10歲兒童頭部有限元模型的建立及驗(yàn)證

曹立波 周 舟 蔣彬輝 張冠軍

(湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410082)

10歲兒童頭部有限元模型的建立及驗(yàn)證

曹立波 周 舟 蔣彬輝*張冠軍

(湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410082)

運(yùn)用ANSYS ICEM CFD以及HYPERMESH軟件對(duì)10歲兒童頭部幾何模型進(jìn)行合理的網(wǎng)格劃分，獲得具有高度解剖學(xué)細(xì)節(jié)的10歲兒童頭部有限元模型。利用MADYMO軟件自帶的假人，模擬一起典型跌落事故中,受傷兒童從3個(gè)不同高度跌落時(shí)人體的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)過(guò)程，并計(jì)算頭部與地面碰撞接觸瞬間的方位和速度等運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)。然后將這些參數(shù)輸入到10歲兒童頭部有限元模型中，模擬頭部與地面的碰撞過(guò)程，并分析與損傷相關(guān)的生物力學(xué)參數(shù)。結(jié)果表明，顱骨的最大應(yīng)力和最大應(yīng)變分布在枕骨右側(cè)，與碰撞點(diǎn)的位置較為吻合，但均未超過(guò)顱骨的耐受極限。利用顱內(nèi)壓力可較好地預(yù)測(cè)腦組織的損傷程度，而利用腦組織的von-mises應(yīng)力可較好地判斷腦組織的損傷位置。事故重建的結(jié)果表明,該模型具有較好的生物逼真度，可以用于兒童頭部損傷生物力學(xué)的研究。

頭部損傷；有限元模型；事故重建；10歲兒童

引言

隨著我國(guó)乘用車逐步進(jìn)入家庭，兒童乘員的數(shù)量也在不斷增加。通過(guò)對(duì)交通事故中兒童受傷情況的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，道路交通事故導(dǎo)致的兒童傷害和死亡率,在1985～1999年的15年間增長(zhǎng)了81%[1]，青少年頭部撞擊損傷的發(fā)生率更是高達(dá)38.76%[2]。兒童時(shí)期所遭受的頭部損傷可能導(dǎo)致持續(xù)一生的精神損害，造成嚴(yán)重的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)損失。因而，兒童顱腦損傷機(jī)理的研究及相關(guān)防護(hù)裝置的開發(fā)，成為近期的研究熱點(diǎn)。

頭部損傷生物力學(xué)的主要研究手段，有機(jī)械模型實(shí)驗(yàn)、動(dòng)物模型實(shí)驗(yàn)、志愿者實(shí)驗(yàn)及尸體模型實(shí)驗(yàn)。機(jī)械模型實(shí)驗(yàn)具有較好的重復(fù)性，也便于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量。但是機(jī)械模型的生物逼真度有限，難以代替生物實(shí)驗(yàn)。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)可以觀察到由于承受載荷而引起的組織破壞及病理生理學(xué)變化，但動(dòng)物與人在解剖結(jié)構(gòu)和組織材料特性上存在較大的差異，且在發(fā)育速度上也存在很大的區(qū)別。因此在利用動(dòng)物實(shí)驗(yàn)來(lái)研究?jī)和瘬p傷時(shí)，除了需要處理動(dòng)物與人體在解剖結(jié)構(gòu)和材料特性上的差異外，還須關(guān)聯(lián)動(dòng)物與人在發(fā)育速度上的關(guān)系。志愿者實(shí)驗(yàn)是獲得最真實(shí)人體生物力學(xué)響應(yīng)數(shù)據(jù)的方法，但在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中志愿者存在一定的損傷風(fēng)險(xiǎn)，這使得志愿者實(shí)驗(yàn)廣受批評(píng)和制約。尸體具有與活體相同的解剖結(jié)構(gòu)，是開展損傷生物力學(xué)研究較好的替代品。但由于社會(huì)、倫理和法律等方面的限制，尸體標(biāo)本的獲得受到了很大的限制，特別是兒童尸體實(shí)驗(yàn)更是難以開展[3]。

