兒童頭部有限元模型研究進(jìn)展

崔世海 陳 越 李海巖 阮世捷

(天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222)

兒童頭部有限元模型研究進(jìn)展

崔世海*陳 越 李海巖 阮世捷

(天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222)

頭部損傷是導(dǎo)致兒童死亡與傷殘的重要原因，對兒童頭部損傷生物力學(xué)的深入研究意義重大。近年來，通過構(gòu)建真實(shí)的兒童頭部有限元模型來研究兒童頭部損傷的方法日益成熟，逐步代替了尸體實(shí)驗(yàn)、動物實(shí)驗(yàn)以及物理實(shí)驗(yàn)。對兒童頭部有限元模型的年齡特點(diǎn)、構(gòu)建方法、模型應(yīng)用以及發(fā)展趨勢等進(jìn)行較為全面的綜述，并對該領(lǐng)域還有待研究的內(nèi)容以及未來的發(fā)展方向做出展望。

兒童頭部； 有限元模型； 損傷生物力學(xué)

引言

兒童頭部損傷是導(dǎo)致其死亡與傷殘的重要原因，失足跌落、交通意外、暴力傷害以及體育運(yùn)動損害都是誘發(fā)顱腦損傷較常見的幾種形式[1]。兒童頭部損傷生物力學(xué)的研究晚于成人，研究方法主要有尸體實(shí)驗(yàn)、動物實(shí)驗(yàn)、建立力學(xué)分析分析模型以及建立頭部有限元分析模型[2]。

近幾十年來，構(gòu)建真實(shí)的人類頭部有限元仿真模型已成為人類頭部損傷生物力學(xué)研究的重要手段，隨著幾何模型提取方法及有限元網(wǎng)格構(gòu)建方法的日趨成熟，有限元法已經(jīng)逐步推廣到兒童頭部損傷生物力學(xué)的研究，并成為主要研究方法。原因主要有4點(diǎn)：其一，相對于成人來說，限于倫理道德方面，兒童尸體樣本的獲得相當(dāng)困難，即使獲得樣本，也只能進(jìn)行單樣本的個體實(shí)驗(yàn)，但單樣本特征并不能表征全體樣本，而且尸體實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不能呈現(xiàn)出與活人相同的病理學(xué)變化以及組織破壞，這體現(xiàn)了尸體實(shí)驗(yàn)的局限性；其二，將人體頭部簡化為力學(xué)模型，首先不能顯示頭部受到某種載荷條件下的生理學(xué)變化，其次力學(xué)模型在生物仿真度方面也存在較大的局限性；其三，雖然動物實(shí)驗(yàn)可以觀察到生物體的病理學(xué)變化，也可以將動物樣本的耐受極限及損傷閾值通過統(tǒng)計學(xué)方法換算到人體，但動物與人體之間生物組織材料參數(shù)的相關(guān)性還需要大量的尸體實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證和推理，且換算方法及縮放系數(shù)還需進(jìn)一步精確；其四，有限元模型既能保證逼真的生物仿真度，又能通過仿真計算所得到的動力學(xué)參數(shù)及應(yīng)力應(yīng)變分布反映出顱腦損傷區(qū)域以及損傷程度，且模型可反復(fù)利用，研究不同載荷條件下或不同顱腦組織材料參數(shù)對頭部響應(yīng)的影響，這對兒童頭部損傷機(jī)理及耐受極限的研究具有重大意義。

本研究基于國內(nèi)外近幾十年來針對兒童頭部損傷生物力學(xué)研究領(lǐng)域所構(gòu)建的兒童頭部有限元模型進(jìn)行綜述，從有限元模型的構(gòu)建方法、單元屬性、驗(yàn)證方法、模型應(yīng)用以及頭部組織材料參數(shù)分析等方面進(jìn)行論述，分析模型的優(yōu)缺點(diǎn)，并對模型的發(fā)展趨勢、研究方法以及應(yīng)用創(chuàng)新等做出展望。

