兒童損傷生物力學(xué)實驗研究綜述:結(jié)構(gòu)響應(yīng)測試

白中浩 陳亞楓 白芳華 蔣彬輝

(湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計制造國家重點實驗室，長沙 410082)

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兒童損傷生物力學(xué)實驗研究綜述:結(jié)構(gòu)響應(yīng)測試

白中浩*陳亞楓 白芳華 蔣彬輝

(湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計制造國家重點實驗室，長沙 410082)

在兒童安全的研究中，由于受到倫理道德等方面的限制，無法開展有效的兒童結(jié)構(gòu)響應(yīng)實驗了解其損傷機理、確定損傷容忍限度，導(dǎo)致現(xiàn)有兒童假人的開發(fā)和相應(yīng)損傷容忍限度的建立都是通過縮放成人結(jié)構(gòu)響應(yīng)實驗數(shù)據(jù)而得到的。然而，縮放方法的準(zhǔn)確性目前仍未得到證實。同樣，兒童結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)的缺乏，使得兒童數(shù)學(xué)模型的驗證存在很大的困難。為此，詳細(xì)回顧與分析現(xiàn)有文獻(xiàn)中兒童頭部、頸椎、胸腹部、骨盆與四肢結(jié)構(gòu)響應(yīng)實驗方法與數(shù)據(jù)。此外，還回顧兒童尸體臺車試驗及志愿者臺車試驗。最后，對未來急需開展的兒童各部位結(jié)構(gòu)響應(yīng)實驗提出建議。

兒童安全；損傷生物力學(xué)；結(jié)構(gòu)響應(yīng)

引言

道路交通傷是導(dǎo)致兒童意外死亡的主要原因，全球每年約40萬兒童青少年(0～25歲)因道路交通傷而導(dǎo)致死亡[1]。如美國2011年道路交通事故共造成171 000名兒童(0～14歲)受傷，1 140名兒童死亡[2]，值得注意的是，2004年的全球道路交通傷害事故中，93%的兒童死亡案例發(fā)生在低收入和中等收入的國家。面對嚴(yán)峻的兒童道路安全問題，相關(guān)的研究工作則相對落后。

兒童交通安全是道路交通安全研究中起步較晚的一部分。各國已在成人道路安全方面開展了很多富有成效的研究，通過開展大量尸體結(jié)構(gòu)響應(yīng)試驗，制定了成人損傷機理與損傷準(zhǔn)則[3]，開發(fā)并驗證了具有較高生物逼真度的機械假人與人體數(shù)學(xué)模型[4-10]。而在兒童安全的研究中，由于受到倫理道德等方面的限制，無法開展有效的兒童尸體實驗，且利用動物實驗來替代尸體實驗的方法也存在一定的困難[11]。使得現(xiàn)有兒童假人所采用的驗證數(shù)據(jù)及假人相應(yīng)損傷評估準(zhǔn)則的建立均是根據(jù)縮放成人結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)而來[12]。同樣受到影響的還有兒童數(shù)學(xué)模型的驗證。目前，已發(fā)表的文獻(xiàn)中有一個3歲和一個6歲的全身有限元模型及多個兒童局部有限元模型[11, 13-23]，盡管部分模型采用的幾何數(shù)據(jù)是通過較為精確的臨床醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)獲得，但其中大部分模型所采用的驗證數(shù)據(jù)同樣也是根據(jù)縮放成人結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)。雖然研究人員試圖提高縮放方法的準(zhǔn)確性[24-25]，但是由于兒童結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)的缺乏，這些縮放方法的準(zhǔn)確性無法得到驗證。

