10岁儿童头部有限元模型的建立及验证

３３卷Ｉ期　２０１４年２月　中　国　生　物　医学工程学报　

Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｖｏｌ＿３３　Ｎｏ．１　

Ｆｅｂｒｕａｒｙ　２０１４　

１０岁儿童头部有限元模型的建立及验证　曹立波　周　舟　蒋彬辉　张冠军　（湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙４１００８２）　摘要：运用ＡＮＳＹＳ　ＩＣＥＭ　ＣＦＤ以及ＨＹＰＥＲＭＥＳＨ软件对１０岁儿童头部几何模型进行合理的网格划分，获得具　有高度解剖学细节的１０岁儿童头部有限元模型。利用ＭＡＤＹＭＯ软件自带的假人，模拟一起典型跌落事故中，受　伤儿童从３个不同高度跌落时人体的动力学响应过程，并计算头部与地面碰撞接触瞬间的方位和速度等运动学参　数。然后将这些参数输入到１０岁儿童头部有限元模型中，模拟头部与地面的碰撞过程，并分析与损伤相关的生物　力学参数。结果表明，颅骨的最大应力和最大应变分布在枕骨右侧，与碰撞点的位置较为吻合，但均未超过颅骨的　耐受极限。利用颅内压力可较好地预测脑组织的损伤程度，而利用脑组织的ＹＯｎ—ｒａｉｓｅｓ应力可较好地判断脑组织　的损伤位置。事故重建的结果表明，该模型具有较好的生物逼真度，可以用于儿童头部损伤生物力学的研究。　关键词：头部损伤；有限元模型；事故重建；１０岁儿童　中图分类号Ｒ３１８　文献标志码Ａ　文章编号０２５８—８０２１（２０１４）０１－００６３－０８　

Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ａｎｄ　Ｖａｌｉｄａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＦＥ　Ｍｏｄｅｌ　ｆｏｒ　ａ　１０－・Ｙｅａｒ－－Ｏｌｄ　Ｃｈｉｌｄ　Ｈｅａｄ　ＣＡＯ　Ｌｉ　Ｂｏ　ＺＨＯＵ　Ｚｈｏｕ　ＪＩＡＮＧ　Ｂｉｎ．Ｈｕｉ　ＺＨＡＮＧ　Ｇｕａｎ．Ｊｕｎ　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｓｔｕｄｙ，ｔｈｅ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ＡＮＳＹＳ　ＩＣＥＭ　ＣＦＤ　ａｎｄ　ＨＹＰＥＲＭＥＳＨ　ｗａｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｄｅｖｅｌｏｐ　ａ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ（ＦＥ）ｍｏｄｅｌ　ｆｏｒ　１０－ｙｅａｒ—ｏｌｄ　ｃｈｉｌｄ　ｈｅａｄ　ｗｉｔｈ　ｄｅｔａｉｌｅｄ　ａｎａｔｏｍｉｃａｌ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ．Ｔｈｅ　ＭＡＤＹＭＯ　ｍｏｄｅｌｓ　ｏｆ　ｃｒａｓｈ　ｄｕｍｍｉｅｓ　ｗｅｒｅ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｓｉｍｕｌａｔｅ　ｔｈｅ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｒｅｓｐｏｎｓｅｓ　ｏｆ　ａｎ　ｉｎｊｕｒｅｄ　ｃｈｉｌｄ　ｉｎ　ａ　ｔｙｐｉｃａｌ　ｆａｌｌｉｎｇ　ａｃｃｉｄｅｎｔ　ｆｒｏｍ　ｔｈｒｅｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｈｅｉｇｈｔｓ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍｏｔｉｏｎ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｈｉｌｄ　ｈｅａｄ　ａｔ　ｔｈｅ　ｍｏｍｅｎｔ　ｏｆ　ｉｍｐａｃｔ　ｗｅｒｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．Ｔｈｅｓｅ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｗｅｒｅ　ｉｎｐｕｔ　ｉｎｔｏ　ｔｈｅ　１０－ｙｅａｒ－ｏｌｄ　ｃｈｉｌｄ　ｈｅａｄ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｏｄｅｌ　ｔｏ　ｓｉｍｕｌａｔｅ　ｔｈｅ　ｈｅａｄ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｄｕｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｆａｌｌ　ｉｍｐａｃｔ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｚｅ　ｔｈｅ　ｉｎｊｕｒｙ－ｒｅｌａｔｅｄ　ｂｉｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．Ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｌｏｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｖｏｎ・ｒａｉｓｅｓ　ｓｔｒｅｓｓ　ａｎｄ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｙｏｎ—ｍｉｓｅｓ　ｓｔｒａｉｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｋｕｌｌ　ｍａｔｃｈｅｄ　ｗｅｌｌ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｉｍｐａｃｔ　ｓｉｔｅ　ｌｏｃａｔｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｒｉｇｈｔ　ｓｉｄｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｏｃｃｉｐｉｔａｌ，ｂｕｔ　ｗｉｔｈｉｎ　ｔｈｅｉｒ　ｌｉｍｉｔｓ　ｏｆ　ｔｏｌｅｒａｎｃｅ．Ｔｈｅ　ｉｎｔｒａｃｒａｎｉａｌ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｃｏｕｌｄ　ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ　ｐｒｅｄｉｃｔ　ｔｈｅ　ｉｎｊｕｒｙ　ｌｅｖｅｌ，ｗｈｉｌｅ　ｔｈｅ　ｙｏｎ－ｒａｉｓｅｓ　ｓｔｒｅｓｓ　ｃｏｕｌｄ　ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ　ｒｅｃｏｇｎｉｚｅ　ｔｈｅ　ｔｒａｕｍａｔｉｃ　ｌｏｃａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ａｃｃｉｄｅｎｔ　ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｉｎｄｉｃａｔｅ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ　ｍｏｄｅｌ　ｈａｓ　ａ　ｇｏｏｄ　ｂｉｏｆｉｄｅｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｃａｎ　ｂｅ　ｕｓｅｄ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｆｕｒｔｈｅｒ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｈｉｌｄ　ｈｅａｄ　ｉｎｊｕｒｙ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｈｅａｄ　ｉｎｊｕｒｙ；ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｏｄｅｌ；ａｃｃｉｄｅｎｔ　ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ；１０－ｙｅａｒ－ｏｌｄ　ｃｈｉｌｄ　

