兒童胸部損傷準(zhǔn)則的仿真研究*

蔣彬輝，鄧淯方，冒浩杰，楊金海,曹立波

(1.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； 2.美國(guó)韋恩州立大學(xué)生物工程中心，底特律 48201)

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2015155

兒童胸部損傷準(zhǔn)則的仿真研究*

蔣彬輝1，鄧淯方1，冒浩杰2，楊金海2,曹立波1

(1.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； 2.美國(guó)韋恩州立大學(xué)生物工程中心，底特律 48201)

鑒于對(duì)兒童損傷準(zhǔn)則和容忍極限的研究缺乏，本文中參考僅有的兩項(xiàng)兒童胸部動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)比仿真與實(shí)驗(yàn)中獲得的兒童胸部力-變形曲線，對(duì)作者先前建立的10歲兒童胸部有限元模型的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行了驗(yàn)證,并分析了由模型計(jì)算獲得的應(yīng)力-應(yīng)變和實(shí)驗(yàn)中觀察到的骨骼與內(nèi)臟損傷之間的關(guān)系。結(jié)果表明，仿真獲得的胸部力-變形曲線與實(shí)驗(yàn)吻合較好，應(yīng)變失效準(zhǔn)則能有效地預(yù)測(cè)骨骼和內(nèi)臟的損傷情況。成人胸部壓縮量損傷準(zhǔn)則和黏性損傷準(zhǔn)則可用于兒童胸部損傷的預(yù)測(cè)，但兒童損傷容忍極限值低于成人。

兒童胸部模型；胸部損傷分析；有限元仿真

前言

目前，兒童乘車安全問(wèn)題越來(lái)越受到重視。但由于倫理道德的限制和兒童生長(zhǎng)發(fā)育的復(fù)雜性，對(duì)兒童損傷機(jī)理和容忍極限的研究還很欠缺，各汽車安全法規(guī)中對(duì)兒童乘車的安全要求還不多，而且這些要求主要還是依靠對(duì)成人相關(guān)要求進(jìn)行縮放。因此，盡快研究并確定兒童相關(guān)的損傷準(zhǔn)則和容忍極限是兒童安全領(lǐng)域的一個(gè)重要研究課題。同時(shí)，依靠尸體和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)來(lái)獲取兒童損傷容忍極限的傳統(tǒng)方法難以取得較好效果，利用兒童有限元模型開展仿真成為研究?jī)和瘬p傷機(jī)理的重要手段之一。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開發(fā)了一些兒童模型用于兒童安全研究，包括文獻(xiàn)[1]～文獻(xiàn)[6]中分別開發(fā)的6歲和3歲兒童有限元模型。這些數(shù)學(xué)模型中的胸部大多采用從成人模型進(jìn)行比例縮放的方法獲得，且在模型驗(yàn)證時(shí)，也同樣多以縮放成人數(shù)據(jù)獲得的驗(yàn)證響應(yīng)數(shù)據(jù)為主[7]。然而，這些縮放模型中大多無(wú)法重現(xiàn)兒童詳細(xì)的解剖結(jié)構(gòu)，且縮放獲得的響應(yīng)數(shù)據(jù)中也不包含兒童人體的損傷信息，因而這些縮放模型和縮放數(shù)據(jù)難以被用于兒童損傷準(zhǔn)則和容忍極限的研究。

本課題組前期利用兒童臨床治療過(guò)程中獲得的CT和MRI圖像數(shù)據(jù)開發(fā)了一個(gè)具有詳細(xì)解剖特征的10歲兒童胸部有限元模型，并已通過(guò)了臨床兒童心肺復(fù)蘇(CPR)急救過(guò)程中獲得的胸部響應(yīng)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證[7-8]。然而，在CPR數(shù)據(jù)中，胸部最大的變形速率僅為0.25m/s，屬于靜態(tài)加載的范疇[8]。文獻(xiàn)[9]中在統(tǒng)計(jì)研究文獻(xiàn)[10]和文獻(xiàn)[11]中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)碰撞速度低于1.3m/s時(shí)，胸部的初始剛度基本不隨碰撞速度發(fā)生變化，而當(dāng)碰撞速度高于1.3m/s時(shí)，胸部的初始剛度隨著碰撞速度的增加而增大。此外，胸部力-變形曲線中的平臺(tái)力大小也表現(xiàn)出相似的變化趨勢(shì)：當(dāng)碰撞速度低于3.73m/s時(shí)，平臺(tái)力的大小基本不受碰撞速度的影響；而當(dāng)碰撞速度高于3.73m/s后，平臺(tái)力隨著碰撞速度的增加而增大。上述研究表明，胸部的變形速率對(duì)于胸部的響應(yīng)情況有較大的影響。交通事故中，在使用安全帶時(shí)，胸部變形速率往往要接近3m/s。若出現(xiàn)乘員與內(nèi)飾發(fā)生碰撞的情況，胸部變形速率會(huì)更高[12]。因此，為將本課題組開發(fā)的該兒童胸部有限元模型用于汽車碰撞等高速?zèng)_擊條件下的兒童胸部損傷機(jī)理和防護(hù)方法的研究，還需進(jìn)一步對(duì)該模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)驗(yàn)證和損傷分析。

