宋學(xué)偉，胡 浩，胡興軍，孫曉艷，金景旭，高振海,，趙 會(huì)

(1.吉林大學(xué)，汽車(chē)仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130022；2.湖南大學(xué)，汽車(chē)車(chē)身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410082;3.長(zhǎng)安汽車(chē)股份有限公司汽車(chē)工程研究院，重慶 401120)

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2015032

宋學(xué)偉1,2，胡 浩1，胡興軍1，孫曉艷1，金景旭1，高振海1,3，趙 會(huì)3

(1.吉林大學(xué)，汽車(chē)仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130022；2.湖南大學(xué)，汽車(chē)車(chē)身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410082;3.長(zhǎng)安汽車(chē)股份有限公司汽車(chē)工程研究院，重慶 401120)

基于第50百分位中國(guó)男性頭部CT和MRI數(shù)據(jù)，建立一個(gè)用于交通事故損傷評(píng)價(jià)的頭部有限元模型。分別定義顱-腦接觸面為共節(jié)點(diǎn)、滑動(dòng)不分離和滑動(dòng)分離3種界面，以研究不同顱-腦接觸方式對(duì)傷害結(jié)果的影響。利用Nahum顱內(nèi)壓和Hardy顱-腦相對(duì)位移實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)不同顱-腦接觸面模型的準(zhǔn)確性。結(jié)果表明，顱-腦接觸面類(lèi)型對(duì)顱內(nèi)壓影響較大，其中共節(jié)點(diǎn)界面與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合最好，而顱-腦相對(duì)位移對(duì)顱-腦間界面類(lèi)型不敏感。

前言

全球每年因道路交通事故造成約120萬(wàn)人死亡，使約2 000萬(wàn)人遭受終身致殘傷害。我國(guó)每年約6萬(wàn)人因交通事故死亡[1]。交通事故中的頭部損傷的概率高達(dá)54%[2]，是傷后致殘致死的首要原因，而頭部又是身體中最易受傷的部位。如今，頭部損傷(TBI)已是全世界所面臨的社會(huì)性問(wèn)題。顱腦損傷不僅給家庭帶來(lái)無(wú)限痛苦，而且給社會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)世界衛(wèi)生組織(WHO)估計(jì)，道路交通事故每年給全球造成經(jīng)濟(jì)損失約為5 180億美元，占全球生產(chǎn)總值的1%～2%[1]。因此，開(kāi)展顱腦損傷發(fā)生機(jī)制的研究，對(duì)于制定并完善相應(yīng)的防護(hù)措施，降低傷害的發(fā)生率以及預(yù)測(cè)事故中腦損傷發(fā)生的概率具有重要意義。

學(xué)者們利用動(dòng)物、尸體和機(jī)械模型開(kāi)展頭部損傷的研究始于20世紀(jì)40年代。這些研究成果對(duì)了解頭部傷害機(jī)理有重要意義，但動(dòng)物、機(jī)械模型、尸體樣本與真實(shí)的人體頭部結(jié)構(gòu)都有差異，且實(shí)驗(yàn)工況單一，具有一定的局限性。隨著計(jì)算機(jī)功能的迅猛發(fā)展和人們對(duì)頭部傷害研究的深入，利用力學(xué)結(jié)合醫(yī)學(xué)影像手段建立有限元模型對(duì)頭部傷害進(jìn)行模擬分析已成為研究頭部傷害的主要工具之一。國(guó)外在顱腦損傷有限元建模與仿真方面開(kāi)展得較早[3-6]，國(guó)內(nèi)在此方向的研究則開(kāi)展得相對(duì)較晚[7-9]。這些研究取得了很多有益的成果，但各種頭部損傷有限元模型進(jìn)行研究時(shí)，多集中在對(duì)幾個(gè)經(jīng)典尸體頭部實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，很少有考慮顱-腦接觸面對(duì)傷害結(jié)果的影響。

本文中基于某中國(guó)人的頭部醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)建立了第50百分位中國(guó)人頭部有限元模型，利用Nahum顱內(nèi)壓實(shí)驗(yàn)[10]和Hardy顱-腦相對(duì)位移實(shí)驗(yàn)[11]結(jié)果分析顱-腦接觸面不同建模方法的準(zhǔn)確性。