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和軟件能力的不斷提高，數(shù)字化仿真技術(shù)取得很大的進(jìn)展，有限元模型逐漸成為研究?jī)和^部損傷的重要手段。有限元模型可重復(fù)使用，并且能用于顱腦應(yīng)力、應(yīng)變及其他各種相關(guān)特征參數(shù)的研究。然而，由于缺乏兒童顱腦的材料屬性和損傷極限數(shù)據(jù)，已經(jīng)建立的非嬰幼兒的兒童頭部有限元模型非常有限。2007年Roth等建立了3 歲兒童頭部模型，用以研究真實(shí)事故中兒童跌倒導(dǎo)致的神經(jīng)損傷閥值[4]。2012 年Ruan等構(gòu)建了一個(gè)比較詳細(xì)的6 歲兒童頭部有限元模型，模型的仿真結(jié)果經(jīng)過(guò)有效性分析和與Nahum尸體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[5]對(duì)比，證明該模型可用于兒童顱腦損傷的基礎(chǔ)研究[6]。此外，本課題組在2013 年建立了一個(gè)3 歲兒童頭部模型，該模型基本能夠預(yù)測(cè) 3歲兒童頭部骨折，可用于顱骨骨折損傷機(jī)理和耐受限度的研究[7]。

雖然這些模型對(duì)兒童顱腦損傷的研究起到了很大的幫助，但它們都集中分布在3～6 歲區(qū)間，難以用于其他年齡段兒童頭部損傷的研究。因此，本研究構(gòu)建了一個(gè)具有詳細(xì)解剖學(xué)特征的10 歲兒童頭部有限元模型，通過(guò)對(duì)典型跌落事故的重建，保證所建立的模型具有足夠的生物逼真度。

1 有限元模型與研究方法

1.1頭部有限元模型的建立

模型的解剖學(xué)數(shù)據(jù)，來(lái)源于美國(guó)密歇根兒童醫(yī)院一名年齡為10歲的兒童病人臨床CT和MRI掃描數(shù)據(jù)。該兒童性別男，身高為137 cm，且臨床診斷記錄顯示無(wú)顱腦損傷。臨床數(shù)據(jù)的最小精度為256像素×256像素，掃描間距為2 mm。其后，采用Mimics(13.0, Materialize, Leuven, Belgium)軟件對(duì)組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行識(shí)別，通過(guò)閥值化操作控制各組織的清晰度，獲得10歲兒童頭部的CAD模型。在此基礎(chǔ)上，采用ANSYS ICEM CFD/HEXA(12.0, ANSYS, Canonsburg PA, USA)以及HYPERMESH(10.0, Altair, Troy MI, USA)軟件，對(duì)幾何模型進(jìn)行前處理和網(wǎng)格劃分，建立了相對(duì)完整的、具有詳細(xì)解剖學(xué)特征的10歲兒童頭部有限元模型。整個(gè)模型包括頭皮、顱骨、面骨、下頜骨、腦鐮、腦幕、腦脊液(集合軟腦膜和蛛網(wǎng)膜)、硬腦膜、大腦、小腦、腦干和胼胝體等結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

模型包括195 290 個(gè)節(jié)點(diǎn)，23 346 個(gè)殼單元和174 910 個(gè)6面體單元。參照Dekaban等在統(tǒng)計(jì)兒童頭部測(cè)量學(xué)數(shù)據(jù)時(shí)描述的方法[8]，測(cè)量頭部模型中枕后隆突點(diǎn)到眉間點(diǎn)距離為頭長(zhǎng)、經(jīng)過(guò)耳部上緣水平的最大寬度為頭寬、經(jīng)眉弓上方突出部繞經(jīng)枕后結(jié)節(jié)一周的長(zhǎng)度為頭圍、顱腔的容量為顱容量，并與Dekaban等統(tǒng)計(jì)的人體測(cè)量學(xué)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果如表1所示：其幾何尺寸偏差小于2%。表明該模型基本能夠反映10歲兒童頭部的幾何特點(diǎn)，可用于進(jìn)一步的有限元建模。

