車輛乘員主動(dòng)脈鈍性損傷仿真分析*

童 芳，李 雄，蘭鳳崇，陳吉清

（1.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣州 510640；2.華南理工大學(xué)，廣東省汽車工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640）

前言

在交通事故中，乘員和行人的胸部易受到鈍性沖擊，從而引發(fā)主動(dòng)脈鈍性破裂。胸主動(dòng)脈的破裂部位常見于升主動(dòng)脈和主動(dòng)脈弓內(nèi)側(cè)的峽部。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，主動(dòng)脈破裂的患者中，71%為駕駛員，23%為前排乘客。其中對(duì)駕駛員而言，其胸部與轉(zhuǎn)向盤的碰撞是導(dǎo)致其主動(dòng)脈破裂的重要原因。乘員的胸主動(dòng)脈鈍性破裂是繼腦損傷后的第二大死亡原因，故深入認(rèn)識(shí)主動(dòng)脈鈍性破裂機(jī)理，對(duì)于提高車輛安全性、減少事故中的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失均具有重要意義。

影響主動(dòng)脈鈍性破裂的因素有很多，主要分為兩個(gè)方面：機(jī)械類因素和血流動(dòng)力學(xué)因素。機(jī)械類因素指的是主動(dòng)脈壁在拉伸或擠壓等作用力下產(chǎn)生破裂。如Bertrand 等對(duì)尸體進(jìn)行原位拉伸實(shí)驗(yàn)表明，主動(dòng)脈根部相對(duì)于降主動(dòng)脈的位移能導(dǎo)致峽部的典型破裂特征。Baqu等利用尸體做正面沖擊實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了心臟和主動(dòng)脈的加速度差是導(dǎo)致主動(dòng)脈拉伸和破裂的主要因素。此外，Crass 等和Lee等發(fā)現(xiàn)胸部鈍性沖擊下，前胸壁將直接擠壓升主動(dòng)脈，同樣可能導(dǎo)致主動(dòng)脈峽部產(chǎn)生“骨夾”現(xiàn)象導(dǎo)致破裂。血流動(dòng)力學(xué)的因素是指主動(dòng)脈和心臟內(nèi)的血液在外力作用下產(chǎn)生變化的流場，并反作用于血管壁，增加主動(dòng)脈破裂的風(fēng)險(xiǎn)。目前，針對(duì)主動(dòng)脈鈍性破裂中血流作用的研究較少，且大部分是根據(jù)醫(yī)療和尸檢數(shù)據(jù)做出的推斷。一些研究者在尸體實(shí)驗(yàn)中對(duì)樣本的心臟和主動(dòng)脈進(jìn)行生理鹽水的填充，以模擬人體的血流響應(yīng)。然而，血液對(duì)主動(dòng)脈鈍性破裂的影響仍缺乏定量分析研究。

人體生物力學(xué)建模和仿真是研究乘員鈍性損傷的重要方法。目前的人體生物力學(xué)模型，如Ford公司的人體模型、豐田汽車的人體模型（total human model for safety，THUMS）、華南理工大學(xué)的中國五十百分位人體模型（Chinese human body model，CHUBM）和全球人體生物力學(xué)模型聯(lián)盟（global human body models consortium，GHBMC），均在人體損傷領(lǐng)域取得了重要成果。然而，以上人體模型基本不考慮主動(dòng)脈和心臟的血液動(dòng)力學(xué)。一些研究者采用彈性固體單元模擬主動(dòng)脈內(nèi)的血液，但這種方法也無法表達(dá)血液的流體特征，以及血液在左心室和主動(dòng)脈間流動(dòng)的現(xiàn)象。