1 第50百分位頭部有限元模型

1.1 第50百分位頭部有限元模型的構(gòu)建

研究中使用的頭部有限元模型是基于某身高170cm、42歲的男性志愿者頭部CT和MRI數(shù)據(jù)建立，其中顱骨數(shù)據(jù)來(lái)自CT，軟組織數(shù)據(jù)來(lái)自MRI。在Mimics軟件中，利用根據(jù)各組織不同閾值而提取的幾何參數(shù)在逆向軟件中擬合成曲面，生成頭部各組織的幾何模型(圖1)，并在軟件ICEM和Hypermesh中對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，而生成完整的頭部有限元模型(圖2)。

模型包括頭皮、顱骨(密質(zhì)骨和松質(zhì)骨)、腦脊液、大腦鐮、小腦幕、大腦、小腦、腦干、胼胝體和腦室等頭部主要解剖學(xué)結(jié)構(gòu)(圖2)。顱骨厚度為4～7mm，用3層實(shí)體單元對(duì)其進(jìn)行劃分，面骨經(jīng)簡(jiǎn)化后用1層殼單元模擬，設(shè)定殼單元的厚度為3mm，頭皮厚度為5～7mm，同樣采用3層實(shí)體單元對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。最終建立的頭部有限元模型具有99 765個(gè)節(jié)點(diǎn)，96 187個(gè)單元，其中殼單元2 180個(gè)，實(shí)體單元94 007個(gè)，模型總質(zhì)量約為4.5kg。

1.2 材料屬性

真實(shí)的腦組織非常復(fù)雜，材料為非均質(zhì)且各向異性，但在實(shí)際的工程問(wèn)題中，頭部模型把腦組織視為均質(zhì)、線性和各項(xiàng)同性。腦組織材料模型有線彈性、線性黏彈性和超彈性3種材料。其中線性Max-well黏彈性模型應(yīng)用最廣，其剪切模量G(t)可以描述為[5]

G(t)=G∞+(G0-G∞)e-βt

(1)

式中：G0為短效剪切模量；G∞為長(zhǎng)效剪切模量；β為衰減系數(shù)；t為持續(xù)時(shí)間。

本文中大腦的材料特性選用線性Max-well黏彈性模型，腦脊液(CSF)選用ELASTIC_FLUID材料。頭部其它部分材料參考了韋恩州立大學(xué)的WSUHIM模型[5]的參數(shù)，并根據(jù)所建立模型的實(shí)際特點(diǎn)對(duì)其中一些材料參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。頭部模型中各組織材料參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 頭部各組織材料屬性及參數(shù)

當(dāng)頭部受到?jīng)_擊時(shí)，顱骨和大腦之間會(huì)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，不同顱-腦接觸界面的定義會(huì)影響大腦對(duì)外界沖擊的響應(yīng)。本文中建立了3種不同類(lèi)型的顱-腦接觸面模型，研究顱-腦接觸界面對(duì)頭部響應(yīng)的影響。第1種模型，顱骨和大腦共節(jié)點(diǎn)，不允許顱腦之間的分離；第2種模型，顱骨和大腦不共節(jié)點(diǎn)，顱-腦接觸面定義為滑動(dòng)不分離界面；第3種模型，顱骨和大腦不共節(jié)點(diǎn)，顱-腦接觸面定義為滑動(dòng)分離界面。模型顱-腦接觸界面的滑動(dòng)摩擦因數(shù)定義為0.2[12]。

2 基于文獻(xiàn)數(shù)據(jù)的仿真驗(yàn)證

2.1 顱內(nèi)壓實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

Nahum等人1976年進(jìn)行的尸體顱內(nèi)壓實(shí)驗(yàn)一直是驗(yàn)證頭部模型有效性的重要依據(jù)。實(shí)驗(yàn)中使用前端帶有填充材料的圓柱剛性沖擊器對(duì)未經(jīng)防腐處理的尸體頭部進(jìn)行沖擊，并測(cè)量了沖擊器和頭部的接觸力、頭部質(zhì)心加速度和額骨區(qū)域、頂骨左右區(qū)域、枕骨左右區(qū)域與小腦窩處的壓力[10]。但文獻(xiàn)[10]中只給出37號(hào)尸體實(shí)驗(yàn)的壓力-時(shí)間曲線。