本文中選用僅有的兩項(xiàng)兒童胸部動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，即Oryang等人于2006年發(fā)表的胸部撞擊實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[13]和Kent等人于2009年和2011年發(fā)表的斜拉式安全帶動(dòng)態(tài)加載的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[14-15]對(duì)該10歲兒童胸部有限元模型[7]進(jìn)行動(dòng)態(tài)驗(yàn)證，并將模型預(yù)測(cè)的損傷情況與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行損傷分析。在上述研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合成人胸部損傷準(zhǔn)則，開展了兒童胸部損傷準(zhǔn)則和容忍極限的初步研究。

1 模型和驗(yàn)證數(shù)據(jù)

1.1 模型簡(jiǎn)介

該模型具有較為詳細(xì)的兒童解剖特征，不僅包括了骨架、皮膚和心、肺等胸部器官，還包括了腹部器官、腰椎及盆腔結(jié)構(gòu)，最終的模型共有242 266個(gè)六面體單元和188 318個(gè)殼單元，并在先前的研究中獲得了模型的各組織材料參數(shù)[7]。

1.2 模型動(dòng)態(tài)驗(yàn)證數(shù)據(jù)

1.2.1 Ouyang(2006)胸部撞擊實(shí)驗(yàn)

Ouyang(2006)[13]的實(shí)驗(yàn)中利用氣缸發(fā)射一個(gè)圓柱形的沖頭撞擊兒童尸體胸骨的中間位置。實(shí)驗(yàn)中包括2～12歲年齡內(nèi)的9個(gè)尸體樣本，考慮到兒童身材尺寸要小于成人，且不同年齡段的兒童身材尺寸也存在較大差異，因此在實(shí)驗(yàn)中將實(shí)驗(yàn)樣本分為兒童組(2～4歲)和少年組(5～12歲)，分別采用不同尺寸的沖頭進(jìn)行測(cè)試。兒童組中采用的沖頭直徑為5cm，質(zhì)量為2.5kg，而在少年組的測(cè)試中，采用的沖頭直徑為7.5cm，質(zhì)量為3.5kg，但兩組實(shí)驗(yàn)中采用了相同的名義撞擊速度6m/s。本文中選用少年組的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)胸部模型進(jìn)行驗(yàn)證，少年組尸體樣本情況和實(shí)驗(yàn)條件如表1所示。

表1 Ouyang(2006)撞擊實(shí)驗(yàn)少年組樣本信息[13]

1.2.2 Kent(2009,2011)安全帶加載實(shí)驗(yàn)

2009年，Kent等人首先對(duì)一個(gè)7歲兒童尸體的胸部進(jìn)行了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)試[14]。2011年，又對(duì)一個(gè)6歲和一個(gè)15歲兒童尸體進(jìn)行了相同的測(cè)試，并綜合2009年的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了討論分析[15]。在該實(shí)驗(yàn)中，尸體樣本平躺在剛性平面上，利用一條斜挎的安全帶對(duì)胸部進(jìn)行加載，模擬汽車碰撞中安全帶對(duì)胸部的加載情況。動(dòng)態(tài)加載中，設(shè)定胸部的變形速率與48km/h碰撞速度下的臺(tái)車實(shí)驗(yàn)中胸部的變形速率接近，約為1.9m/s。該胸部變形速率均遠(yuǎn)高于CPR實(shí)驗(yàn)中的情況。表2中給出了Kent(2009,2011)實(shí)驗(yàn)中樣本的基本情況。