綜上所述，目前兒童安全領(lǐng)域的研究中，急需解決兒童生物力學(xué)結(jié)構(gòu)響應(yīng)實驗數(shù)據(jù)缺乏的問題。本文回顧和總結(jié)了目前文獻(xiàn)中已有的與兒童相關(guān)的整體結(jié)構(gòu)響應(yīng)實驗方法及獲得的實驗數(shù)據(jù)。主要包括：頭部在壓縮測試中力-位移響應(yīng)以及跌落測試中加速度-時間響應(yīng)；頸椎各段樣本拉伸、扭轉(zhuǎn)剛度及頸椎整體在拉伸時的力-位移響應(yīng)；胸部在動態(tài)沖擊時力-位移響應(yīng)以及心肺復(fù)蘇急救過程中力學(xué)響應(yīng)；腹部在動態(tài)沖擊與安全帶加載時力-位移響應(yīng)；骨盆在側(cè)向沖擊時力-位移響應(yīng)；四肢長骨在準(zhǔn)靜態(tài)與動態(tài)測試中的最大彎曲力與最大變形；兒童尸體在臺車試驗中損傷位置與損傷等級。此外，還簡述了兒童志愿者臺車試驗中相關(guān)結(jié)論。最后，對當(dāng)前階段急需開展的兒童結(jié)構(gòu)響應(yīng)特性實驗提出相關(guān)建議。

1 頭部響應(yīng)測試

Prange對3例嬰兒尸體(死亡時間分別出生1、3、11 d)頭部進(jìn)行了4種速率的壓縮測試(加載速率為0.050、10、50、100 mm/s)以及跌落測試(跌落高度為15和30 cm)[26]。壓縮測試時頭部力-位移響應(yīng)曲線如圖1所示，頭部剛度隨著壓縮速度的增加而變大。跌落測試時頭部加速度-時間響應(yīng)曲線如圖2所示，可以看出跌落高度為30 cm時的頭部加速度峰值要高于跌落高度為15 cm時的相應(yīng)數(shù)值，但兩條曲線脈沖持續(xù)時間一致。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，壓縮方向和跌落部位對頭部剛度和加速度峰值無顯著影響。

圖1 不同壓縮速度下嬰兒頭部力-位移響應(yīng)曲線[26]Fig.1 Force-displacement response for the infant head under different compression velocity[26]

圖2 30 cm與15 cm跌落嬰兒頭部加速度-時間響應(yīng)[26]Fig.2 Acceleration-time response for the infant head from 30cm and 15cm drop height[26]

Holck將一例在酒精中存放了50年的嬰兒顱骨用15 mm厚的泡沫橡膠材料包裹并固定，然后采用質(zhì)量為9 kg的鐵質(zhì)圓柱體從不同高度撞擊顱骨[27]。測試結(jié)果表明，在顱骨峰值力達(dá)到1 000 N后，顱骨就失去了堅固性。

Loyd獲取了10例嬰兒(小于1歲)和2例兒童(9和16歲)兒童頭部樣本，首先對樣本側(cè)向和前后方向在4種加載率下(0.0005、0.01、0.1、0.3/s)開展了非破壞性壓縮測試，然后對樣本5個部位(forehead, occiput, vertex, right parietal, left parietal)開展了非破壞性與破壞性跌落測試[28]。壓縮測試表明，兒童頭部壓縮剛度都隨著年齡的增加而顯著增加，加載率對1歲以下兒童頭部壓縮剛度有顯著影響，而壓縮方向?qū)和^部壓縮剛度無顯著影響。跌落測試表明，兒童頭部沖擊剛度、加速度峰值、HIC、脈沖持續(xù)時間、垂直方向動能變化都隨著年齡的增長而顯著增加。碰撞位置對加速度峰值、HIC、沖擊剛度、垂直方向動能變化具有顯著影響，而對脈沖持續(xù)時間無顯著影響。跌落高度對加速度峰值、HIC、沖擊剛度具有顯著影響，而對脈沖持續(xù)時間、垂直方向動能變化無顯著影響。

在應(yīng)用方面，李志剛等采用Prange獲取的試驗數(shù)據(jù)驗證了能夠代表3個年齡段(新生兒、1.5個月和3個月)的兒童頭部有限元模型[29]，Roth同樣采用該試驗數(shù)據(jù)驗證了代表6個月嬰兒頭部的有限元模型[15]。此外，Li等還采用Loyd獲取的試驗數(shù)據(jù)驗證了代表6個月嬰兒頭部的有限元模型[30]。