為更深入地考慮血流對(duì)主動(dòng)脈鈍性破裂的影響，本文首先在前期建立的精細(xì)化心臟與主動(dòng)脈有限元模型內(nèi)，利用Abaqus 中的流體腔功能對(duì)心腔和血管內(nèi)填充血液。在主動(dòng)脈瓣上設(shè)置了流體交換接觸，以模擬碰撞引起的左心室對(duì)主動(dòng)脈的血液輸出。在另一例仿真中關(guān)閉主動(dòng)脈瓣的流體交換接觸，以對(duì)比分析碰撞過程中左心室對(duì)主動(dòng)脈的血液輸出量及其對(duì)主動(dòng)脈鈍性損傷的影響。此外，本文還分析了最易導(dǎo)致主動(dòng)脈破裂的部件轉(zhuǎn)向盤在不同傾斜角度下與駕駛員胸部進(jìn)行碰撞時(shí)駕駛員心臟血輸出量和主動(dòng)脈響應(yīng)差異，為汽車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的安全設(shè)計(jì)提供參考。

1 血液與心臟和主動(dòng)脈的耦合模型

1.1 心臟和主動(dòng)脈有限元模型

前期對(duì)中國第50 百分位尺寸的志愿者進(jìn)行數(shù)據(jù)斷層掃描，利用得到的醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)建立了精細(xì)化的心臟和主動(dòng)脈模型，如圖1 所示。模型包括左右心室心房，主動(dòng)脈、肺動(dòng)脈等主要血管，以及瓣膜等心血管系統(tǒng)的重要結(jié)構(gòu)。血管、瓣膜和房室內(nèi)壁采用殼單元模擬，心肌采用實(shí)體單元模擬，整個(gè)模型包含56 947個(gè)單元和16 037個(gè)節(jié)點(diǎn)。將心臟有限元模型與乘員模型進(jìn)行裝配，進(jìn)行了不同沖擊速度下的碰撞仿真，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了模型的有效性。

圖1 心臟和主動(dòng)脈有限元模型

1.2 左心室和主動(dòng)脈內(nèi)血流填充

心臟和主動(dòng)脈內(nèi)部腔體的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，將其劃分成高質(zhì)量的流體網(wǎng)格十分困難。此外，當(dāng)胸部受到?jīng)_擊時(shí)，心腔和主動(dòng)脈內(nèi)的流體域邊界均會(huì)發(fā)生劇烈變化，導(dǎo)致流體網(wǎng)格畸變，加大計(jì)算的不穩(wěn)定性。Abaqus 提供一種流體腔算法，能更高效而穩(wěn)定地計(jì)算一個(gè)充滿均勻流體的腔體，受到外部載荷作用時(shí)，其內(nèi)部流體與結(jié)構(gòu)之間的相互作用如圖2 所示。雖然心臟和主動(dòng)脈中血液的物理場存在梯度變化，但在主動(dòng)脈損傷分析中更關(guān)注的是流體的整體壓力變化對(duì)組織應(yīng)力應(yīng)變的影響。故研究主動(dòng)脈沖擊損傷時(shí)，可采用流體腔的方式進(jìn)行血液的填充。

圖2 一個(gè)流體腔示意圖

Abaqus 中提供兩種方法描述腔體中流體的性質(zhì)：氣動(dòng)模型是基于理想氣體方程來計(jì)算氣體體積、壓力和溫度之間的關(guān)系，用于描述可壓縮流體；水力模型是利用體積模量來描述幾乎不可壓縮流體的壓力與體積的關(guān)系：

式中：表示流體的初始體積；Δ表示流體體積的變化；表示流體壓力；表示流體的體積模量。血液是一種幾乎不可壓縮的流體，故采用水力模型來描述其性質(zhì)，體積模量設(shè)置為2 200 MPa。在Abaqus CAE 的接觸模塊中，將心臟的4 個(gè)腔室和主動(dòng)脈內(nèi)利用流體腔功能填充血液，初始生理血壓設(shè)為80 mmHg。