利用建立的頭部模型進(jìn)行Nahum顱內(nèi)壓實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，并將3種不同顱-腦界面的模型仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，研究不同接觸界面對(duì)頭部響應(yīng)的影響。實(shí)驗(yàn)中，沖擊器質(zhì)量為5.9kg，沖擊速度為9.94m/s。根據(jù)實(shí)驗(yàn)建立了頭部撞擊模型，如圖3所示。由于文獻(xiàn)[10]中沒(méi)有給出沖擊器和緩沖墊片的具體幾何參數(shù)和材料特性，只給出了實(shí)驗(yàn)時(shí)測(cè)得的接觸力曲線，因此，只能通過(guò)試算去獲得與實(shí)驗(yàn)一致的接觸力曲線。通過(guò)試算最終選定的仿真分析沖擊器的質(zhì)量為5.6kg，沖擊速度為6m/s時(shí)，接觸力曲線與實(shí)驗(yàn)值吻合較好，如圖4所示。將該速度作為模擬中的撞擊速度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析?？紤]到實(shí)驗(yàn)中的碰撞時(shí)間極短(10ms)，因此設(shè)定頭部為自由邊界。

Hardy等人2001年進(jìn)行的顱-腦相對(duì)位移實(shí)驗(yàn)[11]是驗(yàn)證有限元模型的另一個(gè)重要的尸體頭部實(shí)驗(yàn)，也是目前唯一考慮頭部旋轉(zhuǎn)的尸體實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中選取了未經(jīng)防腐和冷凍處理的尸體頭部到第二胸椎的標(biāo)本，尸體頭部倒置懸掛，使用CSF灌注設(shè)備，保證標(biāo)本體溫和壓力正常，并分別在大腦顳骨區(qū)域和枕骨區(qū)域植入與大腦密度相當(dāng)?shù)闹行悦芏鹊臉?biāo)識(shí)物(NDT)，每一標(biāo)識(shí)物之間的間距約為10mm，如圖5所示。選擇C755-T2這一組實(shí)驗(yàn)來(lái)研究不同類(lèi)型顱-腦界面的影響。表2為樣本C755-T2基本情況和實(shí)驗(yàn)條件，包括平移加速度和轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度的正向、負(fù)向最大值。該組實(shí)驗(yàn)中，用沖擊器沖擊樣本枕部進(jìn)行加速，碰撞速度為2m/s。頭部CG的合成平移加速度和角加速度峰值分別為24g和1 813rad/s2。

表2 樣本C755-T2基本情況和實(shí)驗(yàn)條件

Hardy實(shí)驗(yàn)中涉及到復(fù)雜的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系，且也很難獲得各組實(shí)驗(yàn)的全部有效數(shù)據(jù)，因此仿真中將經(jīng)換算的頭部加速度曲線作為模擬中的輸入，定義顱骨為剛性體。將實(shí)驗(yàn)獲得的頭部6個(gè)方向的加速度(平移加速度和角加速度)施加在頭部的質(zhì)心上。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 顱內(nèi)壓實(shí)驗(yàn)

圖6為用不同顱-腦接觸面仿真得到的前額處顱內(nèi)壓與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比。從圖6看出，顱-腦共節(jié)點(diǎn)界面仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值吻合最好，滑動(dòng)不分離界面額骨處壓力高出實(shí)驗(yàn)值20%左右，而滑動(dòng)分離界面仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值誤差最大，滑動(dòng)分離界面前額處壓力峰值達(dá)285kPa，比實(shí)驗(yàn)值約高91%。圖7為對(duì)應(yīng)的小腦窩處顱內(nèi)壓曲線。從圖7看出，顱-腦共節(jié)點(diǎn)界面仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值吻合最好，滑動(dòng)不分離界面小腦窩處壓力比實(shí)驗(yàn)值小5%左右，峰值時(shí)間約早0.2ms，滑動(dòng)分離界面仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值誤差最大，小腦窩處壓力出現(xiàn)了局部正壓，這是因?yàn)榛瑒?dòng)分離接觸界面只能傳遞壓力而不能傳遞拉力，在頭部受到?jīng)_擊的瞬間，由于大腦運(yùn)動(dòng)滯后于顱骨，對(duì)沖擊側(cè)缺少拉力，大腦與顱骨短暫分離，出現(xiàn)空隙，當(dāng)兩者再次接觸時(shí)會(huì)出現(xiàn)局部壓力過(guò)大，形成正壓力。真實(shí)顱腔內(nèi)，由于腦脊液的流動(dòng)性，顱骨和大腦不會(huì)出現(xiàn)空隙。

