乘員與安全氣囊初始距離對輕度腦損傷的影響*

李海巖，李鑫杰，崔世海，賀麗娟，阮世捷，呂文樂

（天津科技大學，現(xiàn)代汽車安全技術國際聯(lián)合研究中心，天津 300222）

前言

創(chuàng)傷性腦損傷（traumatic brain injury，TBI）是指頭顱部位尤其是腦組織受到外力撞擊時引起的腦部損傷。顱腦損傷在平時和戰(zhàn)爭均常見，僅次于四肢損傷，其導致的死亡率和傷殘率在所有損傷中占據(jù)首位，因此顱腦創(chuàng)傷對社會和家庭所造成的危害尤為嚴重。輕度創(chuàng)傷性腦損傷（mTBI）是最常見的腦損傷類型，mTBI患者會出現(xiàn)頭痛、疲勞、抑郁、焦慮、緊張和易怒等癥狀，以及認知功能受損。癥狀會在受傷后3個月內自愈，只有一小部分患者會患有持續(xù)性腦震蕩后綜合征（PCS）［1］。康復醫(yī)學會頭部損傷委員會特殊研究組將mTBI定義為由于創(chuàng)傷導致的腦功能生理紊亂，包括：意識喪失、事故前后的短時間失憶、事故發(fā)生時的精神狀態(tài)變化（如眩暈、無方向感、精神紊亂）和暫時性或持續(xù)性神經功能缺損。但這些損傷的嚴重性都不會超過以下指標：喪失知覺（LOC）小于 30 min；格拉斯格昏迷指數(shù)（GCS）在 13－15之間；腦外傷后失憶（PTA）小于24 h［2］。在腦震蕩國際會議上，腦震蕩是指腦部由于受到創(chuàng)傷性外力作用，導致中樞神經系統(tǒng)功能障礙的復雜病理生理現(xiàn)象［3］。mTBI和腦震蕩的定義和認定方法的多變性對其研究產生了很大的影響，這也限制了輕度創(chuàng)傷性腦損傷的流行病學研究。目前，關于這兩個名詞的定義一般認為：腦震蕩主要是指功能上的損傷，輕度創(chuàng)傷性腦損傷主要是結構和功能損傷［4］。在運動醫(yī)學中，通常將腦震蕩歸屬于輕度創(chuàng)傷性腦損傷，本文中就遵循這一原則。顱腦損傷涉及腦組織中的白質和大腦半球，尤其是白質受沖擊后會發(fā)生變形和破壞導致彌散性軸索損傷（DAI）。顱腦損傷后的病理學檢查表明，損傷表現(xiàn)為白質中軸索腫脹或斷裂［5］。盡管DAI的機理尚不明確，但普遍認為當腦組織受到加速或減速后，腦組織的變形會改變細胞膜的通透性，超過一定閾值時會產生DAI［6］，世界衛(wèi)生組織指出近年來腦震蕩等輕度創(chuàng)傷性腦損傷在呈上升趨勢［7］。

伴隨著計算機技術的不斷發(fā)展和完善，有限元方法在研究頭部腦損傷領域起重要作用。Kleiven［8］通過重建分析了58例國家美式橄欖球聯(lián)盟（national football league，NFL）案例，將計算結果利用回歸風險曲線進行統(tǒng)計分析，對輕度創(chuàng)傷性腦損傷的腦組織應變、應變率、von Mises應力、顱內壓和灰質處壓力等影響因子進行相關性分析，結果顯示大腦灰質處壓力有著較高的相關性，當大腦灰質處壓力達到65.8 kPa時有50%概率會引發(fā)腦震蕩。Shreiber等［9］提出腦組織von Mises應力達到6～11 kPa時會發(fā)生腦挫傷。Anderson等［10］通過研究羊的大腦損傷得出腦組織von Mises應力為8～16 kPa時會發(fā)生DAI。Kleiven［8］研究表明，胼胝體 von Mises應力達到8.4 kPa時有50%概率引發(fā)腦震蕩。Willinger等［11］通過分析22例NFL案例得出，當腦組織von Mises應力達到18 kPa時有50%的概率會引發(fā)腦震蕩。Zhang等［12］研究了體育比賽中美式橄欖球球員頭部發(fā)生的損傷案例，得出腦剪切應力值達到6.0、7.8和10.0 kPa時，分別有25%、50%和80%的概率出現(xiàn)輕度腦損傷。Bain等［13］通過中樞神經系統(tǒng)白質損傷試驗來探究軸索損傷的腦組織水平閾值，結果表明，在豚鼠體內造成軸突損傷白質的應變閾值為0.13，同時指出，采用不同的腦組織的材料參數(shù)下的應變值會發(fā)生改變。Galbraith等［14］用烏賊進行軸突損傷的研究，表明腦組織最大應變?yōu)?.10可導致軸突可逆損傷，這可作為烏賊腦震蕩的近似和保守閾值。Takhounts等［15］給出了基于腦組織最大主應變（MPS）對應的簡明創(chuàng)傷（AIS）等級顱腦損傷風險曲線，當腦組織最大主應變?yōu)?.45時，發(fā)生輕度腦損傷的概率為50%。