圖1 10歲兒童頭部有限元模型Fig.1 FE model of the 10 year-old child

表1頭部幾何尺寸

Tab.1Geomitericparametersofthehead

頭部幾何參數(shù)頭圍/cm頭寬/cm頭長(zhǎng)/cm顱容量/cm3模型(10歲)52 814 718 71369人體測(cè)量學(xué)數(shù)據(jù)(9～10歲)53 514 418 71384偏差/%-1 32 00-1 0

建模過(guò)程中，腦鐮、腦幕、硬腦膜以及一些接觸面等采用殼單元模擬，其余組織均采用6面體單元模擬。由于目前還沒(méi)有完全合適的顱—腦邊界條件的接觸算法[9]，所以該模型的腦組織通過(guò)構(gòu)建一層腦脊液?jiǎn)卧c顱骨連接，且網(wǎng)格連續(xù)。

為了確保模型計(jì)算過(guò)程中，顱骨以及顱內(nèi)軟組織的應(yīng)力應(yīng)變不會(huì)由于網(wǎng)格質(zhì)量差而導(dǎo)致較大偏差，在模型網(wǎng)格劃分時(shí)對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行了控制，見表2。實(shí)體單元中雅克比小于0.7的單元僅占總單元數(shù)的2%。

表2 模型網(wǎng)格劃分的單元質(zhì)量控制

1.2頭部模型材料參數(shù)

由于臨床醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)精度較低，因此難以獲得清晰的松質(zhì)骨和皮質(zhì)骨的邊界，因此參考Motherway等提出的處理方法[10]，參照具有3層結(jié)構(gòu)顱骨的力學(xué)特性，將模型中的3層顱骨單元賦予相同的材料。文獻(xiàn)檢索表明，目前全世界僅有5項(xiàng)研究利用兒童尸體樣本測(cè)試兒童頭部組織的力學(xué)材料特性(Davis等，2012[11]；Prange等，2004[12]；Margulies等，2000[13]；Weber等，1985[14]；McPherson等，1980[15])，其中僅有Davis等的研究對(duì)象為6周歲的非嬰幼兒。由于缺少專門研究10歲兒童顱骨力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)，模型中顱骨的材料屬性是通過(guò)縮放的方法得到(見表3)，縮放區(qū)間根據(jù)文獻(xiàn)[11]及文獻(xiàn)[16]確定。

表3 顱骨材料屬性

腦組織和腦脊液屬于生物體軟組織，具有質(zhì)軟易變形、抗拉強(qiáng)度非線性及不能抗彎和抗壓等特點(diǎn)，通常采用黏彈性材料模型模擬。在參考文獻(xiàn)[17]的基礎(chǔ)上，10歲兒童頭部有限元模型的腦組織和腦脊液的體積彈性模量設(shè)定為2.19 GPa，并對(duì)腦干和腦脊液等黏彈性結(jié)構(gòu)的剪切模量取值不同。剪切彈性模量可表示為

(1)