2 頸部和脊柱響應(yīng)測試

2.1 頸部響應(yīng)測試

表1 兒童頸椎各段及整體拉伸剛度與椎體位移(LLD)和剛度[31]

表2 兒童頸椎各段拉伸失效力[31]

Luck等對來自18個胚胎及兒童尸體(0～14歲)的頸椎整體及各段樣本(O-C2、C3-C4、C4-C5、C5-C6、C6-C7)進(jìn)行了了準(zhǔn)靜態(tài)拉伸測試，獲取的頸椎整體和各運動段樣本失效前拉伸剛度和椎體位移(LLD)如表1所示，初始失效力和極限失效力如表2所示[31]。統(tǒng)計分析表明，兒童(5個月及以上)上頸部的剛度顯著低于下頸部的，而失效力則顯著高于下頸部的。

Nuckley等研究了11例尸體(2～28歲)頸椎各段樣本(C1-C2, C3-C4, C6-C7)在多種負(fù)載下的力學(xué)響應(yīng)[32]。首先對每段樣本都開展了拉伸(tension)、壓縮(compression)、前后彎曲(flexion)、伸展(extension)、側(cè)向彎曲(lateral bending)和軸向扭轉(zhuǎn)(axial rotation)非失效測試。然后對C1-C2段開展了拉伸失效測試，對C3-C4段開展了壓縮失效測試，C6-C7開展了伸展失效測試，獲取的各段樣本失效極限如表3所示。結(jié)果表明，頸椎各段的失效極限和剛度與年齡顯著相關(guān)，且失效極限和剛度與年齡的關(guān)系可通過二次曲線較好地擬合。Dong等采用該測試數(shù)據(jù)，對10歲兒童頸部有限元模型進(jìn)行了驗證[21]。

圖3比較了Nuckley獲取的兒童C1-C2段和Luck獲取兒童頸椎O-C2、C4-C5、C6-C7段的拉伸失效力數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)在極限強度與年齡的關(guān)系上顯示出了較好的一致性[31-32]。此外，Nuckley和Luck研究均發(fā)現(xiàn)，兒童頸椎各段失效力和剛度都隨著年齡的增加而變大[31-32]。

圖3 文獻(xiàn)[31]和[32]中頸椎各段拉伸失效力數(shù)據(jù)對比[31-32]Fig.3 Comparison of Cervical vertebrae tensile failure force from ref.[31] and [32][31-32]

歐陽鈞等對10例兒童(2～10歲)頭頸部分開展了拉伸彎曲測試[33-34]。首先對skull-T2開展了準(zhǔn)靜態(tài)無損屈伸和拉伸測試，然后進(jìn)行了拉伸失效測試。無損測試結(jié)果表明，年齡對頸椎的旋轉(zhuǎn)剛度無顯著影響，獲取的skull-C2、C2-T2和skull-T2的旋轉(zhuǎn)剛度分別為(0.72±0.07)、(0.07±0.02)和(0.04±0.01)N·m/(°)。拉伸損傷測試獲取的所有樣本的平均力-位移曲線及上下偏差曲線如圖4所示，2～4歲兒童頸椎的失效力(595±143) N顯著低于6～12歲兒童的(868±71)N。

圖4 頸椎整體拉伸平均力-位移響應(yīng)與通道[33]Fig.4 Mean force-displacement response and corridors for the whole cervical spines under tensile[33]

Tab.3 The tolerance of child cervical vertebra under various load[32]

年齡/yC1-C2拉伸/NC3?C5壓縮/NC6?C7延展/Nm2582124014631102159513249412180160813062992190915432263128111588329935413181738212361617274208412182009600350822210558974762820296338563

