三岁儿童头部有限元模型的建立及验证

三岁儿童头部有限元模型的建立及验证[摘要] 运用ANSYS ICEM CFD和HYPERMESH软件建立了三岁儿童头部的具有高度解剖学细节的有限元模型：模型由大脑、胼胝体、小脑、脑干、脑镰、脑幕、脑脊液（包含软脑膜和蛛网膜）、硬脑膜、颅骨和头皮组成：运用MADYMO 软件对一典型跌落事故进行重建，并在LS-DYNA中进行仿真分析。

结果表明，颅内压力呈明显的梯度分布，且符合线性加速度理论，故所建的模型可用于后续深入的损伤生物力学研究。

关键词：儿童头部；头部损伤；有限元模型；事故重建Development and Validation of Three-year-old Child Head FE Model[Abstract] A highly anatomically detailed finite element model for three-year-old child head is built with ANSYS ICEM CFD and HYPERMESH software’s. The model consists of cerebrum, corpus callosum, cerebellum,brainstem, falx, tentorium, cerebro-spinal fluid with pia-arachnoid complex, dura mater, skull and scalp. A typical falling down accident is reconstructed using software MADYMO and a simulation is conducted with LS-DYNA. The results show that the intracranial pressure exhibits apparent gradient distribution, confirming to linear acceleration theory, so the model built can be used forthe follow-up in-depth research in injury biomechanics.Keywords: cluld head; head injury; firute element model; accident reconstruction前言随着我国乘用车逐步进入家庭，儿童乘员数量也在不断增加。

国外对汽车事故中儿童受伤的研究发现，即使儿童使用了儿童安全座椅或者安全带，仍有80%酌儿童受伤和40 ％的儿童严重受伤（简明损伤等级≥2），包含头部损伤。

儿童头部损伤会导致持续一生的损害，产生严重的社会和经济损失。

近十年来，由于计算机水平和软件能力的迅速提高，数值模拟技术取得很大进展。

为研究头部损伤机理和损伤防护，研究人员已经开发出成年人头部模型。

然而，在全世界范围内，儿童头部模型的开发还非常有限，这很大程度上是由于缺乏关于儿童大脑的材料属性和损伤极限数据。

文献[3]中建立了三岁儿童头部模型，用以研究真实事故中儿童跌倒导致的神经损伤阈值。

在缺少合适的验证数据的情况下，以25个事故数据为基础，利用回归风险曲线统计分析了颅内von mises应力峰值、内压力峰值、角加速度峰值、线加速度和HIC值。

本文中建立了具有高度解剖学细节的三岁儿童头部有限元模型。

通过对典型跌落事故的重建保证所建立的模型具有足够的生物逼真度，可以利用此模型开展深入的损伤生物力学研究。

1 研究方法和材料三岁儿童头部有限元模型的几何参数由美国韦恩州立大学提供。

该大学利用CT和MRI采集一名三岁儿童的头部活性骨和软组织数据，并采用Mim-ICS软件对组织结构进行识别，得到三岁儿童头部几何模型；再使用ANSYS软件ICEM CFD模块和HY-PERMESH软件对几何模型进行前处理和网格划分，使用三维非线性动力学显式有限元分析软件LS—DYNA 进行颅脑生物力学响应模拟。

通过对典型事故案例的重建保证所建立的模型具有足够的生物逼真度。

1.1 头部有限元模型的建立本文中建立的三岁儿童头部有限元模型具有高度解剖学细节，由大脑、胼胝体、小脑、脑干、脑镰、脑幕、脑脊液（包含软脑膜和蛛网膜）、硬脑膜、颅骨和头皮组成。