式中，G∞為長(zhǎng)效剪切模量，G0為短效剪切模量，β為延遲系數(shù)，t為時(shí)間。具體的取值見表4。

模型中腦鐮、腦幕、硬腦膜及頭皮的材料參數(shù)，是參考文獻(xiàn)[17]設(shè)定的，具體見表5。

表4 大腦、小腦、腦干及腦脊液材料屬性

表5 腦鐮、腦幕、硬腦膜及頭皮材料屬性

1.3模型驗(yàn)證

兒童并不是矮小的成人，兒童頭部的幾何形狀、顱骨的連接及骨質(zhì)結(jié)構(gòu)、器官的材料屬性等方面都異于成年人，因此難以借助成年人尸體實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)對(duì)所建模型進(jìn)行驗(yàn)證，但目前文獻(xiàn)中有關(guān)兒童尸體碰撞的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)又鮮有發(fā)表。國(guó)外研究人員將深入的事故調(diào)查和事故重建工作的成果，用于有限元模型的驗(yàn)證、損傷評(píng)估和損傷機(jī)理的研究。本研究運(yùn)用MADYMO(7.4.1, TNO, Rijswijk, Netherlands)建立一起10 歲兒童跌落事故的再現(xiàn)模型，獲得兒童頭部與地面發(fā)生碰撞過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，并將碰撞前瞬間頭部的運(yùn)動(dòng)速度作為有限元模型分析的輸入條件，在LS-DYNA(971, LSTC, Livermore, CA, USA)軟件中進(jìn)行仿真計(jì)算，最終獲得10 歲兒童頭部在典型跌落事故中的生物力學(xué)響應(yīng)過(guò)程。具體流程見圖2。

圖2 兒童典型跌落事故重建及損傷分析過(guò)程圖Fig. 2 Accident reconstruction process of a typical fall accident

1.3.1事故重建

選擇Plunkett等統(tǒng)計(jì)的一起10歲兒童低空跌落事故進(jìn)行事故，重建及有限元仿真分析。事故描述為一名10 歲兒童在秋千向前擺至最高處時(shí)與秋千脫離，從0.9～1.5 米高處跌落，后腦撞擊到瀝青地面上。CT檢查顯示傷情為：右頂葉及額葉交界處出現(xiàn)硬腦膜下血腫，伴有顳葉溝回疝等病癥。傷者在血腫切除手術(shù)后第6 d死亡。尸檢報(bào)告顯示：受害者右頂葉蛛網(wǎng)膜下腔血管畸形，相鄰區(qū)域仍有少量殘余硬腦膜下出血，腦部出現(xiàn)了水腫及腦疝等癥狀，未發(fā)現(xiàn)顱骨骨折[18]。

利用MADYMO軟件建立兒童跌落事故再現(xiàn)模型。采用MADYMO軟件中的10歲兒童假人，并根據(jù)事故描述，設(shè)定假人身體各部位與地面的摩擦系數(shù)為0.7，定義假人與地面的接觸。調(diào)整假人的姿勢(shì)，保證頭部撞擊點(diǎn)位于枕骨偏右側(cè)。MADYMO軟件的仿真過(guò)程見圖3。由于事故描述中的跌落高度是在0.9～1.5 m之間，對(duì)假人的跌落高度進(jìn)行調(diào)整。在保證撞擊位置滿足事故描述要求的前提下，將仿真1、仿真2和仿真3中假人的重心高度，分別設(shè)定為0.9、1.2、1.5 m，獲得在此3種跌落高度下的兒童頭部碰撞地面前瞬間的速度，具體數(shù)值如表6所示。

圖3 事故兒童假人跌落過(guò)程。(a)假人剛開始跌落時(shí)刻；(b)假人身體接觸地面時(shí)刻；(c)假人頭部接觸地面時(shí)刻Fig. 3 Falling process of the child. (a) Initial time of the fall;(b) Initial time of the contact between dummy body and ground; (c) Initial time of the contact between dummy head and ground

1.3.2基于事故重建的仿真設(shè)置

在HYPERMESH中建立地面網(wǎng)格，并根據(jù)MADYMO軟件中頭部與地面發(fā)生碰撞的位置和角度調(diào)整有限元模型，確保有限元模型與多剛體假人模型的頭部具有完全相同的方位。由于頭部與地面撞擊的時(shí)間極短(6 ms)，因此忽略頸部對(duì)頭部運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響，設(shè)定頭部有限元模型為自由邊界。3組仿真中，將受害者頭部接觸地面的速度設(shè)定為表6中對(duì)應(yīng)的數(shù)值，確保運(yùn)動(dòng)的一致性。碰撞模型見圖4。

表6 事故重建結(jié)果

圖4 頭部跌落模型。(a)YZ 視圖;(b)XZ視圖Fig. 4 Loading model of the head. (a) YZ view; (b) XZ view