依據(jù)文獻(xiàn)[11]選取NDT位置。由于文獻(xiàn)[11]中僅給出a1、a5和p1、p5 4個(gè)標(biāo)識(shí)物的位移-時(shí)間曲線，因此本文中選取了這4個(gè)點(diǎn)進(jìn)行模擬，并觀察不同顱-腦接觸界面的仿真結(jié)果。

仿真結(jié)果如圖8所示，對(duì)于不同顱-腦接觸面，腦組織局部運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)一致，均出現(xiàn)明顯的環(huán)形路徑(a1、p1)和8字形路徑(a5、p5)特征。頭部受到?jīng)_擊時(shí)，標(biāo)識(shí)物會(huì)立即隨腦組織一起向前運(yùn)動(dòng)，但由于大腦運(yùn)動(dòng)的滯后性，標(biāo)識(shí)物會(huì)出現(xiàn)向后的位移量，在23～28ms時(shí)位移量達(dá)到最大，這與Hardy實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合，但在位移量上與實(shí)驗(yàn)值有所差異，造成偏差的可能原因如下：(1)由于模型網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)位置沒(méi)有與NDT坐標(biāo)位置(a1，a5，p1，p5)對(duì)應(yīng)；(2)模型的尺寸與實(shí)驗(yàn)樣本尺寸有差異，導(dǎo)致模型與樣本質(zhì)心不重合；(3)黏彈性腦組織與真實(shí)腦組織材料特性存在差異。

在相對(duì)位移模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，目前的有限元模型都存在不同程度的偏差。文獻(xiàn)[13]中腦組織運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)平緩且沒(méi)有出現(xiàn)8字形路徑，文獻(xiàn)[14]中腦組織的局部位移量超過(guò)了5mm，甚至達(dá)到了10mm左右，文獻(xiàn)[5]中也僅是在腦組織的運(yùn)動(dòng)模式與實(shí)驗(yàn)類(lèi)似。本文模型對(duì)顱-腦相對(duì)位移實(shí)驗(yàn)?zāi)M的結(jié)果，不論是在運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)上還是數(shù)量級(jí)上都可接受。顱-腦之間采用不同的接觸面導(dǎo)致的腦組織位移量不同，但是位移變化均處在同一個(gè)數(shù)量級(jí)上，且X、Z方向位移量的絕對(duì)值均小于5mm，如表3所示，這與Hardy實(shí)驗(yàn)結(jié)論一致。因此，顱-腦接觸方式定義對(duì)頭部相對(duì)位移的影響不大。

表3 不同顱腦接觸面腦的位移量

4 結(jié)論

(1) 顱內(nèi)壓對(duì)顱-腦接觸界面類(lèi)型比較敏感，其中顱-腦采用共節(jié)點(diǎn)界面，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)吻合較好；滑動(dòng)不分離面，沖擊側(cè)壓力峰值高出實(shí)驗(yàn)值20%左右；而顱-腦采用滑動(dòng)可分離界面，顱內(nèi)壓模擬誤差最大。

(2) 顱-腦相對(duì)位移對(duì)顱-腦間接觸面的類(lèi)型不敏感，采用不同顱-腦接觸面時(shí)腦組織的局部運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)基本一致，均出現(xiàn)明顯的環(huán)形路徑和8字形路徑特征，且位移量絕對(duì)值較小，在5mm之內(nèi)。

(3) 顱內(nèi)壓實(shí)驗(yàn)?zāi)M中，顱-腦采用滑動(dòng)分離界面，對(duì)沖擊側(cè)大腦和顱骨分離，出現(xiàn)空隙導(dǎo)致了正壓的出現(xiàn)，而真實(shí)顱腔內(nèi)，由于腦脊液的流動(dòng)性，顱骨和大腦不會(huì)出現(xiàn)空隙。

本文研究結(jié)果對(duì)建立頭部傷害模型的顱-腦接觸界面的選擇具有參考價(jià)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

*國(guó)家自然科學(xué)基金(51175218)、汽車(chē)車(chē)身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目(31115004)、長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃(IRT1017)973(2012CB723802)資助。

原稿收到日期為2013年5月20日，修改稿收到日期為2013年7月24日。