表2 Kent(2009,2011)實(shí)驗(yàn)樣本信息[14-15]

2 模型驗(yàn)證

2.1 Ouyang(2006)實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證

2.1.1 胸部撞擊仿真的邊界和加載

為模擬實(shí)驗(yàn)的撞擊條件，建立了一個(gè)直徑為75mm、質(zhì)量為3.5kg的剛性撞擊錘模型，撞擊胸部模型的胸骨中間位置，如圖1(a)所示。實(shí)驗(yàn)中少年組的實(shí)際最小和最大碰撞速度分別為5.9和6.5m/s。因此，分別以5.9，6.0和6.5m/s的速度對(duì)胸部模型進(jìn)行撞擊仿真。

2.1.2 驗(yàn)證結(jié)果

圖2為模型預(yù)測(cè)的胸部力-變形曲線與少年組的實(shí)驗(yàn)平均曲線對(duì)比。結(jié)果表明，仿真曲線基本上位于平均曲線的標(biāo)準(zhǔn)方差范圍內(nèi)，且曲線變化趨勢(shì)與平均曲線基本一致：仿真中胸部最大變形量的范圍為45.0～47.7mm，峰值力的范圍為1 058.5～1 171.34N，均位于驗(yàn)證區(qū)間內(nèi)。但胸部變形量的前5mm內(nèi)，碰撞力要高于實(shí)驗(yàn)曲線，第一個(gè)峰值力出現(xiàn)的位置要略微早于實(shí)驗(yàn)曲線，經(jīng)分析可能由如下原因?qū)е拢?1)實(shí)驗(yàn)中的胸部變形量是通過(guò)分析高速圖像獲得的，文獻(xiàn)[16]中在分析Ouyang(2006)[13]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)指出，高速攝像的空間分辨率、瞬時(shí)清晰度和碰撞初始時(shí)刻等因素會(huì)造成胸部變形量的前期測(cè)量結(jié)果存在誤差，從而可能導(dǎo)致最終的胸部力-變形曲線的前期偏低；(2)身材尺寸可能會(huì)造成碰撞前期撞擊塊與胸部的接觸面積存在差異，從而導(dǎo)致胸部變形前期的力存在差異，此外，仿真曲線在出現(xiàn)第一個(gè)峰值力后，還出現(xiàn)了下降趨勢(shì)，這在很多胸部撞擊實(shí)驗(yàn)和仿真中都有出現(xiàn)[10,13,17-18]，文獻(xiàn)[18]中指出，這是由于胸部慣性效應(yīng)的影響，導(dǎo)致接觸力在接觸初始時(shí)刻出現(xiàn)一個(gè)峰值力，峰值過(guò)后，接觸力出現(xiàn)下降，導(dǎo)致在胸部力-變形曲線出現(xiàn)第一個(gè)峰值力后，呈現(xiàn)下降趨勢(shì)?？傊?，該模型在撞擊條件下具有較高的生物逼真度。

2.2 Kent(2009,2011)實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證

斜拉式安全帶加載仿真中安全帶模型按照文獻(xiàn)[14]和文獻(xiàn)[15]中提供的加載位置進(jìn)行加載，如圖1(b)所示。利用LS-PREPOST進(jìn)行安全帶建模，并保證安全帶緊貼模型的皮膚表面。而人體后面的支撐板采用一個(gè)剛性平面模擬，并在加載開始前，進(jìn)行了重力加載的預(yù)模擬，保證模型與支撐板之間的接觸緊密。

仿真中的加載輸入條件是在安全帶的兩頭輸入位移-時(shí)間曲線，由于實(shí)驗(yàn)中并未測(cè)得安全帶兩頭實(shí)際的位移-時(shí)間曲線，但卻獲取了胸部的變形-時(shí)間曲線，因而采用胸部的變形-時(shí)間曲線進(jìn)行一定的比例縮放后，作為仿真中的加載位移-時(shí)間曲線。具體的比例縮放系數(shù)參考了文獻(xiàn)[19]取0.5，并通過(guò)調(diào)整加載角度，使仿真中胸部的最大變形速率與實(shí)驗(yàn)中的接近。

仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖3所示。圖中橫坐標(biāo)為安全帶中線與人體矢平面交點(diǎn)位置的變形量；縱坐標(biāo)為人體與背面支持板之間的反作用力。由圖3可見，胸部變形量在前25mm以內(nèi)時(shí)，仿真曲線與多組實(shí)驗(yàn)曲線的響應(yīng)情況保持一致，并落于驗(yàn)證區(qū)間內(nèi)。而胸部變形量超出25mm后，仿真曲線的響應(yīng)情況與實(shí)驗(yàn)Pedve32和33的響應(yīng)基本保持一致。Pedve43為15歲兒童胸部力-變形曲線，可能是身材尺寸的差異造成了該曲線要明顯高于其他實(shí)驗(yàn)曲線和仿真曲線。Pedve16,18和19是7歲兒童的胸部力-變形曲線，盡管這3條曲線與仿真曲線存在一定的差異，但實(shí)際上仿真曲線仍基本位于這3條曲線的區(qū)域內(nèi)。Pedve34與Pedve32和33同屬于6歲兒童的胸部力-變形曲線，該曲線與仿真曲線、Pedve32和33都存在明顯差異，這可能是尸體狀態(tài)的改變或其他不確定因素造成的。由此可見，整體來(lái)講仿真曲線較好地預(yù)測(cè)了胸部力-變形曲線，表明該模型在安全帶動(dòng)態(tài)加載條件下具有較高的生物逼真度。

3 損傷分析

利用模型預(yù)測(cè)到的各組織應(yīng)力和應(yīng)變結(jié)合實(shí)驗(yàn)中查看到的尸體損傷情況進(jìn)行分析，同時(shí)綜合考慮成人胸部損傷準(zhǔn)則對(duì)兒童胸部損傷的預(yù)測(cè)情況。

3.1 骨骼損傷分析

表3為實(shí)驗(yàn)中肋骨損傷情況和仿真預(yù)測(cè)到的肋骨骨密質(zhì)層的最大應(yīng)變值。在Ouyang(2006)的胸部撞擊實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)后的尸檢并未發(fā)現(xiàn)有肋骨骨折的情況，而仿真中顯示的肋骨骨密質(zhì)層的最大應(yīng)變?yōu)?.5%～2.7%。通常，成人肋骨骨密質(zhì)的失效應(yīng)變定義為2%～3%[17,20]，而根據(jù)文獻(xiàn)[21]，10歲兒童大腿骨骨密質(zhì)的極限應(yīng)變約為成人的1.3倍左右，若同樣認(rèn)為10歲兒童肋骨骨密質(zhì)層的極限應(yīng)變?yōu)槌扇说?.3倍，則10歲兒童的肋骨骨密質(zhì)層的極限應(yīng)變約為2.6%～3.9%。仿真結(jié)果表明，10歲兒童在Ouyang(2006)的胸部撞擊實(shí)驗(yàn)條件下，發(fā)生肋骨骨折的風(fēng)險(xiǎn)較低，該預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果保持一致。

表3 仿真與實(shí)驗(yàn)中骨骼損傷情況對(duì)比

實(shí)驗(yàn)中胸部最大壓縮量(胸部最大變形與胸部厚度比)的范圍為24.4%～48.2%，仿真獲得的胸部最大壓縮量的范圍為26.9%～28.6%，該結(jié)果位于實(shí)驗(yàn)范圍之內(nèi)，但相對(duì)偏小，這可能是由于Ouyang(2006)實(shí)驗(yàn)中使用的兒童尸體樣本的胸部厚度偏小造成的，實(shí)際上仿真中獲得的胸部變形量十分接近于實(shí)驗(yàn)中的少年組平均胸部變形量(圖2)。此外，仿真中獲得的胸部VCmax(黏性損傷準(zhǔn)則)值的范圍為0.9～1.1，實(shí)驗(yàn)中VCmax值的范圍為0.7～4.5，仿真預(yù)測(cè)的結(jié)果同樣在實(shí)驗(yàn)值范圍之內(nèi)。仿真中Cmax(胸部最大壓縮量損傷準(zhǔn)則)值和VCmax值均與撞擊速度成正比。同時(shí)，隨著這兩個(gè)值的增大，肋骨骨密質(zhì)層出現(xiàn)的最大塑性應(yīng)變值增大，因此，這兩個(gè)值均能在一定程度上反映肋骨的損傷風(fēng)險(xiǎn)。