1 兒童頭部解剖學(xué)特征

兒童頭部解剖學(xué)結(jié)構(gòu)不同于成人[3]，隨著年齡的變化，兒童頭部解剖學(xué)特征不斷發(fā)生改變。在顱骨方面，胎兒頭部在孕育過程中逐漸骨化，形成腦顱及面顱，出生后新生兒顱骨通過骨縫以及囟門連接[4]。從出生到2歲是兒童頭部的快速發(fā)育階段[5]，嬰兒顱骨骨縫及囟門逐漸閉合，3歲左右完成閉合。3歲左右，兒童顱骨開始出現(xiàn)分層，隨年齡增長，顱骨逐漸分為3層，其中內(nèi)板和外板為密質(zhì)骨，中間層的板障為松質(zhì)骨，且顱骨剛度也隨年齡的增長而增大[6]。在腦組織方面，兒童腦組織生理學(xué)參數(shù)(如脫氧核糖核苷酸聚合酶含量、水含量及脂質(zhì)類含量)在2歲時已接近于成人[7-8]，整體腦組織體積增長速率開始減緩，但腦組織結(jié)構(gòu)還會隨年齡增長發(fā)生比較大的變化；4歲之后，側(cè)腦室與腦白質(zhì)體積會大幅增加，而腦灰質(zhì)體積會隨之下降[9]。

綜上所述，兒童頭部并不是縮小版的成人頭部，人類從胎兒到成人的過程中，頭部歷經(jīng)解剖學(xué)結(jié)構(gòu)以及顱腦組織材料參數(shù)的重大變化，因此從成人頭部有限元模型采用縮放方法得到兒童頭部模型在應(yīng)用上具有一定的局限性，構(gòu)建真實(shí)的兒童頭部有限元模型對兒童頭部損傷生物力學(xué)的研究具有重大意義。

2 兒童頭部有限元模型研究進(jìn)展

在過去40年里，不同課題組的研究人員構(gòu)建出許多版本的兒童頭部有限元模型，構(gòu)建方法分為兩種，Roth和Mizuno等[10-11]通過縮放方法利用成人頭部有限元構(gòu)建了兒童頭部有限元模型，但絕大部分兒童頭部模型是通過提取兒童頭部CT幾何數(shù)據(jù)構(gòu)建而成的。頭部有限元模型的年齡跨度從胎兒到10歲不等，但主要集中于新生兒、1歲以下嬰兒、3、6歲以及10歲這幾個年齡段，與美國及歐盟汽車碰撞試驗(yàn)用兒童假人[12]的年齡相對應(yīng)。以下針對不同年齡段的兒童頭部有限元模型及其應(yīng)用進(jìn)行分類綜述。

2.1 胎兒頭部模型

胎兒在分娩過程中，產(chǎn)道的擠壓力可能使胎兒頭部產(chǎn)生過度變形，從而導(dǎo)致胎兒發(fā)生顱腦損傷。胎兒頭部有限元模型主要應(yīng)用于研究胎兒在分娩過程當(dāng)中的顱骨變形以及受力情況，從而為臨床上由于胎兒頭部過度變形所引起的顱腦損傷提供診斷依據(jù)。

1980年，Mcpherson等構(gòu)建了一個粗略的胎兒頂骨有限元模型[13]。運(yùn)用該模型模擬胎兒頂骨在分娩過程中所發(fā)生的變形，研究表明，同一載荷條件下早產(chǎn)兒頂骨應(yīng)變要比足月兒頂骨大2～4倍。2001年，Lapeer等構(gòu)建了一個較為復(fù)雜的胎兒頭部有限元模型[14]。該模型采用四面體單元劃分，用來模擬胎兒在第一產(chǎn)程中的顱骨變形，仿真所得的顱骨位移同臨床數(shù)據(jù)相吻合，從而后續(xù)研究可利用該模型對第二產(chǎn)程當(dāng)中的顱骨變形進(jìn)行預(yù)測。該模型的具體屬性見表1。

表1 胎兒頭部模型屬性

由于顱腦損傷使胎兒死亡的案例極少，現(xiàn)有的胎兒頭部模型只包含頭部骨骼，尚未有文獻(xiàn)資料記載包含腦組織的胎兒頭部模型，且關(guān)于胎兒頭部有限元模型的研究較少，所以迄今為止胎兒顱腦損傷的研究僅停留在頭部骨骼的變形及損傷。