模型的网格划分遵循了由内到外的原则。

由于头部为对称结构，因此模型的网格划分首先对脑组织的左半部分建模。

在ANSYS ICEM CFD软件中用Block将脑组织划分为若干个形状相对规则的区域。

在生成网格时，使用Project edges操作获得较高质量的网格，同时适当忽略一些不重要的几何特征。

得到由实体单元模拟的脑组织，并区分了大脑、小脑、脑干和胼胝体结构，如图1所示。

脑脊液层分布在左右脑组织之间、脑组织与颅骨之间和大小脑之间。

在上述部值划分出实体单元来模拟脑脊液层。

脑脊液层模型包含了蛛网膜和软脑膜，脑脊液层的外表面为蛛网膜，脑脊液内层则是紧贴脑组织表面的软脑膜，如图2所示。

大脑两半球用脑镰结构分开，小脑与大脑之间则用脑幕结构分隔，其中脑镰和脑幕结构均用壳单元模拟。

硬脑膜与脑脊液层之间留有0.1mm的间隙，并紧贴于颅骨内表面，用一层壳单元来模拟。

硬脑膜和脑脊液层之间的相对滑动模拟颅骨和脑之间的运动。

建立脑组织网格后，通过控制由内向外颅骨和皮肤各层界面的几何形状，在HYPERMESH软件中由投影法分别得到颅骨和头皮网格。

儿童头部脑颅的厚度约为3~ 7mm，采用3层实体单元来模拟。

内外两层实体单元代表了脑颅的皮质骨，精确模拟了内外表面的解剖学几何特征。

中间层则代表松质骨。

面颅与脑颅不同，由于其结构较为复杂且并不是研究重点，未将其分为内外3层结构，只模拟出几何形状并附于皮质骨材料。

在下颚骨与脑颅之间施加轴旋转约束，同时限制下颚骨与脑颅之间的相对旋转角度来模拟下颚骨的开合。

儿童头部的头皮厚约为1.5~ 6mm，与脑颅同样采用了3层实体单元，精确模拟了儿童头部的结构轮廓，如图3所示。

最后将模型通过映射得到整个头部的有限元网格。

模型色括121 867个节点，108 511个实体单元和16 141个壳单元。

在建模过程中对网格的整体质量进行控制，网格质量见表1。

实体单元雅克比小于0.7的单元仅占总单元数的4%，可以确保模型计算过程中颅骨和颅内软组织应力应变不会由于网格质量差而导致较大偏差。

头部结构材料比较重要的是脑组织和颅骨骨骼的材料特性。

由于缺乏儿童大脑的材料属性，模型中各部分的材料参数取自文献[3]。

为研究颅骨骨折损伤和正确模拟骨折的效果，对颅骨的材料模型进行定义，设定皮质骨和松质骨相应失效应变，使其可模拟单元失效和破坏效果。

当颅骨在碰撞条件下达到失效条件时，通过单元的剔除来模拟骨折的效果。

模型各部分材料参数的具体定义见表2。

1.2模型验证1.2.1事故重建利用MADYMO软件建立儿童跌落事故再现模型。

本文中事故案例是一起三岁儿童跌落事故，该事故源于John Plunkett对儿童低空跌落引起的头部致命伤害的研究。

事故为一个三岁儿童从第3层滑梯(0.6m)上向前跌落，头部撞击到坚实的泥土地面上。

伤情为：左侧额骨骨折，伴有硬脑膜上和膜下血肿，并在事故后第3天死亡。

文献[6]中对儿童跌落事故的研究表明，大多数低空跌落中头部主要产生线性力，临床显示在出现硬脑膜外血肿的同时会造成骨折。

文献[7]中对儿童跌落死亡率的研究表明，在l—3岁儿童创伤性死亡中跌落致死率排在第3位，其中从家具上或是玩耍时的低空跌落致死率占41010。

由此可见，该事故案例较为典型，可用于下一步的事故重建。

采用MADYMO软件中自带的P3偎人，与受害者人体尺寸足够接近，以保证进一步获得较准确的儿童头部与地面碰撞时的速度。

MADYMO软件中的仿真过程见图4。

根据文献[7]中描述，该案例中受害者站在0. 6m的滑梯上向前摔下，左侧额骨发生骨折，因此基本上可以假设受害者摔下时头部额骨偏左侧与地面发生撞击。

由此分析可知，事故重建基本模拟出该案例受害者头部与地面的接触情况。

在HYPERVIEW 中输出头部运动的合成速度见图5。

图4中的3幅图表示儿童跌落过程的3个时刻，这3个时刻头部的运动速度在图5中分别标出，其中(a)代表儿童刚接触地面的时刻，此时头部的合成速度为3. 49m/s；(b)代表儿童膝盖与地面接触的时刻，头部的合成速度为2. 21m/s；(c)代表儿童头部与地面接触的时刻，头部的合成速度为 4.46 m/s。

由跌落过程中头部运动的合成速度曲线可知，头部运动速度的变化比较合理？取头部与地面接触时刻的头部运动速度，其数值为4. 46Ⅱ1/S，并将其加载到有限元头部模型中，在LS-DYNA中进行仿真分析。

1.2.2基于事故重建的仿真设置在HYPERMESH中建立地面网格，并根据MADYMO软件中头部与地面发生碰撞的位置和角度调整有限元模型。

由图4和图5分析可知，头部与地面碰撞持续时间极短( 6ms)，因此采用设定头部为自由边界条件的方法，忽略颈部对头部运动响应的影响。

将受害者头部接触地面的速度设定为 4. 46m/s。

碰撞模型见图6。

2结果对比在LS-DYNA中进行头部撞击到坚实泥土地面的仿真分析。

在跌落瞬间，坚实的泥土地面对头部颅骨产生了巨大冲击，引起头部左侧额骨骨折，包括内外层的皮质骨和内部的松质骨均发生了破坏，如图7所示。

文献[8]中在颅脑撞击损伤的生物力学机制研究综述中提到线性加速度理论，即在着力点由于直接撞击会产生正的压力梯度，而在着力点的对冲部位则会产生负的压力梯度。

颅内压力分布如图8所示。

虽然该模型还不能对颅内压力做出准确预测，但由图8可以看出，该模型颅内压力呈明显的梯度分布，且符合上述的线性加速度理论，因此可用来进行颅内响应进一步的分析研究。

3结论建立基于人体解剖学结构的三岁儿童头部有限元模型，详细描述了三岁儿童头部的主要解剖学特征。

由于伦理道德的限制，缺乏儿童尸体实验，因此无法使用实验数据对模型进行验证。

本文中利用儿童跌落事故重建的方法对所建模型进行验证。

从得到的仿真结果分析可知，儿童头部颅骨损伤的部位和程度与真实事故中儿童颅骨损伤的部位和程度基本吻合，该模型基本能够预测三岁儿童头部骨折，并可以用于颅骨骨折损伤机理和耐受限度的研究。

同时颅内压力呈明显的梯度分布，可以通过进一步的验证使该模型能够准确预测颅内响应。

由于文献中对儿童跌落事故记录的局限性，导致在MADYMO软件中进行事故重建时无法完全还原真实事故。

因此在未来的研究中可对更加详细的事故进行重建，并进一步学习是成就事业的基石研究颅骨和脑组织各部分的材料特性和力学参数，同时进行相应的动物撞击模拟实验，更好地验证该有限元模型的生物逼真度。