2 仿真損傷結(jié)果分析

2.1顱骨損傷分析

圖5和圖6分別為顱骨應(yīng)力分布云圖和顱骨應(yīng)變分布云圖。顱骨的最大應(yīng)力和最大應(yīng)變均出現(xiàn)在撞擊點(diǎn)附近，且隨著跌落高度的增加，同一部位的應(yīng)力值和應(yīng)變值均增大。如圖5所示，3組仿真中預(yù)測(cè)到顱骨的最大von-mises應(yīng)力為42.3 MPa，小于6歲兒童顱骨極限應(yīng)力(Davis等[11])及成人顱骨極限應(yīng)力(McElhaney等[16])。如圖6所示，3組仿真中預(yù)測(cè)到顱骨的最大von-mises應(yīng)變?yōu)?.89%，同樣小于6歲兒童顱骨極限應(yīng)變(Davis等，2012[11])及成人顱骨極限應(yīng)變(McElhaney等[16])。從表7中可以看出，有限元模型預(yù)測(cè)在該事故中將不會(huì)發(fā)生顱骨骨折的損傷，這與事故描述的顱骨損傷情況一致。

2.2腦組織損傷分析

在碰撞過(guò)程中，頭部的受力情況較為復(fù)雜。本研究在參考文獻(xiàn)[19]的基礎(chǔ)上，選用顱內(nèi)壓和von-mises應(yīng)力作為判斷腦組織損傷的物理參數(shù)，對(duì)事故中兒童腦部的損傷位置和嚴(yán)重程度進(jìn)行預(yù)測(cè)。圖7為顱內(nèi)壓力達(dá)到最大值時(shí)顱內(nèi)壓分布云圖。

圖5 顱骨von-mises應(yīng)力分布云圖。(a)仿真1；(b)仿真2；(c)仿真3Fig. 5 Von-mises stress contour of the skull. (a) Simulation 1; (b) Simulation 2; (c) Simulation 3

圖6 顱骨von-mises應(yīng)變分布云圖。(a)仿真1；(b)仿真2；(c)仿真3Fig. 6 Von-mises strain contour of the skull. (a) Simulation 1; (b) Simulation 2; (c) Simulation 3

表7顱骨損傷分析

Tab.7FEsimulationresultofskulldamage

仿真編號(hào)123參考極限值顱骨應(yīng)力/MPa31 933 042 36歲兒童顱骨極限應(yīng)力：82 87[11] 成人顱骨極限應(yīng)力：96 53[16]顱骨應(yīng)變/%0 820 840 906歲兒童顱骨極限應(yīng)變：3 3[11] 成人顱骨極限應(yīng)變：5 1[16]

圖7 腦組織壓力分布云圖。(a)仿真1；(b)仿真2；(c)仿真3Fig. 7 Pressure contour of the brain tissue. (a) Simulation 1; (b) Simulation 2; (c) Simulation 3

3組仿真中，撞擊側(cè)最大壓力均分布在枕葉處，峰值分別為359、533、568 kPa；撞擊對(duì)側(cè)最大壓力均分布在額葉處，峰值分別為-251、-259、-261 kPa。與文獻(xiàn)[20]中提出的顱內(nèi)壓力耐受極限相比，3組仿真中撞擊側(cè)及撞擊對(duì)側(cè)的顱內(nèi)壓力均超過(guò)了參考極限值，表明兒童在此事故中將會(huì)遭受嚴(yán)重的腦組織損傷，與事故描述的腦組織損傷程度一致。

圖8為腦組織von-mises應(yīng)力達(dá)到最大值時(shí)腦組織應(yīng)力分布云圖。3組仿真中，腦組織的von-mises應(yīng)力極值，均分布在額葉與右頂葉相交處和顳葉外側(cè)，與受害者頭部出現(xiàn)硬腦膜下血腫及顳葉溝回疝的位置高度吻合。該位置的von-mises應(yīng)力在3組仿真中的響應(yīng)情況較為一致，以3號(hào)仿真為例(見圖9)，在碰撞接觸后的4.8 ms時(shí)刻，von-mises應(yīng)力達(dá)到最大值，其后出現(xiàn)回落。3組仿真中，腦組織的最大von-mises應(yīng)力分別為4.02、5.19、7.08 kPa。與文獻(xiàn)[21]中提出腦組織皮層von-mises應(yīng)力耐受極值(7 kPa)相比，僅有當(dāng)?shù)涓叨葹?.5 m的仿真3結(jié)果中，最大的von-mises應(yīng)力超過(guò)了參考極限值；與文獻(xiàn)[22]中提出的腦組織von-mises應(yīng)力耐受極值(11～16.5 kPa)相比，3組仿真中腦組織最大von-mises應(yīng)力均未超過(guò)參考極限值。