Abaqus 中的流體腔功能在計(jì)算過程中并不直接考慮腔體內(nèi)流體的慣性。但在乘員沖擊仿真中研究主動(dòng)脈鈍性損傷，填充主動(dòng)脈的血液慣性不可忽略。因此在每個(gè)腔體表面添加質(zhì)量點(diǎn)以模擬血液的慣性作用。其中，質(zhì)量點(diǎn)的總質(zhì)量應(yīng)等于腔體內(nèi)流體的質(zhì)量。另外，質(zhì)量點(diǎn)的分布也應(yīng)符合腔體內(nèi)流體慣性對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。本研究中流體充滿每一個(gè)流體腔，故流體腔邊界的質(zhì)量點(diǎn)可根據(jù)流體總質(zhì)量均勻分布，如圖3所示。

圖3 質(zhì)量點(diǎn)的分布

1.3 主動(dòng)脈瓣間血液流動(dòng)性的模擬

主動(dòng)脈瓣是連接左心室和主動(dòng)脈的單向閥門。當(dāng)心臟受到?jīng)_擊產(chǎn)生壓縮變形時(shí)會(huì)通過主動(dòng)脈瓣向主動(dòng)脈內(nèi)輸送血液，導(dǎo)致主動(dòng)脈內(nèi)的血壓進(jìn)一步升高，增大主動(dòng)脈破裂風(fēng)險(xiǎn)。故本研究在主動(dòng)脈瓣上設(shè)置了流體交換功能，如圖4 所示。當(dāng)左心室內(nèi)血壓大于主動(dòng)脈時(shí)，血液可以從左心室流入主動(dòng)脈；當(dāng)左心室內(nèi)血壓小于主動(dòng)脈時(shí)，血液不在主動(dòng)脈瓣間流動(dòng)。血液通過主動(dòng)脈瓣的流率由瓣膜兩側(cè)的實(shí)時(shí)壓力差來決定，圖5 顯示了左心室和主動(dòng)脈內(nèi)不同壓力差時(shí)，血液通過主動(dòng)脈瓣的流率變化。

圖4 瓣膜的血液單向通過性

圖5 瓣膜兩側(cè)血液流率與壓差的關(guān)系

2 乘員胸部正面沖擊仿真

將開發(fā)的心臟和主動(dòng)脈模型與團(tuán)隊(duì)前期開發(fā)的中國第50 百分位人體模型進(jìn)行裝配。微調(diào)兩肺與心臟的接觸面，在保證解剖學(xué)結(jié)構(gòu)合理的情況下防止節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)格的穿透，如圖6 所示。主動(dòng)脈根部與心臟和左心室內(nèi)壁通過共節(jié)點(diǎn)的方式連接以保證計(jì)算的穩(wěn)定性。乘員的主動(dòng)脈損傷約有71.4%都是在正面碰撞中由轉(zhuǎn)向盤撞擊導(dǎo)致的。設(shè)計(jì)了3 組駕駛員正面沖擊轉(zhuǎn)向盤的仿真，以研究轉(zhuǎn)向盤安裝角度對(duì)駕駛員主動(dòng)脈鈍性破裂的影響。仿真中駕駛員以6.8 m/s的初速度正面撞擊轉(zhuǎn)向盤，轉(zhuǎn)向盤中心的高度在駕駛員胸部第4到第5根肋骨之間，轉(zhuǎn)向柱與水平方向的夾角分別為30°、45°和60°，如圖7 所示。此外，為研究沖擊導(dǎo)致左心室向主動(dòng)脈的血液輸出量對(duì)主動(dòng)脈內(nèi)血壓和損傷的影響，設(shè)置一組仿真關(guān)閉主動(dòng)脈瓣的血液流通，以進(jìn)行對(duì)比分析。具體仿真條件如表1所示。

