碰撞位置对行人头部生物力学模型损伤影响

吕晓江，马正伟，刘卫国，陈吉清，周大永，冯擎峰

（1. 浙江吉利汽车研究院有限公司，浙江，杭州 311228；2. 华南理工大学 机械与汽车工程学院，广东，广州 510641；3. 浙江省汽车安全技术研究重点实验室，浙江，杭州 311228）

在交通事故中，头部损伤是最为常见的损伤类型，是造成人类重伤或者死亡的主要原因。根据世界卫生组织统计数据表明，在道路交通中弱势道路使用者占总死亡人数中的50%，其中行人占总死亡人数中的22%[1]。在中国，由于混合式交通状况严重，行人受到的威胁更大。根据2010年统计数据，在中国，行人死亡占所有交通死亡人数的25%，共计689 996人[2]，因此进行行人损伤尤其是行人头部损伤的研究具有重要的现实意义。目前世界上评价行人头部损伤大多采用符合欧洲车辆安全促进委员会标准的（European Enhanced Vehicle-Safety Committee，EEVC）行人头部碰撞冲击器，以HIC15标准进行评价。然而，该评价标准由于仅考虑平移加速度的影响，对于人体头部生物力学其它性能未能良好体现；此外该冲击器几何尺寸等方面并不适合中国人体特征，对研究中国行人碰撞安全问题具有一定的局限性。

本文以具有中国50百分位人体特征的头部损伤生物力学模型为基础，通过对比EEVC行人头部碰撞冲击器，对行人头部颅骨、颅脑损伤进行研究，为我国行人保护安全开发相关标准制定及交通事故重建提供一些参考。

1 头部生物力学模型

1.1 头部损伤类型及机理

头部损伤主要分为颅伤及脑伤两大类。颅伤主要形式为面部软组织损伤以及面颅、头颅骨折。颅骨骨折分为凹陷性骨折和线性骨折，与行人有关的颅骨骨折主要和颅骨碰撞点以及接触范围有关，当颅骨碰撞区域较小时发生凹陷性骨折，这是由于碰撞点受力集中，能量通过局部骨折吸收；当碰撞区域较大时，能量扩散，头顶部的冲击易于在远离冲击点处产生较宽的线性骨折[3]。颅骨不同部位骨折时耐受限度见表1[4]。

表1 颅骨不同部位骨折时耐受限度

脑损伤主要形式为集中性脑损伤及弥漫性脑损伤。集中性脑损伤表现形式有硬膜外血肿、硬膜下血肿、蛛网膜下出血、脑内血肿及脑挫裂伤等；弥漫性脑损伤表现形式有脑震荡、弥散性轴突损伤。在交通事故中颅脑损伤主要是由动态载荷造成的。头部与车辆的接触碰撞会导致头颅变形产生接触力，头部所受的接触力产生应力波，随着应力波在颅脑内传播，在撞击侧产生正压力，在对撞侧产生负压力从而形成压力梯度，这样的机理使颅内压缩并产生了局部集中性脑损伤，表现形式为脑挫裂伤[5]。另一种情况是头部受惯性力作用会引起头部加速或减速运动，研究表明平移加速度是造成集中性脑损伤的主要原因，旋转加速度是造成弥漫性脑损伤的主要原因[6-7]。

1.2 头部生物力学模型

本文采用的头部损伤生物力学模型由华南理工大学主导开发完成。几何模型来自中国成年男性志愿者CT断层扫描图片，并通过网格划分、材料参数设置等完成模型的建立。模型总质量4.08 kg，描述了头部主要解剖学特征，包括头皮、颅骨、面骨、大脑镰、脑幕、小脑镰、软脑膜、脑脊液、大脑、小脑和脑干等结构，如图1所示[8]。

表2 人体头部测量尺寸对比单位：mm

将头部损伤生物力学模型与我国50百分位成年男性测量尺寸对比，由表2可知[9]，该生物力学有限元模型几何尺寸与中国50百分位人体测量尺寸十分接近，因此该模型具有广泛代表性。