圖8 腦組織von-mises應(yīng)力分布云圖。(a)1號(hào)仿真；(b)2號(hào)仿真；(c)3號(hào)仿真Fig. 8 Von-mises stress contour of the brain tissue. (a) Simulation 1; (b) Simulation 2; (c) Simulation 3

圖9 仿真3 von-mises等效應(yīng)力-時(shí)間曲線(額葉與頂葉交界處) Fig. 9 The curve of the von-mises stress in simulation 3 (The junction of the frontal and parietal lobes)

表8 腦組織損傷分析

3 討論

腦組織損傷分析結(jié)果表明，采用顱內(nèi)壓力預(yù)測(cè)腦組織損傷時(shí)，出現(xiàn)最大正壓的位置和最大負(fù)壓的位置分別為枕葉和額葉，并在腦組織內(nèi)形成了均勻的壓力梯度，這與Ward等的實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果[20]較為一致。基于顱內(nèi)的最大正壓和最大負(fù)壓比較準(zhǔn)確地判斷出了腦組織的損傷程度，但無(wú)法預(yù)測(cè)事故中腦組織的損傷位置；而采用von-mises應(yīng)力預(yù)測(cè)腦組織損傷時(shí)，則較為準(zhǔn)確地判斷出了受害人的損傷部位為額葉與右頂葉的交界處和右顳葉外側(cè)。造成這一差異的主要原因，是由于顱內(nèi)壓和von-mises應(yīng)力是不同載荷作用的結(jié)果。在跌落瞬間，堅(jiān)實(shí)的地面對(duì)頭部造成了巨大的沖擊，使得撞擊位置的顱骨產(chǎn)生一定的變形，而導(dǎo)致撞擊處的局部腦損傷；與此同時(shí)，快速接觸載荷會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力波，且當(dāng)應(yīng)力波在腦內(nèi)傳播時(shí)，致使顱內(nèi)形成壓力梯度而導(dǎo)致腦組織的局灶性損傷和擦傷。此外，接觸載荷還可能導(dǎo)致大腦表面產(chǎn)生相對(duì)于顱骨內(nèi)表面的運(yùn)動(dòng)，使得腦組織承受較大的應(yīng)力，而造成大腦表面挫傷和橋靜脈的撕裂(造成硬腦膜下血腫)。故該事故中出現(xiàn)在額葉與右頂葉交界處的硬腦膜下血腫和右顳葉外側(cè)的腦疝，應(yīng)是由大腦表面與顱骨內(nèi)表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)造成的損傷，而不是接觸位置的顱骨變形或顱內(nèi)壓力梯度所導(dǎo)致，因而難以依靠顱內(nèi)壓來(lái)判斷損傷部位。但顱內(nèi)壓從側(cè)面反映了頭部受到的沖擊載荷的大小及顱腦相對(duì)運(yùn)動(dòng)的嚴(yán)重程度。

