轎車與6歲兒童行人不同方位碰撞中下肢損傷分析*

李海巖，李 琨，黃永強，賀麗娟，崔世海，呂文樂，阮世捷

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

前言

世界衛(wèi)生組織2018 年統(tǒng)計報告中指出，全球每年有超過135 萬人在交通事故中喪生，2 000 萬-5 000 萬人遭受非致命性損傷，其中大部分終身殘疾［1］。兒童行人在交通事故中通常被汽車前部結(jié)構(gòu)所撞［2］，且最容易出現(xiàn)AIS2+的區(qū)域位于下肢和頭部［3］。在交通事故中，對于兒童而言，由于身體發(fā)育和社會經(jīng)驗的局限性，他們顯得更弱勢。有研究表明，處于4-6 歲和7-9 歲年齡段的兒童下肢損傷占據(jù)了最大比例的AIS3+損傷［4］，分別為58%和48%。

由于倫理學原因，近年來世界上幾乎沒有關(guān)于兒童PMHS 的損傷機理研究。在兒童行人保護方面，Euro NCAP［5］中引入了兒童頭形沖擊器的沖擊試驗，但是法規(guī)中卻沒有加入兒童行人下肢沖擊器的沖擊試驗。由于有限元仿真分析的快速發(fā)展，研究人員可以通過仿真分析的方法開展研究，因此，人體有限元模型在碰撞運動學和損傷生物力學的研究中有了很大的應用，而兒童有限元模型的構(gòu)建和應用也在快速發(fā)展。日本豐田汽車公司開發(fā)了THUMS［6］家族系列有限元模型，包括3歲、6歲、10歲兒童有限元模型，以及成人有限元模型；由行業(yè)贊助和企業(yè)支持的GHBMC 開發(fā)了包括乘員和行人姿態(tài)中各種體型的詳細和簡化模型［7］；Nishimura 等［8］通過縮小THUMS 版本的50%美國男性整人模型開發(fā)了 6 歲和 9 歲兒童有限元模型；Okamoto 等［9］基于核磁共振掃描獲取人體幾何參數(shù)而開發(fā)了6 歲兒童有限元模型，但其材料須進一步改善；Mizuno等［10］通過縮小THUMS中的AM50模型開發(fā)了一個3歲的兒童模型；Meng 等［11］基于 GHBMC 開發(fā)的 5 百分位成年女性，通過縮放變形技術(shù)開發(fā)了6 歲兒童行人有限元模型，并進行了有效性驗證，但該模型在大腦和胸腹部進行了簡化；Ito等［12］根據(jù)SAE Technical Standards（2010）［13］對 THUMS 中 3 歲、6 歲、10 歲以及 AM50 模型的姿態(tài)進行調(diào)整，并進行碰撞試驗，對車-人碰撞中的頭部損傷機制進行研究。

從2020 年開始，Euro NCAP 行人模型認證技術(shù)公告TB024［14］對6 歲兒童行人模型的認證有一個單獨的要求，從15 個參數(shù)對行人姿態(tài)進行要求，且須經(jīng)過23 步的仿真前檢查和仿真后模型響應比較。因此，應用本實驗室開發(fā)的符合TB024 要求的6 歲兒童行人有限元模型與某款車進行碰撞仿真試驗，對不同碰撞角度下的兒童下肢損傷進行分析，對兒童在不同情況下遭受碰撞時的下肢損傷進行深入理解，為兒童行人下肢損傷保護提供參考數(shù)據(jù)，為汽車前端部造型設(shè)計提供參考，同時也為醫(yī)生處理相關(guān)患者提供理論支持。

1 試驗方法

本研究使用現(xiàn)代汽車安全技術(shù)國際聯(lián)合研究中心開發(fā)的6 歲兒童行人站姿有限元模型。該模型基于一個中國6 歲兒童醫(yī)學檢測CT 數(shù)據(jù)，參照解剖學結(jié)構(gòu)書籍和文獻，先后構(gòu)建了頭部、頸部、胸腹部及下肢等詳細結(jié)構(gòu)的有限元模型，并進行了有效性驗證［15-19］，最后通過共節(jié)點，得到完整的6 歲兒童行人站姿有限元模型。該模型身高113.5 cm，體質(zhì)量24.8 kg，節(jié)點數(shù)1 057 830，單元數(shù)1 558 836。參考Euro NCAP 行人模型認證技術(shù)報告中6 歲兒童行人走姿模型的各個姿態(tài)定義參數(shù)，調(diào)整得到的6 歲兒童行人走姿模型，如圖1所示。

