCD模型進(jìn)行了改進(jìn)，并與一系列的尸體試驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證有效性［20，22，46］。該研究構(gòu)建了 6 個(gè)有限元模型，分別為(1)基準(zhǔn)模型;(2)在基準(zhǔn)模型的基礎(chǔ)上區(qū)分腦組織的灰、白質(zhì)的模型;(3)腦脊液沿著厚度方向被構(gòu)建為三層單元的模型;(4)在顱骨與腦之間設(shè)置可以相對(duì)滑動(dòng)接觸面的模型;(5)用投影方法構(gòu)建的模型，仍然區(qū)分腦組織的灰、白質(zhì);(6)經(jīng)過(guò)拓?fù)湫扌秃蟮哪Ｐ汀＝Y(jié)果表明，該六組模型與Trosseille試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比［20］，顱內(nèi)壓力都有一定程度上的差異，區(qū)分灰、白質(zhì)的模型與試驗(yàn)結(jié)果最接近，定義滑動(dòng)接觸面模型的顱內(nèi)壓力與試驗(yàn)結(jié)果差別較大，這可能是由于計(jì)算接觸時(shí)使用了懲罰接觸方程，經(jīng)過(guò)拓?fù)湫扌秃蟮哪Ｐ鸵才c試驗(yàn)結(jié)果有差別，可能是由于頭部形狀以及前后長(zhǎng)度等微小的差異所導(dǎo)致。當(dāng)六組模型與Hardy試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比時(shí)［22］，對(duì)基準(zhǔn)模型進(jìn)行改進(jìn)并不會(huì)使基準(zhǔn)模型具有更好的預(yù)測(cè)能力。區(qū)分灰、白質(zhì)就意味著更多的單元需要更全面的解剖學(xué)材料屬性，由于構(gòu)建了腦室，則能夠觀察其周圍邊角處的應(yīng)力集中。

圖7 都柏林大學(xué)模型［45］。(a)腦與顱骨;(b)腦脊液與顱骨Fig.7 UCD model［45］.(a)brain and skull;(b)CSF and skull

1.8 湖南大學(xué) HBM(Human Body Model)頭部模型

2008年，許偉等基于美國(guó)人三維解剖學(xué)圖像數(shù)據(jù)構(gòu)建了第50百分位頭部有限元模型，如圖8所示。HBM頭部模型描述了主要的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)，包括頭皮、顱骨、硬腦膜、腦脊液、軟腦膜、大腦、小腦、腦室、腦干、大腦鐮和小腦幕等組織結(jié)構(gòu)，模型共計(jì)66 624個(gè)節(jié)點(diǎn)，49 607個(gè)實(shí)體單元和11 514個(gè)殼單元組成，質(zhì)量為4.4 kg。HBM模型中定義硬腦膜緊貼在腦顱的內(nèi)表面，而軟腦膜附著在腦表面。通過(guò)tied-contact接觸定義對(duì)這種附著特性進(jìn)行模擬，使用滑動(dòng)接觸來(lái)模擬腦脊液層和硬腦膜之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。為了減少模型的復(fù)雜程度，腦室與腦使用共結(jié)點(diǎn)。該模型通過(guò)與Nahum試驗(yàn)［21］和 Trosseille試驗(yàn)［22］對(duì)比驗(yàn)證有效性，除了 Nahum試驗(yàn)仿真得到的前額壓力略高之外，其它響應(yīng)都與試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合［47－48］。

1.9 TUST(Tianjin University of Science and Technology)模型

2006年，蘆俊鵬和何培基于中國(guó)人CT數(shù)據(jù)分別構(gòu)建了第50百分位TUST顱腦有限元模型，如圖9所示，模型共計(jì)33 726個(gè)節(jié)點(diǎn)，40 861個(gè)單元，該模型的仿真結(jié)果通過(guò)與 Nahum尸體試驗(yàn)［19］對(duì)比，驗(yàn)證了模型的有效性，隨后并進(jìn)行了顱腦的正碰與側(cè)碰的生物力學(xué)響應(yīng)分析［51－52］。

圖8 湖南大學(xué)HBM(Human Body Model)頭部模型［47－48］Fig.8 Hunan University head model of human body［47－48］