2.2 新生兒頭部模型

1999—2010年，Prange、Margulies和Roth等[15-17]相繼構(gòu)建了剛出生兩周、1個月和出生17天的新生兒頭部有限元模型，3個模型的具體屬性見表2。

Prange的模型只構(gòu)建了一層2 mm厚的顱腦冠狀中切面，Margulies的模型也只是一個半球狀頭部，如圖1所示。只有Roth建立的模型具有較詳細(xì)的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)和較高的仿真度，并應(yīng)用該模型重構(gòu)了Prange的兒童尸體實(shí)驗(yàn)[18]，其中包括頭部壓縮實(shí)驗(yàn)以及跌落實(shí)驗(yàn)，仿真結(jié)果同尸體實(shí)驗(yàn)結(jié)果在趨勢上完全相同，但壓縮仿真的接觸力和跌落仿真的頭部峰值加速度都比尸體實(shí)驗(yàn)稍高。這是由于尸體實(shí)驗(yàn)樣本是取自出生3～11天的新生兒，而有限元模型是依據(jù)出生17天的新生兒頭部CT數(shù)據(jù)構(gòu)建的，后者的顱骨剛度以及頭部質(zhì)量都比尸體實(shí)驗(yàn)樣本稍大，從而能合理地解釋實(shí)驗(yàn)與仿真的結(jié)果差異，證明了模型的有效性。

表2 新生兒頭部模型屬性

圖1 17天大的嬰兒頭部有限元模型[17]Fig.1 Finite element model of a 17-day-old infant head[17]

表3 6個月嬰兒頭部模型屬性

由于倫理道德等原因，獲得新生兒腦組織樣本的難度較大，鮮有關(guān)于新生兒腦組織材料參數(shù)的研究文獻(xiàn)，新生兒頭部模型中腦組織材料參數(shù)的選取大多是縮放成人腦組織參數(shù)，其具體材料參數(shù)的確定還需進(jìn)行大量的兒童腦組織材料實(shí)驗(yàn)。

2.3 嬰兒頭部模型

2002—2013年，Klinich、Guan、Roth和Li等[4,19-22]相繼構(gòu)建了6個月嬰兒頭部有限元模型，模型屬性見表3。圖2所示為Li的模型，其解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的劃分是這些模型當(dāng)中最為詳細(xì)的。

圖2 6個月兒童頭部有限元模型[22]。(a) 腦組織； (b) 腦顱、面顱、骨縫；(c) 腦膜、頭皮Fig.2 Finite element model of a 6-month-old child head[22]. (a) Brain tissue; (b) Skull, Face, Suture; (c) Membrance, Scalp

Klinich利用6個月嬰兒頭部模型，重構(gòu)3例兒童頭部受到側(cè)前方安全氣囊撞擊而造成顱骨骨折或頭部損傷的事故；以計算得出的第一主應(yīng)力、第三主應(yīng)力以及von Mises應(yīng)力作為損傷閾值，對顱骨骨折進(jìn)行風(fēng)險評估。結(jié)果表明，當(dāng)?shù)谝恢鲬?yīng)力、第三主應(yīng)力以及von Mises應(yīng)力分別為40～55 MPa、-75～-105 MPa以及82～100 MPa之間時，有50%的幾率發(fā)生骨折。

Guan將Duhaime的尸體實(shí)驗(yàn)[23]所測得的沖擊載荷加載到6個月嬰兒頭部模型上，并與Margulies在同樣載荷條件下所得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[16]相對比。結(jié)果顯示，兩個實(shí)驗(yàn)的顱骨位移幾乎一致，且都呈現(xiàn)出顱骨位移隨著樣本年齡減小而增大的規(guī)律，由此驗(yàn)證了模型的有效性。但是，該模型整體都是用四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分的，其計算精度與計算效率相對較低。

Roth利用6個月嬰兒模型分別進(jìn)行沖擊和轉(zhuǎn)動實(shí)驗(yàn)，結(jié)果是轉(zhuǎn)動實(shí)驗(yàn)所測得的顱內(nèi)壓力與腦組織剪應(yīng)力要比沖擊試驗(yàn)的結(jié)果小得多，但兩種實(shí)驗(yàn)所測得的橋靜脈最大應(yīng)變幾乎相等，說明無論是在沖擊載荷還是轉(zhuǎn)動載荷條件下，都有可能發(fā)生橋靜脈的破裂，從而導(dǎo)致硬膜下出現(xiàn)出血癥狀。