圖6 心臟與胸腔模型的裝配

圖7 仿真邊界條件

表1 仿真邊界條件

3 仿真結(jié)果與分析

4 種仿真工況下，由沖擊引起的心臟血液輸出量對(duì)比如圖8 所示。由圖可見，當(dāng)設(shè)置了主動(dòng)脈瓣的單向流動(dòng)時(shí)，碰撞過程中血液會(huì)從左心室流向主動(dòng)脈。駕駛員與不同傾角的轉(zhuǎn)向盤碰撞時(shí)，心臟血輸出量隨時(shí)間的變化趨勢相似：在碰撞后的前20 ms內(nèi)，心臟和主動(dòng)脈均未產(chǎn)生變形而沒有發(fā)生流體交換；在20～40 ms 區(qū)間內(nèi)，心臟開始受到前胸壁的擠壓，血流以變化的速率從左心室流入主動(dòng)脈；在40～60 ms 區(qū)間內(nèi)基本沒有血液流出；60 ms 之后存在少量血液流進(jìn)主動(dòng)脈直到仿真結(jié)束。從數(shù)值上看，轉(zhuǎn)向盤傾角為30°時(shí)心臟血的輸出總量最大，達(dá)到3.09 g。隨著轉(zhuǎn)向盤傾角的增大，血輸出量逐漸減少。轉(zhuǎn)向盤傾角為45°和60°時(shí)，心臟血輸出總量分別為2.5和1.3 g。

圖8 碰撞過程中左心室血液輸出量

接著分析心臟血輸出量對(duì)左心室和主動(dòng)脈內(nèi)血壓、主動(dòng)脈最大應(yīng)力的影響。圖9 為碰撞過程中仿真工況A 和B 左心室的壓力隨時(shí)間變化曲線?？梢钥闯?，兩條曲線在變化趨勢上相似，但由于仿真B 中部分血液流入主動(dòng)脈，導(dǎo)致總體的壓力小于仿真A。仿真A 的左心室壓力在36 和72 ms 達(dá)到兩個(gè)峰值，分別為70.9 和60.8 kPa。仿真B 的左心室壓力在36 和71 ms達(dá)到兩個(gè)峰值，分別為57.0 和37.4 kPa。左心室壓力的第1 個(gè)峰值是由碰撞初期前胸壁對(duì)心臟的直接擠壓造成的。隨著碰撞過程的繼續(xù)，轉(zhuǎn)向盤下輪緣壓迫腹部，導(dǎo)致腹部的上升運(yùn)動(dòng)，聯(lián)合胸骨和脊柱共同對(duì)心臟產(chǎn)生擠壓作用，引起左心室壓力的第2個(gè)峰值。

圖9 心臟血輸出量對(duì)左心室壓力的影響

圖10對(duì)比了仿真A和仿真B中主動(dòng)脈內(nèi)的血壓變化。由圖可見，兩條曲線不僅變化趨勢較為相似，峰值也都發(fā)生在42 ms 且數(shù)值相差不大。仿真A 的峰值為59.3 kPa，仿真B 的峰值為60.3 kPa。主動(dòng)脈內(nèi)血壓的波動(dòng)比左心室更頻率。這是因?yàn)橹鲃?dòng)脈壁比左心室壁薄，在周圍結(jié)構(gòu)力的作用下更易產(chǎn)生變形-復(fù)原的過程。仿真B在40 ms之后的壓力波動(dòng)明顯小于仿真A，這可能是由于額外的血液流入主動(dòng)脈后，增加了主動(dòng)脈的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

圖10 心臟血輸出量對(duì)主動(dòng)脈壓力的影響

仿真A 中主動(dòng)脈應(yīng)力云圖如圖11 所示。其最大應(yīng)力發(fā)生在碰撞后的39 ms，為2 329 kPa。較大的應(yīng)力主要集中在主動(dòng)脈弓內(nèi)側(cè)的峽部。主動(dòng)脈峽部的破裂是臨床上主動(dòng)脈鈍性損傷的典型特征，是由前胸壁和脊柱的共同擠壓導(dǎo)致主動(dòng)脈弓過度彎曲所致。仿真B 中主動(dòng)脈應(yīng)力云圖如圖12 所示，最大應(yīng)力為2 417 kPa，同樣發(fā)生在碰撞后的39 ms。較大的應(yīng)力除分布在峽部還產(chǎn)生在升主動(dòng)脈處。許多案例中升主動(dòng)脈的破裂也是常見現(xiàn)象，多見于胸腔正面碰撞時(shí)，胸骨直接沖擊主動(dòng)脈從而引起局部大變形。