圖1 6歲兒童行人走姿有限元模型

本研究采用的汽車有限元模型來自美國國家碰撞分析中心NCAC 汽車模型數(shù)據(jù)庫。該款車型通過重構(gòu)NCAP第3248號剛性壁障正碰實驗驗證了模型的有效性［20］?？紤]到計算效率，在有限元前處理軟件Hypermesh 中，對不相關(guān)的汽車部件進行刪除，并利用集中質(zhì)量替代簡化部分的質(zhì)量，保證簡化后的模型與原始模型具有相同的質(zhì)量，如圖2 所示，最后獲得前部結(jié)構(gòu)簡化的有限元模型。

圖2 簡化的小汽車有限元模型

參考Euro NCAP 兒童行人保護相關(guān)技術(shù)報告［14］要求和Klug 等［21］所開發(fā)的一種客觀比較人體運動學的程序，在PAM?CRASH 軟件中建立6 歲兒童行人-汽車碰撞仿真試驗。汽車以初始碰撞速度40 km/h，側(cè)面撞向行人；行人位于車的中心線距車3 mm 處；人與車之間設(shè)有接觸，其摩擦因數(shù)為0.3［21］；人與地面的摩擦因數(shù)為 0.58［22］；在施加有重力場下的碰撞仿真試驗。在Euro NCAP TB024 行人模型認證技術(shù)報告要求中，汽車-行人碰撞試驗撞擊位置首先發(fā)生在行人模型的右腿處，在本研究中將此碰撞方位稱為0°碰撞仿真試驗，在相同的仿真試驗條件下設(shè)置了90°、180°和270°碰撞仿真試驗，如圖3 所示。0°碰撞為人體的右側(cè)與汽車發(fā)生側(cè)面碰撞，汽車保險杠將首先撞擊右側(cè)大腿側(cè)面；90°為人體的正面與汽車發(fā)生正面碰撞；180°為人體的左側(cè)與汽車發(fā)生側(cè)面碰撞，汽車保險杠將首先撞擊前側(cè)大腿；270°為人體的背面與汽車發(fā)生碰撞。

圖3 6歲兒童行人與汽車前端碰撞

2 試驗結(jié)果

2.1 下肢接觸力

圖4 為4 種不同碰撞方位下的兒童行人下肢接觸力對比。由圖可見，90°碰撞試驗的下肢接觸力為4 組仿真試驗中最大的，其數(shù)值為5.17 kN，其次為270°碰撞試驗的5.14 kN，而0°和180°兩組側(cè)面碰撞試驗下的下肢接觸力最小，分別為4.58和4.27 kN。

2.2 股骨損傷

圖 5 分別為 0°、180°、90°碰撞條件下具體的股骨骨折位置，分別位于右腿的骨骺后端處、右腿骨骺后端處和左腿股骨干骨中上部。圖6 為股骨最大von Mises 應力云圖。4 組試驗最大應力均超過114 MPa，但是270°碰撞條件下由于超過此閾值的面積較小，未出現(xiàn)骨折現(xiàn)象。通過仿真試驗發(fā)現(xiàn)，對于下肢的骨折情況，4 種碰撞角度下，只有270°下的碰撞沒有出現(xiàn)骨折。對于側(cè)面碰撞0°和180°，均出現(xiàn)了撞擊側(cè)的股骨骨折，但骨折位置不一樣。

圖4 下肢接觸力對比

圖5 股骨骨折部位

圖6 股骨最大von Mises應力（MPa）

2.3 膝關(guān)節(jié)韌帶損傷

圖7 為下肢膝關(guān)節(jié)韌帶損傷示意圖。由圖7 可見，0°和90°碰撞條件下膝關(guān)節(jié)韌帶損傷最為嚴重。尤其是0°碰撞條件下對撞側(cè)的膝關(guān)節(jié)MCL、LCL、ACL、PCL 全部斷裂或撕裂，但撞擊側(cè)膝關(guān)節(jié)只出現(xiàn)了MCL 的斷裂。對于90°下的膝關(guān)節(jié)韌帶，左膝關(guān)節(jié)的LCL、PCL、MCL 以及右膝關(guān)節(jié)的LCL、PCL 發(fā)生斷裂；對于180°碰撞下的膝關(guān)節(jié)韌帶，左膝關(guān)節(jié)的LCL 以及右膝關(guān)節(jié)的 LCL、ACL、PCL 發(fā)生斷裂。270°碰撞下由于兒童背對汽車，膝關(guān)節(jié)韌帶并未發(fā)生斷裂情況。