現(xiàn)階段由于乘員的個體差異，乘員在乘車時即使合理使用安全帶也會因調整座椅位置和角度而導致頭部與安全氣囊的正常距離發(fā)生改變，出現(xiàn)離位的情況。因此，本研究基于已構建且經過有效性驗證的我國50百分位頭部有限元模型，模擬在使用安全帶工況下，頭部與安全氣囊不同距離時頭部運動學特征，對比其力學指標，探究顱腦響應參數(shù)的變化。

1 材料與方法

圖1 具有詳細解剖學結構我國假人50百分位頭部有限元模型

1.1 50百分位成人頭部模型和安全氣囊模型

研究采用Zhao等［16］構建且經過有效性驗證的具有詳細解剖學結構的成人50百分位頭部有限元模型，如圖1所示。該模型包括灰質、白質、胼胝體、3層腦脊液、腦膜、腦室和腦干等較完整的解剖學結構。其包含113 276個單元，質量為4.3 kg，長度為178.899 mm，寬度為142.955 mm。安全氣囊采用崔世海等［17］試驗中使用的模型。

1.2 仿真試驗條件設置

參考Meyer等［18］的試驗設置，頭部與安全氣囊質心上下距離42 mm。崔世海等［17］通過仿真離位狀態(tài)下6歲兒童與安全氣囊的碰撞，提出正常情況下未引爆的氣囊和頭部的最小安全距離約為300 mm。為探究乘員在使用安全帶工況下安全氣囊和頭部的碰撞過程，并考慮不同個體調整座椅存在離位的情況，模擬不同距離時的頭部與安全氣囊的接觸過程。將安全氣囊響應前的質心與乘員頭部距離 d（圖 2）設置為 260、270、280、290、300和310 mm共6種尺寸，使用LS-DYNA軟件進行仿真，計算時間為120 ms。

圖2 頭部的面部與安全氣囊的距離示意圖

2 仿真結果

2.1 仿真過程

圖3為頭部不同時刻的運動學響應過程。其中頭部是無約束的狀態(tài)，由于安全氣囊的拉帶長度是一定的，隨著頭部與安全氣囊距離的減小，顱腦響應參數(shù)會發(fā)生不同程度的變化。

圖3 不同時刻頭部運動學響應

2.2 HIC15值

當前各國安全法規(guī)中普遍將頭部損傷準則（head injury criterion，HIC）作為一項評價頭部損傷的重要指標，其表達式為

式中：a為頭部質心合成加速度，g；t2－t1為HIC取得最大值時的時間間隔，在實際應用中一般選取的時間間隔為15 ms。

目前，大多數(shù)國家將HIC15的損傷值700定為成人和6歲以上兒童頭部沖擊傷害閾值［19］。表1為不同距離時仿真結果的頭部HIC15值。

表1 頭部與安全氣囊的不同距離時HIC15值

2.3 腦灰質處壓力

圖4為不同初始距離時碰撞后的腦灰質處最大壓力云圖。當距離為 260、270、280、290、300和310 mm時腦灰質處最大壓力值分別為112.20、94.04、71.74、61.16、54.58和 45.94 kPa。

2.4 腦組織von Mises應力

圖5為頭部與安全氣囊不同距離時碰撞后的腦組織von Mises應力隨時間的變化。當距離為260、270、280、290、300和 310 mm時腦組織 von Mises應力對應的最大值為 24.22、20.55、19.03、13.01、8.32和4.13 kPa。

2.5 腦剪切應力

圖6為頭部與安全氣囊不同距離時碰撞后的腦剪切應力隨時間的變化。當距離為260、270、280、290、300和310 mm時腦剪切應力最大值為13.62、11.77、9.31、7.50、4.83和 2.74 kPa。

3 討論

由表1可見，當距離為260和270 mm時，HIC15值遠大于損傷閾值700，當距離為280 mm時，HIC15值接近于損傷閾值，而當距離等于或大于290 mm時HIC15值小于損傷閾值?？傊^部與安全氣囊的距離減小，HIC15值變大。