引言　随着我国乘用车逐步进入家庭，儿童乘员的数　量也在不断增加。通过对交通事故中儿童受伤情　况的调查研究发现，道路交通事故导致的儿童伤害　和死亡率，在１９８５—１９９９年的ｌ５年间增长了　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０２５８—８０２１．２０１４．０１．０１０　收稿日期：２０１３￣８－２０，录用日期：２０１３—１２－２３　基金项目：国家自然科学基金（１１１７２０９９）　十通信作者。Ｅ—ｍａｉｌ：ｊｊｈｈｚｚ１２３＠１２６．ｃｏｒｎ　８１％　，青少年头部撞击损伤的发生率更是高达　３８．７６％　。儿童时期所遭受的头部损伤可能导致　持续一生的精神损害，造成严重的社会和经济损　失。因而，儿童颅脑损伤机理的研究及相关防护装　置的开发，成为近期的研究热点。　头部损伤生物力学的主要研究手段，有机械模　１期　曹立波，等：１Ｏ岁儿童头部有限元模型的建立及验证　件的接触算法　，所以该模型的脑组织通过构建一　层脑脊液单元与颅骨连接，且网格连续。　为了确保模型计算过程中，颅骨以及颅内软组　织的应力应变不会由于网格质量差而导致较大偏　差，在模型网格划分时对网格质量进行了控制，见　表２。实体单元中雅克比小于０．７的单元仅占总单　元数的２％。　

表２模型网格划分的单元质量控制　Ｔａｂ．２　Ｍｅｓｈ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＦＥ　ｍｏｄｅｌ　

１．２头部模型材料参数　由于临床医学数据精度较低，因此难以获得清　晰的松质骨和皮质骨的边界，因此参考Ｍｏｔｈｅｒｗａｙ　等提出的处理方法　，参照具有３层结构颅骨的力　学特性，将模型中的３层颅骨单元赋予相同的材料。　文献检索表明，目前全世界仅有５项研究利用儿童　尸体样本测试儿童头部组织的力学材料特性（Ｄａｖｉｓ　等，２０１２…　；Ｐｒａｎｇｅ等，２００４　；Ｍａｒｇｕｌｉｅｓ等，　２０００…　；Ｗｅｂｅｒ　等，１９８５　“　：ＭｃＰｈｅｒｓｏｎ　等，　１９８０　’。），其中仅有Ｄａｖｉｓ等的研究对象为６周岁的　非婴幼儿。由于缺少专门研究１０岁儿童颅骨力学　性能的实验，模型中颅骨的材料属性是通过缩放的　方法得到（见表３），缩放区间根据文献［１１］及文献　［１６］确定。　

表３颅骨材料属性　Ｔａｂ．３　Ｍａｔｅｒｉａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｋｕｌｌ　

脑组织和脑脊液属于生物体软组织，具有质软　易变形、抗拉强度非线性及不能抗弯和抗压等特　点，通常采用黏弹性材料模型模拟。在参考文献　［１７］的基础上，ｌ０岁儿童头部有限元模型的脑组织　和脑脊液的体积弹性模量设定为２．１９　ＧＰａ，并对脑　干和脑脊液等黏弹性结构的剪切模量取值不同。　剪切弹性模量可表示为　Ｇ（ｔ）：Ｇ　＋（Ｇ。一Ｇ　）ｅ　‘　（１）　式中，Ｇ　为长效剪切模量，Ｇ。为短效剪切模量，Ｊ８为　延迟系数，ｔ为时间。具体的取值见表４。　