圖11 仿真A中主動(dòng)脈應(yīng)力云圖

圖12 仿真B中主動(dòng)脈應(yīng)力云圖

對(duì)比分析仿真A 和仿真B 的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)胸部正面碰撞過程中有少量血液從左心室流向主動(dòng)脈，降低左心室內(nèi)的血壓。主動(dòng)脈內(nèi)增加的血液并不能明顯增大其內(nèi)部血壓，但能改善血管內(nèi)血壓的波動(dòng)情況。增加主動(dòng)脈瓣的流體交換功能后，主動(dòng)脈的最大應(yīng)力增大了3.8%。由此可見，碰撞過程中左心室對(duì)主動(dòng)脈的額外輸出量不能明顯影響主動(dòng)脈損傷，主動(dòng)脈內(nèi)壓力的變化和最大應(yīng)力主要是主動(dòng)脈自身的變形所引起。

轉(zhuǎn)向盤是正面碰撞中導(dǎo)致心臟和主動(dòng)脈損傷的主要部件。為研究轉(zhuǎn)向盤傾角對(duì)主動(dòng)脈鈍性損傷的影響，對(duì)比分析仿真B、C、D 的結(jié)果。仿真C 的主動(dòng)脈應(yīng)力云圖如圖13 所示，其最大應(yīng)力發(fā)生在碰撞后的32 ms，僅為1 284 kPa。較大的應(yīng)力同樣集中分布在峽部，是由前胸壁的擠壓所引起的。對(duì)比仿真B 可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)轉(zhuǎn)向盤傾角為45°時(shí)，主動(dòng)脈上的最大應(yīng)力較傾角為30°時(shí)減小了46.9%。

圖13 仿真C中主動(dòng)脈應(yīng)力云圖

圖14 展示兩種轉(zhuǎn)向盤傾角下駕駛員的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)?？梢钥闯觯?dāng)傾角為30°時(shí)，轉(zhuǎn)向盤上輪緣完全限制了胸腔和心臟向前的運(yùn)動(dòng)趨勢，故連接心臟的主動(dòng)脈根部的運(yùn)動(dòng)也幾乎停止，如圖14（a）所示。然而主動(dòng)脈和脊柱在慣性作用下仍向前運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致主動(dòng)脈弓內(nèi)側(cè)的峽部受到擠壓，產(chǎn)生局部大變形。當(dāng)傾角為45°時(shí)，轉(zhuǎn)向盤上輪緣的高度降低，且盤面與胸部的夾角增大。此時(shí)轉(zhuǎn)向盤僅能減緩心臟前移的運(yùn)動(dòng)趨勢，并不能完全限制其位移，如圖14（b）所示。降主動(dòng)脈與主動(dòng)脈根部之間的相對(duì)位移減小，使峽部受到的擠壓和局部變形減小。

圖14 駕駛員碰撞過程中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)

仿真D 中主動(dòng)脈的應(yīng)力分布如圖15 所示。與前面的仿真結(jié)果不同，仿真D的較大應(yīng)力主要集中在峽部靠近降主動(dòng)脈的位置，最大應(yīng)力為1 375 kPa。當(dāng)轉(zhuǎn)向盤傾角為60°時(shí)，轉(zhuǎn)向盤僅有下輪緣能夠直接與駕駛員發(fā)生碰撞，如圖16 所示。下輪緣直接作用于駕駛員的腹部，胸腔內(nèi)心臟向前的運(yùn)動(dòng)沒有受到限制。同時(shí)，主動(dòng)脈根部也跟隨心臟向前移動(dòng)。然而降主動(dòng)脈通過血管韌帶連接在脊柱上，限制了其向前的位移。降主動(dòng)脈近端在相對(duì)位移的拉扯下產(chǎn)生最大應(yīng)力。

圖15 仿真D中主動(dòng)脈應(yīng)力云圖

圖16 仿真D（60°）中駕駛員運(yùn)動(dòng)響應(yīng)