當頭部與安全氣囊距離不同時，由于安全氣囊的拉帶長度一定，隨著頭部與安全氣囊距離的減小，頭部受到安全氣囊的線性沖擊力變大。圖7為Kleiven［8］通過重建分析58例NFL，將計算結果利用回歸風險曲線進行統(tǒng)計分析得出的腦震蕩概率與腦灰質處最大壓力關系圖。將仿真結果利用插值法計算得出組別中灰質處壓力為112.20、94.04、71.74、61.16、54.58和45.94 kPa時所對應的腦震蕩的概率近似為98%、90%、63%、43%、28%和15%。

圖4 不同初始距離時碰撞后腦灰質處壓力云圖

圖5 不同距離時腦組織von Mises應力隨時間的變化

圖6 不同接觸距離時腦組織剪切應力隨時間的變化

由圖5可見，當頭部與安全氣囊距離不同時，腦組織von Mises應力波峰主要集中在30 ms左右。由于頸部沒有約束，頭部與安全氣囊不同距離碰撞后，頭部在受到安全氣囊展開后不同的線性沖擊力下會發(fā)生不同程度的旋轉，導致小腦干處發(fā)生了不同程度的扭曲。當距離為280～290 mm區(qū)間內時腦組織von Mises應力更容易接近Willinger等［11］提出的50%概率會引發(fā)腦震蕩的von Mises應力18 kPa的閾值。

對比圖6和圖5可見，腦剪切應力隨時間變化趨勢基本與腦組織von Mises應力變化趨勢相同，且最大值均出現(xiàn)在小腦干處，與Zhang等［12］試驗結果一致。腦干是中樞神經系統(tǒng)中位于脊髓和間腦的結構，通過對剪切應力云圖分析腦剪切應力越大，小腦干的扭曲變形程度越大，對應顱腦損傷程度也越高。當頭部與安全氣囊的距離減小，頭部受到的線性沖擊力變大，因而更容易發(fā)生旋轉，而旋轉過程中由于腦組織各本構結構之間負荷的慣性不同，角速度和旋轉加速度會不同程度導致腦組織發(fā)生扭曲和移位，進而引發(fā)彌漫性軸索損傷。當初始距離為260、270、280、290、300和310 mm時，腦剪切應力最大值分別為 13.62、11.77、9.31、7.50、4.83和 2.74 kPa。與Zhang等［12］的研究成果相對照，距離為290 mm時腦剪切應力7.50 kPa已低于50%概率會引起輕度腦損傷的閾值7.8 kPa。

通過仿真對比不同距離時頭部與安全氣囊的碰撞過程，來模擬乘員在使用安全帶的工況下，頭部與安全氣囊的距離不同時兩者碰撞后顱腦的響應變化。如表2所示，隨著距離的減小，頭部受到的線性沖擊力變大，頭部顱腦響應參數(shù)如灰質壓力、腦組織von Mises應力和腦剪切應力值等均會增大，導致頭部出現(xiàn)不同程度的損傷。當乘員頭部與安全氣囊的距離為310 mm時，顱腦響應參數(shù)、HIC15值、灰質處壓力、腦組織von Mises應力和腦剪切應力均處于最小值，而當距離大于等于290 mm時腦組織顱腦響應參數(shù)均低于50%概率引發(fā)輕度創(chuàng)傷性腦損傷的閾值。

圖7 腦灰質處壓力與腦震蕩損傷概率的Logistic回歸圖

表2 頭部與安全氣囊不同距離時碰撞后顱腦響應參數(shù)與損傷閾值

4 結論

采用成人50百分位有限元頭部模型，模擬乘員合理使用安全帶情況下改變座椅位置或座椅角度導致頭部與安全氣囊不同距離時碰撞后頭部生物力學各項指標的響應變化，得出以下結論。

（1）隨著頭部與安全氣囊距離的減小，頭部受到的線性沖擊力和顱腦的各項生物響應的最大值均變大，且顱腦損傷程度增高。

（2）當頭部與安全氣囊距離小于290 mm時，腦組織各項響應參數(shù)如腦灰質處壓力、腦組織von Mises應力、腦剪切應力均大于50%概率引發(fā)輕度創(chuàng)傷性腦損傷的閾值。

（3）頭部與安全氣囊距離大于等于290 mm時，顱腦各項的生物響應值均低于50%概率引發(fā)輕度創(chuàng)傷性腦損傷的閾值。為保護乘員安全，建議乘員應保持頭部與安全氣囊的距離在290 mm以上。