2.2 脊柱響應(yīng)測試

暫無與兒童脊柱結(jié)果響應(yīng)測試相關(guān)的文獻(xiàn)。

3 胸腹部響應(yīng)測試

3.1 胸部響應(yīng)測試

歐陽鈞對9例兒童(2～12歲)胸部開展了動態(tài)沖擊測試[35]。測試結(jié)果表明兒童胸部損傷與胸部的最大變形、胸骨粘性準(zhǔn)則和第四胸椎骨峰值加速度并不相關(guān)，而與胸部峰值變形時吸收能量相關(guān)。Parent重新分析了歐陽鈞獲取的實驗數(shù)據(jù)得到了3歲組(2～4歲)和6歲組(5～12歲)胸部的力-變形曲線[36]，如圖5所示。Kent對3例兒童(6、7和15歲)胸部開展了不同速度安全帶加載和均勻加載實驗[37-38]，實驗方法與成人胸部加載實驗相同[39]，以評價各種縮放方法的準(zhǔn)確性。實驗結(jié)果表明人體胸部剛度并不是與年齡呈單調(diào)關(guān)系(如圖6所示)，兒童胸部剛度和老年人胸部剛度相當(dāng)。此外，研究還發(fā)現(xiàn)質(zhì)量縮放、SAE縮放、ISO縮放及Parallel Springs縮放方法都沒能準(zhǔn)確預(yù)測兒童胸部響應(yīng)，所有縮放方法都通過減小成人胸部剛度通道得到兒童胸部剛度通道，而實驗中每次加載獲取的兒童胸部剛度和成人胸部剛度通道相當(dāng)，或高于成人胸部通道剛度。

圖5 3歲組與6歲組胸部力-變形通道[36]Fig.5 Force-deflection response corridors for 3years and 6years’chest[36]

圖6 不同年齡樣本胸部在15%壓縮量時的動態(tài)肩帶力[37-39]Fig.6 Dynamic belt force of thorax sample with different ages under 15% compression[37-39]

由于兒童尸體獲取較為困難，研究人員開始尋求其他方法研究胸部結(jié)構(gòu)響應(yīng)。Maltese獲取了18例兒童和成人(8～22歲)在心肺復(fù)蘇(CPR)急救過程中胸部響應(yīng)數(shù)據(jù)[40]，圖7描述了Maltese、歐陽鈞和Kent測試中兒童胸部壓縮力在胸部壓縮量為15%時的分布[35,38,40]，可知CPR時胸部壓縮力比沖擊實驗要小，原因可能是在CPR時胸部變形速率相對較小。通過CPR獲取的胸部響應(yīng)數(shù)據(jù)雖然無法代替汽車碰撞中胸部在高變形速率下的響應(yīng)，但仍可用于驗證兒童胸部有限元模型在低速變形下的生物逼真度[11]。在應(yīng)用方面，蔣彬輝采用歐陽鈞和Kent等獲取的測試數(shù)據(jù)，以及Maltese獲取的心肺復(fù)蘇測試數(shù)據(jù)，對10歲兒童有限元模型進(jìn)行了驗證[41]。

圖7 CPR與沖擊實驗15%胸部壓縮量時力的分布[35,38,40]Fig.7 Force distribution of CPR and impact experiment under 15% chest deflection[35,38,40]

3.2 腹部響應(yīng)測試

歐陽鈞在做胸部沖擊測試之前，對相同的兒童樣本開展了腹部沖擊測試[42]。獲得的3歲組(2～4歲)和6歲組(5～12歲)腹部力-位移平均值和上下偏差曲線分別如圖8、9所示，6歲組兒童的腹部峰值力平均值顯著高于3歲組兒童的(分別為(926.16±133.24)和(530.30±102.62) N)。Kent對2例女性兒童(6和7歲)上腹部開展了準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)均勻加載測試，對下腹部開展了準(zhǔn)靜態(tài)均勻加載測試[37]，獲取的上腹部與下腹部力-位移響應(yīng)特性如圖10所示。兩例兒童腹部具有相似的力-位移響應(yīng)特性，在動態(tài)測試時上腹部剛度都高于下腹部剛度。

圖8 3歲組兒童腹部平均力-變形響應(yīng)與通道[42]Fig.8 Force-deflection response corridors for 3years abdomen[42]

圖9 6歲組兒童腹部平均力-變形響應(yīng)與通道[42]Fig.9 Force-deflection response corridors for 6years abdomen[42]

圖10 腹部橫向安全帶加載下的力-位移響應(yīng) (6和7歲女性)[37]Fig.10 The force-displacement response of abdomen under transverse belt loading (6 and 7 years old female)[37]