此外，在利用von-mises應(yīng)力預(yù)測(cè)腦組織的損傷程度時(shí)，與事故記錄存在一定的差異。這主要是由于在缺乏兒童腦組織損傷極限數(shù)據(jù)的情況下，本研究選取的von-mises參考極限值，是研究者基于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和成人實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上得到的：如Miller等根據(jù)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和模擬計(jì)算的結(jié)果，獲得當(dāng)von-mises應(yīng)力超過(guò)7 kPa時(shí)，會(huì)對(duì)大腦造成嚴(yán)重?fù)p傷的結(jié)論[21]；而Kang等則是利用ULP成人頭部模型與Hybrid假人連接，進(jìn)行假人跌落仿真和重構(gòu)摩托車交通事故，獲得成人腦組織所能承受的von-mises極限應(yīng)力在11～16.5 kPa之間[22]。因此，利用動(dòng)物及成人腦組織von-mises應(yīng)力耐受值來(lái)判斷兒童腦組織的損傷嚴(yán)重程度時(shí)，可能會(huì)存在一定誤差，還需進(jìn)一步的研究，來(lái)獲得更精確的10 歲兒童腦組織von-mises應(yīng)力耐受限度。此外，所建立的頭部模型中，腦組織與顱骨內(nèi)表面采用共節(jié)點(diǎn)的連接方式，該模擬方法也可能導(dǎo)致模型預(yù)測(cè)到的腦組織von-mises應(yīng)力偏低[23]。

4 結(jié)論

本研究以CT數(shù)據(jù)為依據(jù)，建立了一個(gè)10 歲兒童頭部有限元模型。模型真實(shí)地反映了10 歲兒童頭部解剖學(xué)結(jié)構(gòu)及幾何尺寸等特征。采用典型跌落事故重建的方法對(duì)所建模型進(jìn)行了驗(yàn)證。3組仿真中，顱骨的最大應(yīng)力和最大應(yīng)變的分布位置與撞擊點(diǎn)的位置高度吻合，但均未超過(guò)顱骨的耐受值；利用顱內(nèi)壓力及von-mises應(yīng)力對(duì)腦組織的損傷情況進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并對(duì)基于不同損傷準(zhǔn)則預(yù)測(cè)的腦組織損傷結(jié)果的差異進(jìn)行了分析。模型的仿真結(jié)果與受害者損傷情況對(duì)比表明，本研究建立的10 歲兒童頭部有限元模型具有足夠的生物逼真度，基本能夠預(yù)測(cè)顱骨及腦組織的損傷位置及損傷程度。

[1] 全球兒童安全網(wǎng)絡(luò)(中國(guó)).兒童道路交通傷害狀況[R/OL]． http://safekidschina.org. 2007-11-27/2013-4-22.

[2] 張良，周繼紅，李國(guó)林，等. 2000-2006年重慶地區(qū)0～19歲人群道路交通傷害特點(diǎn)與趨勢(shì)[J]. 創(chuàng)傷外科雜志, 2011,13(3): 212-215

[3] 蔣彬輝.兒童胸部損傷機(jī)理[D].長(zhǎng)沙:湖南大學(xué), 2013.

[4] Roth S, Vappou J, Raul JS,etal. Child head injury criteria investigation through numerical simulation of real world trauma[J]. Computer Methods and Programs in Biomedicine, 2009,93(1): 32-45.

[5] Nahum AM, Smith R, Ward C. Intracranial pressure dynamics during head impact[C]//Proceedings of the 21stStapp Car Crash Conference. Warrendale: SAE International Society of Automotive Engineers, 1977:339-366.

[6] 阮世捷，李盼東，李海巖，等. 6歲兒童頭部有限元模型的構(gòu)建與驗(yàn)證[J].中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào), 2012,31(4):502-506.

[7] 曹立波，高海濤，冒浩杰. 三歲兒童頭部有限元模型的建立及驗(yàn)證[J]. 汽車工程, 2013,35(1): 56-59.

[8] Dekaban AS. Tables of cranial and orbital measurements, cranial volume, and derived indexes in males and females from 7 days to 20 years of age[J]. Annals of Neurology, 1977,2(6): 485-491.

[9] Wittek A, Omori K. Parametric study of effects of brain-skull boundary conditions and brain material properties on responses of simplified finite element brain model under angular acceleration impulse in sagittal plane[J]. JSME International Journal Series C, 2003,46(4): 1388-1399.

[10] Motherway JA, Verschueren P, Van der Perre G,etal. The mechanical properties of cranial bone: the effect of loading rate and cranial sampling position[J]. Journal of Biomechanics, 2009,42(13): 2129-2135.