在Kent(2009,2011)的實(shí)驗(yàn)中，6和7歲的兒童尸體在實(shí)驗(yàn)后均出現(xiàn)了肋骨骨折的現(xiàn)象，但15歲兒童未發(fā)生肋骨骨折。需特別指出的是，實(shí)驗(yàn)中6和7歲兒童尸體各被反復(fù)進(jìn)行了3次斜拉式安全帶動(dòng)態(tài)加載，而15歲兒童的尸體則只被動(dòng)態(tài)加載了一次。在反復(fù)加載的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)中，尸體出現(xiàn)的胸部最大壓縮量各不相同，如表3所示，但出現(xiàn)的最大胸部壓縮量是逐漸增加的。從表3中可以看出，在胸部壓縮量分別為33.5%(Pedve19)和38.5%(Pedve34)仿真案例中肋骨骨密質(zhì)層最大塑性應(yīng)變分別為4.5%和5.8%。而在未發(fā)生肋骨骨折的所有案例中，最大胸部壓縮量為30%(Pedve33)，對(duì)應(yīng)仿真中的最大塑性應(yīng)變?yōu)?.2%。因而，仿真預(yù)測(cè)在斜拉式安全帶動(dòng)態(tài)加載下10歲兒童肋骨骨折的極限塑性應(yīng)變值為4.2%，該值要高于文獻(xiàn)中獲得的2.6%～3.9%，造成該差異的原因應(yīng)該是實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)肋骨骨折的尸體樣本為DukeF和484F，兩者的年齡分別為6歲和7歲，因而他們的骨骼相比于10歲兒童更加柔軟，極限塑性應(yīng)變值也比10歲兒童的更高，導(dǎo)致他們?cè)谖窗l(fā)生肋骨骨折的情況下，可承受的胸部壓縮量也偏大，若仍以文獻(xiàn)中的塑性應(yīng)變值3.9%作為10歲兒童肋骨骨折的判斷標(biāo)準(zhǔn)，模型預(yù)測(cè)當(dāng)胸部壓縮量達(dá)到29%時(shí)，即會(huì)導(dǎo)致肋骨骨折。

當(dāng)胸部壓縮量為33.5%時(shí)，肋骨骨密質(zhì)層的有效塑性應(yīng)變?cè)茍D如圖4所示，云圖中的高塑性應(yīng)變區(qū)域?qū)?yīng)著較高的骨折損傷風(fēng)險(xiǎn)。從圖4中可以看出，可能發(fā)生肋骨骨折的區(qū)域集中在右側(cè)第3～6根肋骨上，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果中右側(cè)發(fā)生肋骨骨折的區(qū)域大致相同，而左側(cè)肋骨的最大塑性應(yīng)變低于1.1%，遭受肋骨骨折損傷的風(fēng)險(xiǎn)較小，這與尸檢結(jié)果中左側(cè)肋骨骨折情況存在差異。造成這個(gè)差異的原因可能有：(1)在Kent(2009,2011)的實(shí)驗(yàn)中，這些尸體樣本除了被用于斜拉式安全帶動(dòng)態(tài)加載外，還被用于斜拉式安全帶準(zhǔn)靜態(tài)加載實(shí)驗(yàn)，盡管文獻(xiàn)[15]中在分析肋骨損傷的模態(tài)后，指出這些肋骨骨折是由斜拉式安全帶加載造成的，但并未指出是動(dòng)態(tài)加載還是準(zhǔn)靜態(tài)加載造成的；(2)發(fā)生骨折的尸體樣本的胸部解剖學(xué)尺寸均要小于10歲兒童胸部有限元模型的尺寸也有可能是原因之一。盡管仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在一定的差異，但胸部壓縮量與肋骨骨密質(zhì)層的最大塑性應(yīng)變的變化趨勢(shì)再次證明胸部壓縮量能較好反映肋骨損傷風(fēng)險(xiǎn)。但由于在Kent(2009,2011)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中未給出VCmax，故本文中也不予分析。

3.2 內(nèi)臟損傷分析

表4示出實(shí)驗(yàn)中內(nèi)臟損傷情況和仿真預(yù)測(cè)到的肺及心臟最大第一應(yīng)變值。由于Kent(2009,2011)的實(shí)驗(yàn)中，未給出內(nèi)臟的損傷情況，故表4只與Ouyang(2006)實(shí)驗(yàn)做對(duì)比。