通過試驗數(shù)據(jù)提取下肢膝關(guān)節(jié)彎曲角度，從膝關(guān)節(jié)彎曲角度來看，膝關(guān)節(jié)的損傷情況相當嚴重，尤其是90°碰撞下兒童行人面對汽車，造成了膝關(guān)節(jié)反向彎曲，其左膝關(guān)節(jié)的彎曲角度達到了83.3°，其余3 組試驗膝關(guān)節(jié)最大彎曲角度分別為0°碰撞下左膝關(guān)節(jié)彎曲58.4°、180°碰撞下右膝關(guān)節(jié)彎曲61.4°、270°碰撞下左膝關(guān)節(jié)彎曲64.1°。

圖7 不同碰撞角度下的韌帶損傷

2.4 膝關(guān)節(jié)半月板損傷

圖8 為4 種碰撞角度下的膝關(guān)節(jié)半月板最大von Mises 應力時間曲線。由圖8 可見，0°側(cè)面碰撞下的左膝關(guān)節(jié)（對撞側(cè)）和180°碰撞下的右膝關(guān)節(jié)（對撞側(cè)）的半月板應力值較大，分別為126.2 和233.4 MPa，明顯大于90°碰撞下81.2 MPa 以及270°碰撞下87.5 MPa。此外，對于側(cè)面碰撞，不管是0°還是180°，撞擊側(cè)均出現(xiàn)股骨骨折，而撞擊側(cè)膝關(guān)節(jié)半月板的最大應力均明顯小于對撞側(cè)的。

圖8 膝關(guān)節(jié)半月板最大應力時間曲線

2.5 脛骨和腓骨損傷

圖9 為4 種碰撞角度下的脛骨和腓骨的最大應力。在4 組碰撞試驗中，兒童行人均沒有出現(xiàn)脛骨和腓骨的骨折。對于脛骨，4 種碰撞角度下，均表現(xiàn)出右腿脛骨的最大應力大于左腿脛骨，尤其是90°正面碰撞和270°背面碰撞；最大的脛骨應力出現(xiàn)在背面碰撞下的右腿脛骨上，為53.5 MPa。對于腓骨，0°側(cè)面碰撞和270°背面碰撞的應力相對較大；腓骨最大應力出現(xiàn)在270°背面碰撞下的左腿腓骨上，為51.1 MPa。

圖9 脛骨和腓骨的最大應力

2.6 下肢生長板損傷

圖10為4種不同碰撞角度下生長板的最大等效應力情況。由圖10 可見，在0°碰撞條件下，下肢12塊生長板中撞擊側(cè)股骨近端生長板等效應力最大，其數(shù)值為1.017 MPa；在90°碰撞條件下，左腿股骨遠端處生長板等效應力最大，為0.923 MPa；在180°碰撞條件下，左腿（撞擊側(cè)）股骨遠端處生長板等效應力最大，為1.288 MPa；在270°碰撞條件下，右腿股骨遠端處生長板等效應力最大，為0.769 MPa。

3 討論與結(jié)論

表1 列出了4 組仿真試驗中下肢損傷情況。從表1 可見，4 種碰撞角度下，除背面碰撞條件，其他3種碰撞角度下均出現(xiàn)股骨骨折。兩種側(cè)面碰撞角度下，撞擊側(cè)的股骨均出現(xiàn)骨折，但骨折位置不一樣，這可能與腿部的運動狀態(tài)有關(guān)，0°碰撞角度下，撞擊的是主要承重腿右腿。90°碰撞角度下，雖然保險杠先撞擊的是左腿，但右腿的股骨出現(xiàn)骨折且骨折位置與0°碰撞下的一樣。表明正面碰撞下，右腿即主要承重腿將受到保險杠更大的沖擊，更易發(fā)生骨折。而背面碰撞角度下，即使保險杠先撞擊的是右腿，但兩側(cè)股骨均沒出現(xiàn)骨折。綜上，表明不同方向的沖擊載荷對股骨的損傷有很大影響。