Li的研究先對模型的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證，然后分析顱骨、骨縫、腦膜、頭皮以及腦組織材料參數(shù)的變化對顱腦響應(yīng)的影響。結(jié)果表明，顱骨和頭皮彈性模量的變化對頭部峰值加速度、HIC值、最大von Mises應(yīng)力以及顱骨最大主應(yīng)變具有顯著性影響。

除了6個月嬰兒頭部模型，2007和2011年，Coats和Li等還構(gòu)建了1.5個月、3個月嬰兒頭部有限元模型，并通過重構(gòu)兒童尸體實(shí)驗(yàn)對模型的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證[24-25]。

2.4 3歲兒童頭部模型

2007—2013年，Roth[6,10]、曹立波[26]等相繼構(gòu)建了3歲兒童頭部有限元模型，其具體屬性見表4。其中，曹立波構(gòu)建的模型是解剖學(xué)結(jié)構(gòu)劃分最為詳細(xì)的兒童頭部模型之一，見圖3。該研究運(yùn)用多剛體動力學(xué)軟件，對一典型跌落事故進(jìn)行重構(gòu)，并仿真事故邊界條件，其仿真得到的顱內(nèi)壓梯度云圖印證了對沖原理，且顱骨模型的單元失效部位同真實(shí)事故損傷部位相吻合，進(jìn)而驗(yàn)證了該模型的有效性。

表4 3歲兒童頭部模型屬性

圖3 3歲兒童頭部有限元模型[26]。(a) 腦顱、面顱、腦膜； (b) 腦組織Fig.3 Finite element model of a 3-year-old child head[26]. (a) Skull, Face, Membrance; (b) Brain tissue

Roth通過縮放成人頭部模型和基于3歲兒童頭部真實(shí)CT數(shù)據(jù)兩種方法，構(gòu)建了3歲兒童頭部模型。分別對這兩種方法構(gòu)建的頭部模型施加同樣的載荷，結(jié)果顯示兩個模型所計算出來的顱內(nèi)壓力和腦組織von Mises應(yīng)力最大差異達(dá)到了15%，而且出現(xiàn)應(yīng)力集中的位置也不同。這是由于兩個模型解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的差異所導(dǎo)致，縮放得來的頭部輪廓尺寸同真實(shí)兒童存在較大差異，且模型質(zhì)量以及轉(zhuǎn)動慣量都不相同，進(jìn)而說明兒童并不是縮小版的成人，縮放法得來的有限元模型具有局限性，強(qiáng)調(diào)了構(gòu)建真實(shí)兒童頭部有限元模型的重要性。由于缺少兒童尸體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，Roth還重構(gòu)了25 例兒童跌落事故，將計算結(jié)果利用回歸風(fēng)險曲線進(jìn)行統(tǒng)計分析，結(jié)果表明腦組織von Mises應(yīng)力可作為預(yù)測真實(shí)事故中兒童發(fā)生腦神經(jīng)損傷的重要手段，其超過48 kPa時可能發(fā)生中度腦神經(jīng)損傷。

2005年，Mizuno[11]將成人第50百分位整身有限元模型縮放成3歲兒童整身有限元模型，但由于該研究并不針對于兒童頭部損傷，所以頭部結(jié)構(gòu)過于簡化，且網(wǎng)格尺寸較大，不適用于兒童頭部損傷生物力學(xué)的研究。

2.5 6歲兒童頭部模型

隨著兒童頭部模型構(gòu)建方法的日趨成熟，以及有限元法在兒童頭部損傷生物力學(xué)研究領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，2012—2014年，阮世捷、楊啟帆、李向楠等國內(nèi)學(xué)者[27-29]相繼構(gòu)建了多個6歲兒童頭部有限元模型，并通過重構(gòu)成人及兒童尸體實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證模型的有效性，模型的具體屬性見表5。其中，李向楠所構(gòu)建的模型對6歲兒童頭部解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的劃分最為詳細(xì)，見圖4。

表5 6歲兒童頭部模型屬性

圖4 6歲兒童頭部有限元模型[29]Fig.4 Finite element model of 6-year-old child head[29]