4 骨盆與四肢響應(yīng)測試

4.1 骨盆響應(yīng)測試

歐陽鈞采用已完成胸部和腹部沖擊試驗的兒童尸體樣本對骨盆開展了沖擊測試[43]，獲得的3歲組(2～4歲)和6歲組(5～12歲)骨盆力-位移平均值和上下偏差曲線分別如圖11、12所示。測試結(jié)果還表明，6歲組兒童骨盆的剛度與峰值力高于3歲組兒童的。Kim等采用其該測試數(shù)據(jù)對10歲兒童骨盆有限元模型進(jìn)行了驗證[44]。

圖11 3歲組骨盆力-位移響平均值與上下偏差曲線[43]Fig.11 Mean force-displacement response and corridors for 3years pelvis[43]

4.2 四肢響應(yīng)測試

歐陽鈞對11例兒童(2～10歲)四肢長骨開展了準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)三點彎曲測試，隨機選取雙側(cè)肱骨、尺骨、橈骨、股骨、脛骨和腓骨一側(cè)為靜態(tài)施載組(5 mm/min), 另一側(cè)為動態(tài)施載組(500 mm/min)[45-46]，上肢長骨和下肢長骨的最大彎曲力與最大變形分別如表4、5所示。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，長骨在動態(tài)作用力下的抗彎強度和最大變形較靜態(tài)作用力時高。隨著兒童年齡增長，長骨的動、靜態(tài)抗彎曲力的能力都逐漸提高。

圖12 6歲組骨盆力-位移響應(yīng)平均值與上下偏差曲線[43]Fig.12 Mean force-displacement response and corridors for 6years pelvis[43]

表4 上肢長骨的最大彎曲力和最大變形[45]

表5 下肢長骨的最大彎曲力和最大變形[45]

表6 兒童尸體臺車試驗總結(jié)[47-49]

5 兒童尸體臺車試驗

表6為Kallieris、Dejeammes、Wismans對10例兒童尸體樣本開展的14組臺車試驗情況(Dejeammes對同一個樣本開展了5次實驗)[47-49]。14組試驗中8組試驗樣本發(fā)生了損傷，多為脊柱損傷(6組試驗出現(xiàn)脊椎損傷)。

6 兒童志愿者臺車試驗

Arbogast對4個年齡段(6～8 YO，9～11 YO，12～14 YO，成人)的志愿者開展了低速前碰撞臺車試驗，研究兒童頭頸部運動學(xué)響應(yīng)與成人的差異[50]。測試結(jié)果表明，在加速度脈沖一致的情況下，頸部和頭部所有標(biāo)志點相對前向偏移量隨著年齡增加顯著降低，這種差異由于隨年齡增大，頭圍和頸圍之比降低，從而使頸部對頭部的約束增強。此外，在文中還給出了安全帶張力、座椅負(fù)載及腳踏板負(fù)載的數(shù)據(jù)，可用于低速前碰撞條件下的兒童響應(yīng)研究。

7 展望與總結(jié)

兒童頭部試驗樣本多為嬰兒期尸體，因此還需更多其他年齡段的兒童尸體樣本用于研究年齡因素對頭部響應(yīng)的影響。相比成人頭部生物力學(xué)實驗，兒童頭部結(jié)構(gòu)響應(yīng)測試還需考慮測試顱內(nèi)響應(yīng)的情況。在成人的頭部顱內(nèi)響應(yīng)測試中，經(jīng)典的實驗包括有Nahum的顱內(nèi)壓試驗和Zhang的腦組織相對位移試驗[51-52]，兒童頭部顱內(nèi)響應(yīng)生物力學(xué)實驗可參照上述經(jīng)典成人頭部顱內(nèi)響應(yīng)測試方法開展。在顱內(nèi)響應(yīng)的測試中，需要考慮兒童顱骨剛度相對較軟的特性以及頭部幾何特性差異對測試結(jié)果的影響。研究表明，兒童顱骨相比于成人較為柔軟，不易發(fā)生骨折。因而，在頭部發(fā)生跌落等接觸撞擊的情況下，兒童相比成人，可能會出現(xiàn)未發(fā)生顱骨骨折但卻遭受到嚴(yán)重顱內(nèi)創(chuàng)傷的情況。尤其是嬰兒時期的顱骨中囟門以及骨縫等相對較軟的結(jié)構(gòu)存在，進(jìn)一步加大了顱骨變形擠壓腦組織的風(fēng)險，但上述因素對顱內(nèi)響應(yīng)的影響并未明確。此外，成人的顱內(nèi)響應(yīng)研究表明，顱內(nèi)容量、腦組織質(zhì)量、枕骨大孔尺寸等因素均對顱內(nèi)壓響應(yīng)有明顯影響，所以在開展兒童顱內(nèi)生物力學(xué)試驗中，應(yīng)詳細(xì)考慮上述各類因素隨年齡的變化關(guān)系及對顱內(nèi)響應(yīng)的影響。

