后沖擊下人體胸部動力學(xué)響應(yīng)分析

張恩鳳，薛 強，張 帆，程大偉，丁 梅

(天津科技大學(xué)機械工程學(xué)院，天津 300222)

后沖擊下人體胸部動力學(xué)響應(yīng)分析

張恩鳳，薛 強，張 帆，程大偉，丁 梅

(天津科技大學(xué)機械工程學(xué)院，天津 300222)

為研究后碰撞過程中人體胸部的損傷情況，基于人體解剖學(xué)構(gòu)建了人體胸部有限元模型，模型包括胸椎、椎間盤、肋骨、肋骨軟骨、胸骨、鎖骨、肩胛骨、肌肉和韌帶等人體組織．通過后碰撞仿真模擬，研究了胸部組織的應(yīng)力及應(yīng)變變化情況．結(jié)果表明：在后碰撞過程中，胸椎T1、胸椎T2和胸椎T3的應(yīng)力和應(yīng)變較大，可能發(fā)生椎體骨折；第一肋骨到第三肋骨的損傷可能較大，容易發(fā)生骨折；T1–T2、T2–T3和T3–T4之間的椎間盤應(yīng)力較大，可能產(chǎn)生椎間盤突出等損傷．

后碰撞；有限元模型；胸部

汽車追尾時，人體會受到向后的沖擊力．在頭部向后過度屈伸的過程中，頭和整個后背都會撞擊在汽車座椅上，產(chǎn)生很大的沖擊力，容易造成胸椎椎體骨折和肋骨骨折等損傷．通過對人體沖擊動力學(xué)響應(yīng)的研究，除了可以得到人體各組織在沖擊力作用下的受力和損傷情況外，還可以為車輛乘員保護裝置，如座椅、安全帶、頭枕和頭盔等的研究提供依據(jù)，從而減少車輛碰撞對人體造成的傷害．研究后沖擊下人體動力學(xué)響應(yīng)，對于保護車輛乘員生命安全，減少由此產(chǎn)生的一系列社會問題，具有重要意義．然而，目前的研究主要集中在人體頭頸部或下肢的沖擊動力學(xué)響應(yīng)[1–4]，對于整個胸部及腹部沖擊動力學(xué)響應(yīng)的研究較少．

本文建立了一個較完整的胸部有限元模型，包括椎骨、椎間盤、肋骨、肋骨軟骨、胸骨、部分韌帶以及肌肉組織，然后對胸部組織進行沖擊加載，模擬了人體胸部的后沖擊狀態(tài)，得到了椎骨和肋骨等的應(yīng)力應(yīng)變參數(shù)，為研究人體胸部的沖擊損傷和進行損傷預(yù)測提供參考依據(jù)．

1 模型建立

用于建立模型的志愿者為一名身高1.7,m，體質(zhì)量70,kg的中國成年男子．通過螺旋CT掃描生成

DICOM格式圖像數(shù)據(jù)，使用Mimics將CT圖像轉(zhuǎn)換成三維模型，再利用Geomagic進行三維重建，得到人體胸部的幾何模型．在三維有限元分析中，六面體單元變形特性好，剛性比四面體單元低，能較好地避免單元內(nèi)形成尖銳夾角，可以提高有限元分析的可靠性和計算精度，同時縮短計算時間．將幾何模型導(dǎo)入TrueGrid中劃分網(wǎng)格，生成六面體單元的有限元模型[5]，如圖1所示．該模型能夠反映人體結(jié)構(gòu)基本特征和描述人體運動基本規(guī)律，模型包括：胸椎、椎間盤、肋骨、肋骨軟骨、胸骨、鎖骨、肩胛骨、肌肉和韌帶等人體組織．為了描述韌帶在伸張載荷下的生物力學(xué)特性，韌帶采用索單元進行模擬，其他組織采用實體單元．模型共包含54,714個單元和81,905個節(jié)點．胸部有限元模型中的材料屬性根據(jù)文獻[6–7]設(shè)置．

2 模型驗證

胸部模型驗證主要參考Kroell等[8]于1971年進行的尸體實驗：使用直徑為15.24,cm的圓柱形沖擊器對尸體的胸部正前方進行撞擊實驗，撞擊物的初速度為6.7,m/s，質(zhì)量為23.59,kg，通過安裝在撞擊物上的測力傳感器測得撞擊力及其胸骨的壓縮量隨時間的變化曲線．在模型仿真模擬過程中，對T1和T12施加約束限制其全部自由度，仿真驗證與原實驗邊界條件一致，仿真驗證時間為60,ms．通過加載與實驗相同的撞擊力，使用胸部位移量、加速度等參數(shù)來評估模型的有效性．撞擊力曲線如圖2所示．

仿真得到胸部的動力學(xué)響應(yīng)，并測得胸骨的壓縮量的時間變化歷程曲線，將仿真得到的曲線與原實驗得到的曲線進行對比(圖3)，可以看出：利用模型仿真模擬的胸骨位移曲線與尸體實驗數(shù)據(jù)的響應(yīng)趨勢基本吻合，該模型具有較好的生物逼真度．