表4 仿真與實(shí)驗(yàn)中內(nèi)臟損傷情況對(duì)比

在胸部撞擊實(shí)驗(yàn)中，出現(xiàn)最多的損傷類型是氣胸，此外還發(fā)生有胸腺出血。仿真中，3種碰撞速度下肺的最大第一主應(yīng)變約為54%～62%，心臟的最大第一主應(yīng)變約為41%～43%。根據(jù)文獻(xiàn)[22]，肺挫傷的第一主應(yīng)變?nèi)萑虡O限值約為28.4%，而模型預(yù)測(cè)到最大第一主應(yīng)變遠(yuǎn)高于肺挫傷容忍極限值，表明在該撞擊實(shí)驗(yàn)條件下，肺遭受挫傷的風(fēng)險(xiǎn)很高。其中右肺的挫傷部位主要集中在肺部表面與肋骨接觸的部分及與支氣管、肺血管連接的區(qū)域，左肺的損傷部位主要集中在與支氣管、肺血管連接的區(qū)域，如圖5所示(高應(yīng)變區(qū)域表示可能遭受挫傷的區(qū)域)。文獻(xiàn)[23]中測(cè)得10～19歲年齡段的兒童心肌的極限拉伸應(yīng)變?yōu)?9.2%±4.2%，故仿真預(yù)測(cè)心臟不會(huì)出現(xiàn)破裂等嚴(yán)重?fù)p傷。

黏性損傷準(zhǔn)則主要是用于胸部軟組織損傷的預(yù)測(cè)，成人黏性損傷準(zhǔn)則的損傷容忍極限值為1。胸部撞擊仿真結(jié)果表明，VCmax值在低于1的情況下，10歲兒童的肺器官已經(jīng)遭受較為嚴(yán)重的損傷。因此，若以黏性損傷準(zhǔn)則作為兒童的胸部損傷準(zhǔn)則，則損傷容忍極限應(yīng)低于成人的對(duì)應(yīng)值1。就胸部壓縮量損傷準(zhǔn)則而言，預(yù)測(cè)有嚴(yán)重肺損傷的仿真中，胸部壓縮量的范圍為26.9%～28.6%，同樣小于造成成人嚴(yán)重胸部損傷(AIS 4級(jí)損傷)的容忍極限值35%。需要特別指出是成人胸部壓縮量損傷準(zhǔn)則主要以碰撞條件下骨骼損傷的情況為依據(jù)建立，因而可能無(wú)法同時(shí)兼顧到骨骼損傷和內(nèi)臟損傷的情況。

4 討論

在尸體實(shí)驗(yàn)中，各組織的損傷情況能通過(guò)醫(yī)學(xué)手段來(lái)獲得，然而，與損傷相關(guān)的應(yīng)力-應(yīng)變則無(wú)法測(cè)量。仿真則正好相反，只能通過(guò)各組織應(yīng)力-應(yīng)變來(lái)估計(jì)它們的損傷情況。當(dāng)肋骨塑性應(yīng)變達(dá)到4.5%時(shí)，才會(huì)發(fā)生肋骨骨折，第一主應(yīng)變值28.4%和79.2%預(yù)測(cè)肺挫傷和心臟撕裂損傷。在肋骨骨折的損傷分析中，肋骨骨密質(zhì)層塑性應(yīng)變的失效值是從成人數(shù)據(jù)中縮放獲得的。內(nèi)臟損傷的分析中，第一主應(yīng)變的失效值則由文獻(xiàn)中的動(dòng)物或成人實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)直接獲得。因此，上述兒童損傷預(yù)測(cè)極限值還需進(jìn)一步研究。

仿真中骨骼和內(nèi)臟的損傷情況可通過(guò)應(yīng)變損傷準(zhǔn)則進(jìn)行預(yù)測(cè)。而實(shí)際的車輛碰撞實(shí)驗(yàn)中，由于只能測(cè)得假人的力、力矩、加速度和變形等物理量，使實(shí)車實(shí)驗(yàn)中的損傷預(yù)測(cè)也只能以上述物理量為基礎(chǔ)。因而，還須通過(guò)仿真中的應(yīng)變損傷準(zhǔn)則，獲得實(shí)車實(shí)驗(yàn)中的損傷準(zhǔn)則。本文中利用仿真，將汽車行業(yè)中的成人胸部損傷準(zhǔn)則與獲得的各組織應(yīng)變和由應(yīng)變獲得的損傷風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了對(duì)比分析。分析結(jié)果表明，可利用壓縮量損傷準(zhǔn)則和黏性損傷準(zhǔn)則來(lái)預(yù)測(cè)兒童胸部損傷，但其損傷容忍極限值均要低于成人。