模型中脑镰、脑幕、硬脑膜及头皮的材料参数，　是参考文献［１７］设定的，具体见表５。　表４大脑、小脑、脑干及脑脊液材料属性　Ｔａｂ．４　Ｍａｔｅｒｉａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｅｒｅｂｒｕｍ－ｃｅｒｅｂｅｌｌｕｍ，　ｂｒａｉｎｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｃｅｒｅｂｒｏｓｐｉｎａｌ　ｆｌｕｉｄ　

表５脑镰、脑幕、硬脑膜及头皮材料属性　Ｔａｂ．５　Ｍａｔｅｒｉａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆａＩｘ。ｔｅｎｔｏｒｉｕｍ，ｄｕｒａ　ａｎｄ　ｓｃａｌｐ　

１．３模型验证　儿童并不是矮小的成人，儿童头部的几何形　状、颅骨的连接及骨质结构、器官的材料属性等方　面都异于成年人，因此难以借助成年人尸体实验的　数据对所建模型进行验证，但目前文献中有关儿童　尸体碰撞的实验数据又鲜有发表。国外研究人员　将深入的事故调查和事故重建工作的成果，用于有　限元模型的验证、损伤评估和损伤机理的研究。本　研究运用ＭＡＤＹＭＯ（７。４．１，ＴＮＯ，Ｒｉｊｓｗｉｊｋ，　Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ）建立一起ｌ０岁儿童跌落事故的再现模　型，获得儿童头部与地面发生碰撞过程中的动力学　响应，并将碰撞前瞬间头部的运动速度作为有限元　模型分析的输入条件，在ＬＳ—ＤＹＮＡ（９７１，ＬＳＴＣ，　Ｌｉｖｅｒｍｏｒｅ，ＣＡ，ＵＳＡ）软件中进行仿真计算，最终获　得１０岁儿童头部在典型跌落事故中的生物力学响　应过程。具体流程见图２。　１．３．１事故重建　选择Ｐｌｕｎｋｅｔｔ等统计的一起ｌＯ岁儿童低空跌　落事故进行事故，重建及有限元仿真分析。事故描　述为一名１０岁儿童在秋千向前摆至最高处时与秋　千脱离，从０．９～１．５米高处跌落，后脑撞击到沥青　地面上。ＣＴ检查显示伤情为：右顶叶及额叶交界处　出现硬脑膜下血肿，伴有颞叶沟回疝等病症。伤者　在血肿切除手术后第６　ｄ死亡。尸检报告显示：受　曹立波，等：ｌＯ岁儿童头部有限元模型的建立及验证　超过７　ｋＰａ时，会对大脑造成严重损伤的结论　；　而Ｋａｎｇ等则是利用ＵＬＰ成人头部模型与Ｈｙｂｒｉｄ假　人连接，进行假人跌落仿真和重构摩托车交通事　故，获得成人脑组织所能承受的ｙｏｎ．ｍｉｓｅｓ极限应力　在１１～１６．５　ｋＰａ之间　。因此，利用动物及成人　脑组织ｙｏｎ—ｍｉｓｅｓ应力耐受值来判断儿童脑组织的　损伤严重程度时，可能会存在一定误差，还需进一　步的研究，来获得更精确的１０岁儿童脑组织　ＶＯｎ－　ｍｉｓｅｓ应力耐受限度。此外，所建立的头部模型中，　脑组织与颅骨内表面采用共节点的连接方式，该模　拟方法也可能导致模型预测到的脑组织ｙｏｎ．ｍｉｓｅｓ　应力偏低　。　

４结论　本研究以ＣＴ数据为依据，建立了一个１０岁儿　童头部有限元模型。模型真实地反映了ｌ０岁儿童　头部解剖学结构及几何尺寸等特征。采用典型跌　落事故重建的方法对所建模型进行了验证。３组仿　真中，颅骨的最大应力和最大应变的分布位置与撞　击点的位置高度吻合，但均未超过颅骨的耐受值；　利用颅内压力及ｙｏｎ．ｍｉｓｅｓ应力对脑组织的损伤情　况进行了预测，并对基于不同损伤准则预测的脑组　织损伤结果的差异进行了分析。模型的仿真结果　与受害者损伤情况对比表明，本研究建立的１０岁儿　童头部有限元模型具有足够的生物逼真度，基本能　够预测颅骨及脑组织的损伤位置及损伤程度。