[11] Davis MT, Loyd AM, Shen HH,etal. The mechanical and morphological properties of 6 year-old cranial bone[J]. Journal of Biomechanics, 2012,45(15):2493-2498.

[12] Prange MT, Luck JF, Dibb A,etal. Mechanical properties and anthropometry of the human infant head[J]. Stapp Car Crash Journal, 2004,48:279-299.

[13] Margulies SS, Thibault KL. Infant skull and suture properties: Measurements and implications for mechanisms of pediatric brain injury [J]. Journal of Biomechanical Engineering, 2000,122(4): 364-371.

[14] Weber W. Biomechanical fragility of the infant skull[J]. Journal of Legal Medicine, 1985,94(2): 87-94.

[15] McPherson GK, Kriewall TJ. The elastic modulus of fetal cranial bone: a first step towards an understanding of the biomechanics of fetal head molding[J]. Journal of Biomechanics, 1980,13(1): 9-16.

[16] McElhaney JH, Fogle JL, Melvin JW,etal. Mechanical properties of cranial bone[J]. Journal of Biomechanics, 1970,3(5): 495-511.

[17] Yang KH, Hu J, White NA,etal. Development of numerical models for injury biomechanics research: a review of 50 years of publications in the Stapp Car Crash Conference[J]. Stapp Car Crash Journal, 2006,50: 429-490.

[18] Plunkett J. Fatal pediatric head injuries caused by short-distance falls[J]. The American Journal of Forensic Medicine and Pathology, 2001,22(1): 1-12.

[19] Yang JK. Review of injury biomechanics in car-pedestrian collisions[J]. International Journal of Vehicle Safety, 2005,1(1) : 100-117.

[20] Ward CC, Chan M, Nahum AM. Intracranial pressure—a brain injury criterion[C]// Proceeding of the 24thStapp Car Crash Conferences. Troy: Society of Automotive Engineers, 1980:347-360.

[21] Miller RT, Margulies SS, Leoni M,etal. Finite element modeling approaches for predicting injury in an experimental model of severe diffuse axonal injury[J]. SAE Transactions, 1998,107(6): 2798-2810.

[22] Kang HS, Willinger R, Diaw BM,etal. Validation of a 3D anatomic human head model and replication of head impact in motorcycle accident by finite element modeling[C]//Proceedings of Stapp Car Crash Conference. Florida: Society of Automotive Engineers SAE, 1997: 329-338.

[23] Aomura S, Fujiwara S, Ikoma T. Study on the influence of different interface conditions on the response of finite element human head models under occipital impact loading[J]. JSME International Journal Series C, 2003,46(2): 583-593.

DevelopmentandValidationoftheFEModelfora10-Year-OldChildHead

CAO Li-Bo ZHOU Zhou JIANG Bin-Hui*ZHANG Guan-Jun

In this study, the software ANSYS ICEM CFD and HYPERMESH was used to develop a finite element (FE) model for 10-year-old child head with detailed anatomical characteristics. The MADYMO models of crash dummies were used to simulate the dynamic responses of an injured child in a typical falling accident from three different heights, and the motion parameters of orientation and velocity of the child head at the moment of impact were calculated. These parameters were input into the 10-year-old child head finite element model to simulate the head response during the fall impact and analyze the injury-related biomechanics parameters. Results showed that the location of maximum von-mises stress and maximum von-mises strain in the skull matched well with the impact site located on the right side of the occipital, but within their limits of tolerance. The intracranial pressure could accurately predict the injury level, while the von-mises stress could approximately recognize the traumatic location. The accident reconstruction results indicate that the constructed model has a good biofidelity and can be used for the further study of the child head injury mechanism.

head injury; finite element model; accident reconstruction; 10-year-old child

10.3969/j.issn.0258-8021. 2014. 01.010

2013-08-20，錄用日期：2013-12-23

國(guó)家自然科學(xué)基金(11172099)

R318

A

0258-8021(2014) 01-0063-08

*通信作者。E-mail: jjhhzz123@126.com