最后，仿真結(jié)果中在胸部壓縮量接近的情況下，造成的肋骨最大塑性應(yīng)變存在差異：如在碰撞初始速度為5.9m/s時(shí)，胸部的壓縮量為26.9%，此時(shí)肋骨骨密質(zhì)層的最大應(yīng)變?yōu)?.4%，肋骨發(fā)生骨折損傷的風(fēng)險(xiǎn)較低；而在斜拉式安全帶加載條件下，胸部壓縮量為24.9%時(shí)，肋骨骨密質(zhì)層的最大塑性應(yīng)變達(dá)到了3.0%。這可能主要是由于在胸部撞擊仿真中，撞擊塊的直徑較小，撞擊力更多地作用在肋軟骨上，肋軟骨承受了較小的變形，而在斜拉式安全帶加載中，安全帶直接加載在肋骨上，導(dǎo)致肋骨遭受了較大變形。表明同一損傷準(zhǔn)則，在不同的加載條件下的損傷容忍極限值存在差異。

5 結(jié)論

利用胸部撞擊和安全帶動(dòng)態(tài)加載兩種兒童尸體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)本課題組開發(fā)的10歲兒童胸部有限元模型進(jìn)行了動(dòng)態(tài)驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明，該模型在動(dòng)態(tài)加載條件下具有較好的生物逼真度。利用驗(yàn)證后的有限元模型結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中提供的尸體損傷情況，對(duì)這兩種動(dòng)態(tài)加載條件下的損傷進(jìn)行分析。分析結(jié)果表明，該兒童胸部有限元模型能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)中的兒童胸部損傷情況。結(jié)合成人胸部損傷準(zhǔn)則對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，成人胸部損傷準(zhǔn)則在兒童胸部損傷預(yù)測(cè)中存在一定的可靠性，但損傷容忍極限值與成人存在差異，且同一損傷準(zhǔn)則在不同加載條件下的損傷容忍極限值存在差異。

[1] Liu X, Yang J. Development of Child Pedestrian Mathematical Models and Evaluation with Accident Reconstruction[J]. Traffic Injury Prevention,2002,3(4):321-329.

[2] Van Rooij L, Harkema C, de Lange R, et al. Child Poses in Child Restraint Systems Related to Injury Potential: Investigations by Virtual Testing[C]. The 16thESV Conference, Washington DC, USA,2005.

[3] Van Rooij L, Meissner M, Bhalla K, et al. A Comparative Evaluation of Pedestrian Kinematics and Injury Prediction for Adults and Children upon Impact with a Passenger Car[C]. SAE Paper 2004-01-1606.

[4] Forbes P, Rooij L V, Rodarius C, et al. Child Human Model Development: a Hybrid Validation Approach[C]. ICrash-International Conference of Crashworthiness, Kyoto, Japan,2008.

[5] Okamoto M, Takahashi Y, Mori F, et al. Development of Finite Element Model for Child Pedestrian Protection[C]. 18thESV Conference, Nagoya, Japan,2003.

[6] Mizuno K, Iwata K, Deguchi T, et al. Development of a Three-year-old Child FE Model[J]. Traffic Injury Prevention,2005,6(4):361-371.

[7] 曹立波,蔣彬輝,冒浩杰,等.基于Block-Controlled網(wǎng)格劃分法的兒童胸部建模及驗(yàn)證[J].汽車工程,2014,36(3):298-303.

[8] Jiang B H, Cao L B, Mao H J, et al. Development of a 10-year-old Paediatric Thorax Finite Element Model Validated Against Cardiopulmonary Resuscitation Data[J]. Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering,2014,17(11):1185-1197.

[9] Melvin J W, Weber K. Review of Biomechanical Impact Response and Injury in the Automotive Environment[R]. Ann Arbor, MI: University of Michigan, Transportation Research Institute,1985.