3 沖擊動力學(xué)響應(yīng)分析

用于胸部動力學(xué)響應(yīng)分析的沖擊載荷采用日本機動車研究所的后碰撞實驗數(shù)據(jù)[9]：以碰撞加速度曲線(圖4)作為模型的載荷，時間歷程為300,ms．

將加速度載荷施加在胸椎T1上，同時對胸椎T12的x、y、z方向進行全約束，運算得出后碰撞發(fā)生后胸部的整個運動過程．

3.1 胸椎的應(yīng)力和應(yīng)變分析

胸椎的應(yīng)力曲線如圖5所示．可以看出：在各個胸椎中，T1受力最大，其次是T2和T3，這三塊胸椎的應(yīng)力明顯高于其他胸椎的應(yīng)力，T4—T12則應(yīng)力變化不明顯；整個胸椎在沖擊響應(yīng)過程中的峰值應(yīng)力出現(xiàn)在T1，為10.56,MPa，出現(xiàn)的時間在200,ms；胸椎T2與T3的最大應(yīng)力和出現(xiàn)時間較為接近，最大應(yīng)力分別為5.96,MPa和5.45,MPa，出現(xiàn)時間分別為200,ms和210,ms左右；胸椎T1—T12的最大應(yīng)力出現(xiàn)時間均在160～210,ms．對比可見：胸椎T1、T2、T3的應(yīng)力大于其他椎骨的應(yīng)力，更容易出現(xiàn)損傷．

胸椎的應(yīng)變曲線如圖6所示．可以看出：在胸椎T1—T12之中，較大的最大應(yīng)變主要出現(xiàn)在T1、T2和T3上，這與最大應(yīng)力情況相同，所以應(yīng)該加強對這幾塊胸椎的保護；胸椎T1的應(yīng)變最大，為0.012,5，出現(xiàn)時間約為200,ms；胸椎T2、T3的最大應(yīng)變值分別為0.005,0、0.005,6；胸椎T1、T2和T3的應(yīng)變大于其他椎骨的應(yīng)變，容易出現(xiàn)損傷．

3.2 肋骨的應(yīng)力和應(yīng)變分析

12對肋骨的應(yīng)力曲線如圖7所示．可以看出：前4對肋骨承受著較大的應(yīng)力，這主要由于后碰撞沖擊響應(yīng)過程中頭頸部的運動帶動胸廓上提，胸椎和鎖骨共同對肋骨施加作用力，所以導(dǎo)致直接與胸骨相連且靠近人體上部的4對肋骨受力較大．其中，第1肋骨的最大應(yīng)力為13.89,MPa，第2肋骨的最大應(yīng)力為8.40,MPa，第3肋骨的最大應(yīng)力為7.62,MPa，第4肋骨的最大應(yīng)力為5.14,MPa．

肋骨的應(yīng)變曲線如圖8所示．可以看出：相比胸椎的應(yīng)變，肋骨的應(yīng)變值處于較低水平，應(yīng)變峰值出現(xiàn)時間介于170,ms到210,ms之間，最大應(yīng)變峰值出現(xiàn)在第1肋骨，峰值為0.001,2．可見，在后碰撞過程中，造成肋骨損傷的可能較小，第1肋骨至第3肋骨在12對肋骨中的損傷可能性相對較大．

3.3 肋軟骨的應(yīng)力和應(yīng)變分析

肋軟骨的應(yīng)力和應(yīng)變曲線如圖9和圖10所示．可以看出：在12對肋軟骨中，第1肋軟骨的最大應(yīng)力值最大，為6.09,MPa，出現(xiàn)時間約為190,ms；肋軟骨的最大應(yīng)變值同樣出現(xiàn)在第1肋軟骨上，出現(xiàn)時間為200,ms，最大應(yīng)變?yōu)?.001,2；在后碰撞響應(yīng)過程中，肋軟骨會受到由肋骨產(chǎn)生的壓力，產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)

變，但是其值遠小于其他骨骼，而且由于肋軟骨具有較大的韌性，產(chǎn)生損傷的可能較?。?/p>

3.4 胸椎椎間盤的應(yīng)力和應(yīng)變分析

胸椎椎間盤的應(yīng)力曲線如圖11所示．可以看出：椎間盤T1–T2、T2–T3和T3–T4的應(yīng)力明顯大于其他胸椎椎間盤的應(yīng)力，最大應(yīng)力均出現(xiàn)在190,ms左右，最大應(yīng)力分別為1.7、2.2、2.4,MPa．

胸椎椎間盤的應(yīng)變曲線如圖12所示．可以看出：胸椎椎間盤的最大應(yīng)變出現(xiàn)在180,ms到220,ms之間，其中椎間盤T1–T2、T2–T3和T3–T4的應(yīng)變較大，應(yīng)變峰值分別為0.069、0.058、0.065．所以對于胸椎椎間盤要加強這三個部位的保護．