2.6 10歲兒童頭部模型

2014年，曹立波等構(gòu)建了一個10歲兒童頭部有限元模型[30]。該模型從構(gòu)建方法、解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的劃分以及研究方法都與該課題組所構(gòu)建的3歲兒童頭部有限元模型[26]相一致，通過對跌落事故重構(gòu)的方法對模型的有效性進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明,顱骨的最大應(yīng)力、最大應(yīng)變的分布位置和撞擊位置高度吻合，且與受害者損傷情況基本吻合，并利用顱內(nèi)壓力及von Mises應(yīng)力對損傷情況進(jìn)行預(yù)測。

3 結(jié)論與展望

3.1 結(jié)論

40年來，通過建立兒童頭部有限元模型來研究兒童頭部損傷的方法日益成熟，這類模型的總體發(fā)展趨勢及應(yīng)用呈現(xiàn)出如下特點(diǎn)：

1)模型從簡易的二維模型，發(fā)展到具有精確解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的三維模型。

2)隨著各種有限元前處理軟件在網(wǎng)格構(gòu)建技術(shù)方面的突破，建模方法從自動劃分逐步發(fā)展到手動劃分，且單元類型逐步由自動劃分出來的四面體單元發(fā)展到手動劃分出來的六面體單元。六面體網(wǎng)格不僅能體現(xiàn)出兒童頭部逼真的幾何特征，且計算效率及精度較四面體單元高，目前國內(nèi)較成熟的構(gòu)建六面體網(wǎng)格頭部有限元模型的軟件流程如表6所示。

表6 有限元模型構(gòu)建流程

3)頭部組織材料實(shí)驗(yàn)不斷增加，為頭部模型各組織材料參數(shù)的選取提供了更多依據(jù)。

4)驗(yàn)證模型有效性的方法越來越多樣化，對比數(shù)據(jù)從最初的三點(diǎn)彎曲材料實(shí)驗(yàn)發(fā)展到尸體碰撞實(shí)驗(yàn)以及頭部損傷事故數(shù)據(jù)。

5)應(yīng)用模型對兒童頭部損傷的研究由外到內(nèi)，從顱骨骨折發(fā)展到硬膜下出血以及大腦皮層挫傷，再到腦神經(jīng)損傷，后續(xù)研究還包括了顱腦組織材料的參數(shù)分析、不同年齡段兒童頭部解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的差異分析、不同載荷條件下顱腦響應(yīng)和應(yīng)力分布的差異分析，以及兒童頭部損傷閾值的預(yù)測等。

3.2 展望

兒童頭部有限元模型經(jīng)過幾十年的發(fā)展，構(gòu)建方法日趨成熟，解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的劃分越來越詳細(xì)，模型仿真度越來越高，但應(yīng)用兒童頭部有限元模型研究兒童頭部損傷生物力學(xué)的方法還需進(jìn)一步完善。鑒于前人的科研成果和實(shí)際工程需要，本研究對以下幾個方面做出展望。

1)迄今為止，科研人員對兒童頭部損傷的研究大多集中在顱骨和大腦皮層，若要研究兒童腦深部損傷機(jī)理(如腦震蕩等臨床病理)，需要對兒童頭部有限元模型的腦深部解剖學(xué)結(jié)構(gòu)劃分得更加詳細(xì)，模型要包括海馬體、胼胝體、腦室、間腦、丘腦等腦深部組織在內(nèi)。

2)伴隨模型解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的劃分越來越詳細(xì)，材料參數(shù)的選取也需細(xì)化，包括腦組織材料灰質(zhì)與白質(zhì)的區(qū)分、顱骨材料皮質(zhì)骨與松質(zhì)骨的區(qū)分等。

3)在構(gòu)建方法上，既要滿足幾何模型，保證模型的仿真度，又要確保計算高效率以及計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，這對單元類型的選擇提出了更高要求。雖然四面體單元對幾何曲面的貼合度很高，但計算效率低，且應(yīng)力結(jié)果不夠精確。六面體單元在計算效率以及計算精度方面都優(yōu)于四面體單元，但在構(gòu)建曲率較大的腦組織深部結(jié)構(gòu)時，為了保證整個腦組織共節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建出來的模型永遠(yuǎn)呈現(xiàn)單元階梯型，與幾何表面并不完全貼合，這會導(dǎo)致腦深部各組織材料之間沒有過渡，計算時容易產(chǎn)生應(yīng)力奇異。所以，開發(fā)出適合損傷生物力學(xué)研究領(lǐng)域的單元類型是迫切需要的。