[10] Lau I V, Viano D C. The Viscous Criterion-bases and Applications of an Injury Severity Index for Soft Tissues[C]. The 13th Stapp Car Crash Conference, Warrendale, PA: Society of Automotive Engineering,1986,123-142.

[11] Patrick L, Mertz H, Kroell C. Cadaver Knee, Chest and Head Impact Loads[C]. SAE Paper 670913.

[12] Ouyang J, Zhao W, Xu Y, et al. Thoracic Impact Testing of Pediatric Cadaveric Subjects[J]. J. Trauma,2006,61(6):1492-1500.

[13] Kent R, Salzar R, Kerrigan J, et al. Pediatric Thoracoabdominal Biomechanics[J]. Stapp Car Crash J,2009,53:373-401.

[14] Kent R, Lopez-Valdes F J, Lamp J, et al. Characterization of the Pediatic Chest and Abdomen Using Three Post-mortem Human Subjects[C]. 22ndESV Conference, Washington, DC,2011.

[15] Parent D P, Crandall J R, Bolton J R, et al. Comparison of Hybrid III Child Test Dummies to Pediatric Pmhs in Blunt Thoracic Impact Response[J]. Traffic Injury Prevention,2010,11(4):399-410.

[16] Kimpara H, Lee J B, Yang K H, et al. Effects of Body Weight, Height, and Rib Cage Area Moment of Inertia on Blunt Chest Impact Response[J]. Traffic Injury Prevention,2010,11(2):207-214.

[17] Kroell C K, Schneider D C, Nahum A M. Impact Tolerance and Response of the Human Thorax II[C]. The 18th Stapp Car Crash Conference, Warrendale, PA: Society of Automotive Engineers,1974,383-458.

[18] Ruan J, El-Jawahri R, Chai L, et al. Prediction and Analysis of Human Thoracic Impact Responses and Injuries in Cadaver Impacts Using a Full Human Body Finite Element Model[J]. Stapp Car Crash J,2003,47:299-321.

[19] Murakami D, Kobayashi S, Torigaki T, et al. Finite Element Analysis of Hard and Soft Tissue Contributions to Thoracic Response: Sensitivity Analysis of Fluctuations in Boundary Conditions[J]. Stapp Car Crash J,2006,50:169-189.

[20] Li Z P, Kindig M W, Subit D, et al. Influence of Mesh Density, Cortical Thickness and Material Properties on Human Rib Fracture Prediction[J]. Medical Engineering & Physics,2010,32(9):998-1008.

[21] Currey J D, Butler G. The Mechanical Properties of Bone Tissue in Children[J]. J Bone Joint Surg Am,1975,57(6):810-814.

[22] Gayzik F S. Development of a Finite Element Based Injury Metric for Pulmonary Contusion[D]. North Carolina, Wake Forest University,2008.

[23] Yamada H. Strength of Biological Materials[M]. Baltimore: Williams & Wilkins,1970.

Simulation Study on Pediatric Thoracic Injury Criteria

Jiang Binhui1, Deng Yufang1, Mao Haojie2, Yang Kinghay2& Cao Libo1

1.HunanUniversity,StateKeyLaboratoryofAdvancedDesignandManufacturingforVehicleBody,Changsha410082; 2.BioengineeringCenter,WayneStateUniversity,Detroit48201

In this paper, in view of the inadequate research on child injury criteria and tolerance limits, the data of two unique dynamic experiments available on pediatric thoracic injury are taken as references, and by comparing the deflection-force curves of child thorax obtained from simulation with that by experiments, the dynamics response of finite element model for 10 year old child thorax previously built by authors is verified, and the relationships between the stress-strain calculated with the model and the injuries of bones and viscera observed in experiments are analyzed. The results demonstrate that the deflection-force curves of child thorax obtained by simulation well agree with that by experiments and the strain failure criteria can effectively predict the injuries of bones and viscera. The thoracic compression criteria and viscous criteria for adult can be used to predict the injury of child thorax, however, the injury tolerance limits of child are lower than that of adult.

child thorax model; thoracic injury analysis; finite element simulation

*國(guó)家自然科學(xué)基金(11172099)、國(guó)家青年科學(xué)基金(51405148)和湖南大學(xué)青年教師成長(zhǎng)計(jì)劃資助。

原稿收到日期為2012年11月23日，修改稿收到日期為2014年2月21日。