圖9 天津科技大學(xué)面顱模型［51－52］Fig.9 TUST cacial cranium model［51－52］

2007年，李霞等基于中國(guó)人 CT數(shù)據(jù)構(gòu)建了TUST面顱有限元模型［53－54］，如圖 10 所示，該模型包括1 916個(gè)節(jié)點(diǎn)，1 552個(gè)單元，并且基于Nahum的面骨創(chuàng)傷試驗(yàn)［55］驗(yàn)證了有效性。

圖10 天津科技大學(xué)顱腦模型［53－54］Fig.10 TUST craniocerebral model［53－54］

2009年，裴永生等基于上述 TUST模型進(jìn)行改進(jìn)，構(gòu)建了新型的頭部有限元模型，如圖11所示，模型包括顱骨、面骨、大腦、小腦、腦干和大腦鐮，單元類型為20節(jié)點(diǎn)二階六面體單元，總共46 919個(gè)單元，53 436個(gè)節(jié)點(diǎn)，并進(jìn)行頭部的正面撞擊與側(cè)面撞擊研究［49］。

圖11 天津科技大學(xué)頭部有限元模型［49］Fig.11 TUST head finite element model［49］

上述近代頭部有限元模型總結(jié)如表1和表2所示。

2 展望

盡管有限元模型經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但是至今仍沒有完善的有限元模型用來(lái)重構(gòu)人體頭部的撞擊。

根據(jù)已有的科研成果和實(shí)際工程需要，本課題未來(lái)的研究趨向?qū)⒂幸韵聨讉€(gè)方面

1)我國(guó)頭部有限元的生物力學(xué)仿真尚處于起步階段，研究中所應(yīng)用的幾何模型大多是從歐美人種的數(shù)據(jù)中得到的，其尺寸是否適合中國(guó)人尺寸分布需要科學(xué)論證。

表1 近代有限元模型的數(shù)據(jù)來(lái)源、結(jié)構(gòu)、材料屬性、邊界條件及驗(yàn)證方法Tab.1 Data source，structures，material properties，boundary conditions and validation methods of modern finite element models

表2 模型應(yīng)用及其局限性與不足Tab.2 Applications，limitations and shortcomings of modern finite element models

2)現(xiàn)有的頭部有限元模型基本都是基于國(guó)外第50百分位的人體解剖學(xué)數(shù)據(jù)構(gòu)建而成，而且若想研究其它百分位頭部的響應(yīng)，還需要通過(guò)縮放的方法得到［50］，其科學(xué)性和可靠性需要通過(guò)構(gòu)建真實(shí)尺寸的模型進(jìn)行驗(yàn)證。

3)先前有限元模型的面部結(jié)構(gòu)基本都是被簡(jiǎn)化的，若要提高模型的生物逼真度，則還需要在面部結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)。

4)進(jìn)一步完善模型的結(jié)構(gòu)，優(yōu)化模型網(wǎng)格質(zhì)量。

5)為了得到更精確的結(jié)果，在構(gòu)建頭部模型之后，需繼續(xù)構(gòu)建相應(yīng)百分位的頸部有限元模型。

6)進(jìn)一步探討組織材料的各向異性、不均勻性、非線性。

7)進(jìn)行更多的動(dòng)物試驗(yàn)和尸體試驗(yàn)來(lái)為有限元模型提供能夠驗(yàn)證有效性的數(shù)據(jù)，以及研究其損傷機(jī)理，確定其損傷閾值。

通過(guò)這些改進(jìn)，具有更高生物逼真度的有限元模型的仿真準(zhǔn)確度將大幅度提高，通過(guò)改變模型材料參數(shù)、邊界條件及在不同部位施加不同類型載荷，可用來(lái)模擬不同受力狀態(tài)下各個(gè)組織的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)過(guò)程，從而取代其它昂貴試驗(yàn)。

［1］蘆俊鵬.顱腦有限元模型的構(gòu)建和錘碰撞顱腦左側(cè)的計(jì)算模擬及分析［D］.天津:天津科技大學(xué)，2006.

［2］裴永生.人體頭部損傷生物力學(xué)建模及其碰撞分析［D］.天津:天津科技大學(xué)，2009.

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