4 結(jié) 語

本文建立了的較完整的胸部有限元模型，模型包括胸椎、椎間盤、肋骨、肋骨軟骨、胸骨、鎖骨、肩胛骨、肌肉和韌帶等人體組織，該模型可以有效用于后碰撞胸部損傷研究．通過分析模擬結(jié)果，總結(jié)得出人體胸部在后沖擊過程中的損傷部位和損傷程度，對相應(yīng)保護裝置的研制、座椅及安全帶的優(yōu)化設(shè)計都具有重要參考價值

仿真結(jié)果表明：人體胸部主要是由于頭頸部的牽拉作用和與座椅發(fā)生碰撞接觸產(chǎn)生的擠壓而造成損傷．若人體背部離座椅較遠，當與座椅靠背發(fā)生較高速度的碰撞接觸時會造成人體內(nèi)臟器官的震顫和移位，危及到生命．胸椎T1、T2和T3產(chǎn)生了較大的應(yīng)力和應(yīng)變，可能發(fā)生椎體骨折；第1肋骨至第3肋骨在12對肋骨中受損傷的可能較大，容易發(fā)生肋骨骨折；胸椎椎間盤T1–T2、T2–T3和T3–T4之間的應(yīng)力較大，可能產(chǎn)生椎間盤突出等損傷．

此外，本文建立的人體模型組織還有待進一步的細化和完善，尤其是人體韌帶和肌肉等軟組織，具有復(fù)雜的力學(xué)特性，并且肌肉還具有自主收縮性和主動做功，其生理特性比較復(fù)雜．相對完整的人體模型可以更好地模擬碰撞過程，提高仿真的精度．

［1］ Hallmana J J，Yoganandana N，Pintar F A. Prediction of visceral response to multi-directional loading as measured by the chestband[J]. Medical Engineering & Physicsm，2012，34(7)：906–913.

［2］ Qiu T X，Teo E C，Yan Y B，et al. Finite element modeling of a 3,D coupled foot-boot model[J]. Medical Engineering & Physics，2011，33(10)：1228–1233.［3］ Fice J B，Cronin D S. Investigation of whiplash injuries in the upper cervical spine using a detailed neck model[J]. Journal of Biomechanics，2012，45(6)：1098– 1102.

［4］ 劉宗亮. 中國力學(xué)虛擬人頸椎建模與基本問題研究[D]. 上海：上海交通大學(xué)，2009.

［5］ 丁梅. 后沖擊下人體上身有限元模型的建立及其應(yīng)用研究[D]. 天津：天津科技大學(xué)，2013.

［6］ Yoganandan N，Pintar F A，Cusick J F. Biomechanical analyses of whiplash injuries using an experimental model[J]. Accident Analysis & Prevention，2002， 34(5)：663–671.

［7］ Brault J R，Siegmund G P，Wheeler J B. Cervical muscle response during whiplash：Evidence of a lengthening muscle contraction[J]. Clinical Biomechanics，2000， 15(6)：426–435.

［8］ Kroell C K，Scheider D C，Nahum A M. Impact tolerance and response of the human thorax[C]//Proceedings of the 15th Stapp Car Crash Conference. Warrendale，United States：SAE International，1971：84–134.

［9］ Ono K，Inami S，Kaneoka K，et al. Relationship between localized spine deformation and cervical vertebral motions for low speed rear impacts using human volunteers[C]//Proceedings of the 1999 International IRCOBI Conference on the Biomechanics of Impacts. Sigtes，Spain：International Research Council on the Biokinetics of Impacts，1999：149–164.

責(zé)任編輯：常濤

Dynamic Response of Human Chest to Rear Impact

ZHANG Enfeng，XUE Qiang，ZHANG Fan，CHENG Dawei，DING Mei
(College of Mechanical Engineering，Tianjin University of Science & Technology，Tianjin 300222，China)

In order to study the chest damage of the human body in the process of rear impact，a finite element model of chest was built based on anthropotomy. The components in the finite element model comprised thoracic vertebra，intervertebral discs，rib，rib cartilage，sternum，clavicle，scapula，muscle and ligament. Through simulating the rear impact of vehicle，the change of the stress and strain of the chest were obtained. Simulation results show that，in the process of collision，the stress and strain of thoracic T1，thoracic T2 and thoracic T3 are larger，which can result in vertebral fracture；the injury of the first rib，the second rib and the third rib may be more serious，prone to fracture；the intervertebral discs between the T1-T2，T2-T3 and T3-T4 have to bear greater stress than others，which may lead to the prolapse of intervertebral disc.

rear impact；the finite element model；chest

O348；R318.01

A

1672-6510(2014)05-0069-04

10.13364/j.issn.1672-6510.2014.05.014

2014–03–18；

2014–05–30

張恩鳳（1981—），女，天津人，碩士研究生；通信作者：薛 強，教授，qxue@tust.edu.cn.