4)目前，大多數(shù)學(xué)者都是獨(dú)自建立單個年齡段的兒童頭部模型，沒有通過建立系列兒童頭部模型來分析兒童成長過程對兒童頭部損傷的影響。而湖南大學(xué)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)相繼建立了1.5、3、6和10歲4個年齡的頭部模型，并且力求各模型的網(wǎng)格劃分具有一致性，以便在同樣載荷下進(jìn)行損傷對比分析。這種構(gòu)建系列兒童頭部有限元模型的方法可以深入研究兒童頭部損傷與兒童年齡的相關(guān)性，而且這種網(wǎng)格的一致性排除了不同構(gòu)建方法或網(wǎng)格密度給計算結(jié)果帶來的誤差。所以，應(yīng)用系列有限元模型來研究兒童頭部損傷，應(yīng)是今后研究的發(fā)展方向。

5)目前，還沒有完全適合顱-腦邊界條件的接觸算法[31]，還需進(jìn)一步對顱腦邊界條件的設(shè)定進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)和論證。

6)對模型的應(yīng)用還需拓寬，研究人員不應(yīng)僅僅停留在模型的構(gòu)建和驗(yàn)證，還應(yīng)與航空航天、汽車安全、交通損傷、頭部保護(hù)裝置的開發(fā)等領(lǐng)域廣泛結(jié)合。

綜上所述，在兒童頭部有限元模型的構(gòu)建方法以及應(yīng)用方面還有很大的發(fā)展空間，而具有詳細(xì)解剖學(xué)結(jié)構(gòu)和高仿真度的有限元模型能夠提供精確的計算結(jié)果及仿真動態(tài)，反復(fù)利用模型來模擬不同邊界條件下的顱腦受力狀態(tài)，可彌補(bǔ)尸體實(shí)驗(yàn)與動物實(shí)驗(yàn)的局限性。

[1] Hyde P, Eddie M, Langford E. The acute management of children′s brain injuries[J]. Paediatrics and Child Health, 2014, 24(10): 452-456.

[2] 趙瑋, 阮世捷, 李海巖. 應(yīng)用于頭部損傷生物力學(xué)研究的三維有限元模型發(fā)展概況[J]. 中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報, 2011, 30(1): 110-119.

[3] Christ A, Kainz W, Hahn EG, et al. The virtual family development of anatomical CAD models of two adults and two children for dosimetric simulations[J]. Physics in Medicine & Biology, 2009, 55(2):23-38.

[4] Desantis KK, Hulbert GM, Schneider LW. Estimating infant head injury criteria and impact response using crash reconstruction and finite element modeling[J]. Stapp Car Crash Journal, 2002, 46: 165-194.

[5] 廖亞平. 兒童解剖學(xué)[M]. 上海：上?？萍汲霭嫔? 1987:84-88.

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

[7] Thibault KL, Margulies SS. Age-dependent material properties of the porcine cerebrum: effect on pediatric inertial head injury criteria[J]. Journal of Biomechanics, 1999, 31(12):1119-1126.

[8] Dobbing J, Sands J. Quantitative growth and development of human brain[J]. Archives of Disease in Childhood, 1973, 48(10): 757-767.

[9] Crandall JR, Myers BS, Meaney DF, et al. Pediatric Injury Biomechanics[J]. Springer Berlin, 2012, 59:44-49.

[10] Roth S, Raul JS, Ruan J, et al. Limitation of scaling methods in child head finite element modeling [J]. International Journal of Vehicle Safety, 2007, 2(4): 404-421.

[11] Mizuno K, Iwata K, Deguchi T, et al. Development of a three-year-old child FE model[J]. Traffic Injury Prevention, 2006, 6(4):361-371.

[12] 陳玉忠, 尹彥, 張曉瑞. 汽車碰撞假人制度體系研究[J]. 標(biāo)準(zhǔn)科學(xué), 2013(11):58-61.