圖10 生長板最大等效應力云圖（MPa）

從膝關(guān)節(jié)彎曲角度來看，膝關(guān)節(jié)的損傷情況相當嚴重，尤其是90°碰撞下兒童行人面對汽車，造成了膝關(guān)節(jié)反向彎曲，其左膝關(guān)節(jié)的彎曲角度達到83.3°。股骨骨折側(cè)的膝關(guān)節(jié)韌帶損傷相比于對側(cè)的膝關(guān)節(jié)韌帶損傷均更輕，尤其是0°碰撞和90°碰撞條件下的韌帶損傷；0°碰撞下的對撞側(cè)的膝關(guān)節(jié)MCL、LCL、ACL、PCL 全部斷裂或撕裂，但撞擊側(cè)膝關(guān)節(jié)因為股骨的骨折，從而對膝關(guān)節(jié)的約束減小，進而韌帶損傷較小，只出現(xiàn)了MCL 的斷裂。另外，韌帶損傷原因也不同，90°碰撞下的韌帶損傷是因為過度伸展造成的，而0°碰撞和180°碰撞下的韌帶損傷是由側(cè)面碰撞導致的膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻或外翻導致的；270°碰撞條件下沒有出現(xiàn)膝關(guān)節(jié)韌帶的損傷。

表1 下肢損傷分析

從膝關(guān)節(jié)半月板應力峰值來看，0°碰撞條件下的對撞側(cè)膝關(guān)節(jié)和180°碰撞條件下的對撞側(cè)膝關(guān)節(jié)的半月板出現(xiàn)了非常大的應力值，分別為126.2 和233.4 MPa，明顯大于其他碰撞角度下的應力峰值。這表明側(cè)面碰撞條件下的對撞側(cè)膝關(guān)節(jié)半月板有很大的損傷風險。另外，不管是0°碰撞還是180°碰撞條件下，撞擊側(cè)膝關(guān)節(jié)半月板的最大應力均明顯小于對撞側(cè)半月板，這是因為在側(cè)面碰撞下，當撞擊側(cè)股骨骨折后，該側(cè)膝關(guān)節(jié)的約束減小，導致撞擊側(cè)彎曲角度小于對撞側(cè)，因而等效應力值也較小。

對于脛骨，在270°碰撞下的脛骨加速度最大，為192.8g。通過試驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，主要承受上肢質(zhì)量的右腿脛骨最大應力均大于左腿。脛骨的最大應力出現(xiàn)在270°碰撞下的右腿脛骨上，為53.5 MPa。對于腓骨，0°側(cè)面碰撞和270°背面碰撞條件下的等效應力相對較大；腓骨最大應力出現(xiàn)在270°背面碰撞下的左腿腓骨上，為51.1 MPa。270°背面碰撞下的下肢雖然沒有出現(xiàn)股骨骨折和韌帶的損傷，但相對其他3 種碰撞角度，其右腿脛骨和左腿腓骨有最大的損傷風險。

生長板是兒童特有的一種生理結(jié)構(gòu)，它存在于長骨骨骺和干骺端之間，只存在單向軟骨增殖與成骨活動，是生長期骨骼的生長發(fā)育部位。兒童骨折中15%～30%為生長板損傷［23］。Williams 等［24］在生長板的拉伸力學試驗中，測得生長板的平均正切模量為4.26 MPa，極限拉應力為0.98±0.29 MPa。4種不同角度的碰撞仿真試驗中，180°碰撞條件下撞擊側(cè)股骨遠端生長板處等效應力最大，為1.288 MPa，超過了損傷閾值。根據(jù)分析，撞擊側(cè)股骨近端處生長板在最大等效應力出現(xiàn)的位置發(fā)生破壞，由于破壞面積較小且未出現(xiàn)連續(xù)破壞，故推斷此時生長板會出現(xiàn)第Ⅴ型生長板骨折，這種損傷形式會導致后期股骨骨骼生長出現(xiàn)缺陷，且這類損傷在早期檢查中不易被發(fā)現(xiàn)，易錯過最佳治療時期［25-26］。

本研究應用符合Euro NCAP 要求的6 歲兒童有限元模型模擬不同碰撞方位下兒童與轎車前端碰撞，旨在探討汽車行人碰撞過程中6 歲兒童下肢損傷的特點。應用兒童整人有限元模型進行碰撞試驗，填補了兒童腿型沖擊器試驗的空缺，更好地展現(xiàn)兒童在碰撞過程中下肢的運動學過程，且可以更好地對兒童下肢的損傷進行研究。研究發(fā)現(xiàn)背面碰撞條件下6 歲兒童下肢受到的傷害是最小的，這可能與下肢關(guān)節(jié)處的約束作用有較大關(guān)系。本研究為兒童行人的保護和兒童下肢損傷的治療提供了理論依據(jù)，為兒童下肢損傷提供了可行的研究方法，為汽車安全技術(shù)的研發(fā)以及汽車前端部的設(shè)計提供數(shù)據(jù)支持，同時也為行人測試協(xié)議中的下肢碰撞評價提供更多的參考。