為更直觀地描述不同碰撞工況下主動(dòng)脈峽部的破裂機(jī)理，圖17 示出主動(dòng)脈根部與降主動(dòng)脈的相對(duì)位移隨時(shí)間的變化曲線。從圖中可以看出，碰撞過程中主動(dòng)脈峽部的破裂是由拉伸還是擠壓所造成的。當(dāng)相對(duì)位移大于0 時(shí)表示主動(dòng)脈根部和降主動(dòng)脈的距離增大，當(dāng)相對(duì)位移小于0 時(shí)表示減小。由圖17 可見，當(dāng)轉(zhuǎn)向盤傾斜角度為60°時(shí)，主動(dòng)脈峽部多處于拉伸狀態(tài)，主動(dòng)脈根部與降主動(dòng)脈的相對(duì)位移可達(dá)28 mm，引起峽部的拉伸破裂。當(dāng)轉(zhuǎn)向盤傾斜角度為30°和45°時(shí)，主動(dòng)脈峽部多處于受壓狀態(tài)。其中轉(zhuǎn)向盤傾斜角度為45°時(shí)，根部和降主動(dòng)脈相對(duì)位移不大。此工況下主動(dòng)脈在32 ms 產(chǎn)生最大應(yīng)力，可知最大應(yīng)力是由胸腔前后壁擠壓造成的。當(dāng)轉(zhuǎn)向盤傾角為30°時(shí)，胸腔前后徑發(fā)生更嚴(yán)重的壓縮，使主動(dòng)脈根部與降主動(dòng)脈的距離更近，擠壓峽部使其產(chǎn)生破裂。

圖17 主動(dòng)脈根部與降主動(dòng)脈的距離變化

4 結(jié)論

建立精細(xì)化的血液-主動(dòng)脈流固耦合模型，并與乘員模型進(jìn)行裝配，以進(jìn)行不同血流條件和工況下對(duì)轉(zhuǎn)向盤的碰撞仿真，得到以下結(jié)論。

（1）乘員胸部在正面沖擊下，心臟受到擠壓的過程中會(huì)通過主動(dòng)脈瓣向主動(dòng)脈內(nèi)輸出血液而降低左心室內(nèi)所能達(dá)到的血壓峰值，并減緩主動(dòng)脈內(nèi)血壓的波動(dòng)。但輸出的血液對(duì)主動(dòng)脈的最大應(yīng)力影響較小，Mises 應(yīng)力僅增加3.8%。

（2）駕駛員與不同傾角的轉(zhuǎn)向盤發(fā)生碰撞時(shí)，主動(dòng)脈損傷響應(yīng)存在區(qū)別。當(dāng)轉(zhuǎn)向盤傾角為30°時(shí)，主動(dòng)脈上的應(yīng)力最大，為2 417 kPa。當(dāng)轉(zhuǎn)向盤傾角為45°時(shí)，主動(dòng)脈上的應(yīng)力最小，為1 284 kPa。主動(dòng)脈的最大應(yīng)力均發(fā)生在升主動(dòng)脈和主動(dòng)脈峽部。

（3）駕駛員與不同傾角的轉(zhuǎn)向盤發(fā)生碰撞時(shí)，主動(dòng)脈損傷機(jī)理存在區(qū)別。當(dāng)轉(zhuǎn)向盤傾角為30°和45°時(shí)，主動(dòng)脈的最大應(yīng)力是由前胸壁的擠壓導(dǎo)致；當(dāng)轉(zhuǎn)向盤傾角為60°時(shí)，主動(dòng)脈的最大應(yīng)力是由其根部和降主動(dòng)脈的相對(duì)拉伸所致。

本文中建立的血液-心臟主動(dòng)脈耦合模型能夠考慮乘員受到?jīng)_擊時(shí)，心臟及主動(dòng)脈內(nèi)血壓變化和血液流動(dòng)，更真實(shí)地反映碰撞過程。與轉(zhuǎn)向盤的碰撞仿真研究結(jié)果也能為汽車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的安全設(shè)計(jì)提供參考。