在頸部及脊柱結(jié)構(gòu)響應(yīng)研究中，需加強對脊柱部分的研究，尤其是腰椎部分的研究。此外，對成人頸部數(shù)值模擬表明，主動肌肉力對頸部失效力與頸部損傷部位有顯著影響[53]。由于兒童頭部質(zhì)量相當(dāng)全身質(zhì)量比重較大，頸部主動肌肉力對兒童頸部和頭部損傷影響情況較成人可能更大。在探究兒童肌肉韌帶組織的本構(gòu)特性及被動力學(xué)特性的同時，更應(yīng)研究其主動響應(yīng)特性。

在胸腹部、骨盆及四肢響應(yīng)的研究中，盡管目前已有一定數(shù)量的兒童尸體實驗，但是損傷準(zhǔn)則和容忍極限仍未確定。此外，還需加強側(cè)面碰撞條件下的胸、腹部結(jié)構(gòu)響應(yīng)研究。兒童整體結(jié)構(gòu)響應(yīng)的研究中，兒童尸體試驗均存在年代較為久遠(yuǎn)、采集獲得響應(yīng)數(shù)據(jù)偏少及樣本在測試中的損傷情況不明等問題。

在倫理道德的限制下，難以獲得充足的兒童尸體樣本用于生物力學(xué)實驗，研究人員應(yīng)加強新穎的生物力學(xué)實驗方法以獲得人體數(shù)據(jù)，需加強與臨床醫(yī)學(xué)機構(gòu)的合作，從臨床治療過程中獲得數(shù)據(jù)，如從大量的臨床醫(yī)學(xué)圖像中提取人體幾何數(shù)據(jù)，從胸肺復(fù)蘇急救、物理理療等治療過程中獲得人體響應(yīng)數(shù)據(jù)。

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A Review of Pediatric Biomechanical Experiments: Structural Response Tests

Bai Zhonghao*, Chen Yafeng, Bai Fanghua, Jiang Binhui

(TheStateKeyLaboratoryofAdvancedDesignandManufacturingforVehicleBody,HunanUniversity,Changsha410082,China)

From an ethical point of view, it is extremely difficult to propose well-controlled pediatric subject study aiming at understanding the injury mechanisms and establishing the associated tolerance values. As the consequence, the current development of child anthropomorphic test devices (ATDs) and corresponding injury assessment reference values (IARVs) is based on the scaling data obtained from adult human cadaveric experiments. However, the accuracy of such scaling techniques in use has not yet been confirmed. There is also great demand of pediatric experimental data to validate the numerical models for children. To address these issues, this paper provides a detailed review of the experimental data and experimental methods available in literatures for the structure responses of body regions of children, including head, neck, thorax, abdomen, extremities and pelvis. The sled tests of pediatric cadavers and volunteers are also reviewed. Lastly, current state-of-art is analyzed and future studies are suggested.

child safety; injury biomechanics; structural response

10.3969/j.issn.0258-8021. 2015. 05.011

2015-01-06， 錄用日期:2015-06-15

國家自然科學(xué)基金(51475153)；國家自然科學(xué)基金青年基金(51405148)

R318

A

0258-8021(2015) 05-0598-09

*通信作者 (Corresponding author)，E-mail: baizhonghao@163.com