[13] Mcpherson GK, Kriewall TJ. Fetal head molding: an investigation utilizing a finite element model of the fetal parietal bone.[J]. Journal of Biomechanics, 1980, 13(1):17-26.

[14] Lapeer R, Prager R. Fetal head moulding: finite element analysis of a fetal skull subjected to uterine pressures during the first stage of labour[J]. Journal of Biomechanics, 2001, 34(9):1125-1133.

[15] Prange MT, Brittany C, Ann-Christine D, et al. Anthropomorphic simulations of falls, shakes, and inflicted impacts in infants[J]. Journal of Neurosurgery Publishing Group, 2009, 99(1):143-150.

[16] Margulies SS, Thibault KL. Infant skull'and suture properties: measurements and implications for mechanisms of pediatric brain injury[J]. J Biomech Eng, 2000, 122(4):364-371.

[17] Roth S, Raul JS, Willinger R. Finite element modelling of paediatric head impact: Global validation against experimental data[J]. Computer Methods & Programs in Biomedicine, 2010, 99(1):25-33.

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

[19] Guan Y, Zhang J, Yoganandan N, et al. Automating 3D meshing method for patient-specific modeling[J]. Biomedical Sciences Instrumentation, 2006, 42:199-204.

[20] Roth S, Raul JS, Ludes B, et al. Finite element analysis of impact and shaking inflicted to a child[J]. International Journal of Legal Medicine, 2007, 121(3):223-228.

[21] Roth S, Raul JS, Willinger R. Biofidelic child head FE model to simulate real world trauma[J]. Computer Methods & Programs in Biomedicine, 2008, 90(3):262-274.

[22] Li Zhigang, Luo Xiao, Zhang Jinhuan. Development/global validation of a 6-month-old pediatric head finite element model and application in investigation of drop-induced infant head injury[J]. Computer methods and programs in biomedicine, 2013, 112(3): 309-319.

[23] Duhaime AC, Gennarelli TA, Thibault LE, et al. The shaken baby syndrome: a clinical, pathological, and biomechanical study[J]. Journal of Neurosurgery, 1987, 66(3): 409-415.

[24] Coats B, Margulies SS, Ji S. Parametric study of head impact in the infant[J]. Stapp Car Crash Journal, 2007, 51: 1-15.

[25] Li Zhigang, Hu Jingwen, Reed MP, et al. Development, validation, and application of a parametric pediatric head finite element model for impact simulations[J]. Annals of Biomedical Engineering, 2011, 39(12):2984-2997.

[26] 曹立波, 高海濤, 冒浩杰,等. 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.

[27] 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]. 中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報, 2012, 31(4): 502-506.

[28] 楊啟帆. 六歲兒童頭部有限元模型的建立及驗(yàn)證[D]. 長沙：湖南大學(xué), 2013.

[29] 李向楠. 兒童行人頭部有限元模型的碰撞仿真分析及顱腦損傷機(jī)理研究[D]. 天津：天津科技大學(xué)，2014.

[30] 曹立波, 周舟, 蔣彬輝, 等. 10歲兒童頭部有限元模型的建立及驗(yàn)證[J]. 中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報, 2014, 31(1): 63-70.

[31] 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.

Research Progress on Child Head Finite Element Model

Cui Shihai*Chen Yue Li Haiyan Ruan Shijie

(CollegeofMechanicalEngineering,TianjinUniversityofScienceandTechnology,Tianjin300222,China)

Head injury is the main factor that leads to children′s death or disability. Therefore, research on children′s head injury biomechanics is of great significance. Recently, more and more investigations focus on using finite element child models to study the head injury, which can replace cadaveric experiments, animal experiments and physical experiments to some extents. This paper systematically summarized the progress of child head finite element model from the views of child age characteristics, model developing methods and model application. Also, further research aspects and topics on finite element models were also proposed.

child head; finite element model; injury biomechanics

10.3969/j.issn.0258-8021. 2016. 06.014

2015-06-20， 錄用日期:2016-03-20

國家自然科學(xué)基金(81201015，81471274，81371360)

R318

A

0258-8021(2016) 06-0737-07

*通信作者(Corresponding author)， E-mail: shihaicui@tust.edu.cn