表中，A指头部两耳屏间宽；B指头长（枕后隆突点到眉间点距离）；C指头最大长（眉间点至枕后点的直线距离）；D指头全高（颌下点到颅顶点竖直高度）；E指头围长度（以眉间点为起点经枕后点至起点的围长）；F指头矢状弧长（软卷尺在正中矢状面上测量从眉间点至枕外隆突点的弧长）；G指头冠状弧（在冠状面上测量从一侧耳屏点至另一侧耳屏点的弧长）。

模型验证基于Nahum尸体试验[10]，通过对比仿真与试验中接触力、头部质心加速度及颅内压力曲线，仿真与试验曲线数量级及峰值趋于一致，表明建立的头部损伤生物力学模型能够准确反映真实碰撞中人体颅内组织力学相应情况。

2 行人头部损伤研究

2.1 分析模型建立

对某车型前端3D几何模型进行几何清理、网格划分，网格单元基本尺寸为5 mm×5 mm，车辆前端有限元模型包括1 107 982个节点和1 115 218个单元。碰撞条件参考Euro-NCAP行人保护测试程序，头部生物力学模型发射角度为65°，碰撞速度为40 km/h。在人车碰撞中，不同行人步态及行人与车辆的相对位置关系将导致不同头部部位与车辆前端碰撞。根据行人头部与车辆前端初始接触位置不同将碰撞分析方案分为4种，见表3，将头部生物力学模型质心沿65°冲击方向对准同一目标点。

表3 分析方案

2.2 颅骨损伤分析

对于颅骨损伤评价，主要考虑颅骨骨折，评价标准参照表1颅骨不同部位骨折时耐受限度。

由图2可知，不同碰撞位置颅骨接触力-时间曲线整体趋势一致，峰值差异较小，但方案四中曲线在0.005 s左右出现较大震荡，这是由于颞骨与车辆前端接触后，随着头部发生翻转，面骨与车辆前端发生接触并吸收部分碰撞能量所致。参考表1颅骨不同部位骨折时耐受限度，方案一最大接触力5.9 kN，存在额骨骨折风险；方案二最大接触力5.8 kN，根据陈兴武等的研究，顶骨耐受限度为6.8～9.4 kN[11]，方案二低于顶骨破坏限值；方案三最大接触力5.8 kN，低于枕骨的破坏限值；方案四最大接触力5.9 kN，存在颞骨骨折风险。可见颅骨不同位置由于耐受限度不同，在同一目标点碰撞时会产生不同的损伤。在交通事故重构中也可以通过不同部位颅骨损伤程度来推算碰撞接触力大小，并结合其它材料对人的运动姿态及交通状况进行进一步分析。另外在方案四中由于面骨也与车辆前端发生接触，也存在一定面骨骨折的风险。

EEVC 4.5 kg成人头型与发动机罩外板碰撞后对比，如图3所示。整体来看，方案一至方案四产生凹痕形态与EEVC试验后类似，由于颅骨不同部位的几何形状不同，在发动机罩外板上产生略微不同的凹痕，方案一由于额骨近似半圆状，与EEVC试验结果较为一致。

2.3 颅脑损伤分析

2.3.1 颅内压力

Ward等人的研究指出，当颅内压力大于235 kPa，拉伸压力达到-186 kPa，会导致严重伤害，在173～235 kPa之间，会产生中度损伤[12]。根据图4所示，方案一额骨与车辆前端碰撞，碰撞侧额叶呈现正压力，碰撞对侧枕叶呈现负压力，最大压力分布在额叶位置，压力值为209.1 kPa，拉伸压力为-187.8 kPa，存在脑挫裂伤风险。方案二顶骨与车辆前端碰撞，碰撞侧顶叶呈现正压力为221.5 kPa，碰撞对侧枕叶及颞叶下部呈负压力为-202.3 kPa，存在脑挫裂伤风险。方案三枕骨与车辆前端碰撞，碰撞侧枕叶呈现正压力为165.5 kPa，碰撞对侧额叶呈现负压力，最大压力虽然未超出文献给定限值，但从医学角度来看，对脑的影响，枕骨的冲击力造成的影响是很大的，主要是因为颅骨内部结构造成：颅骨底部凹凸不平，前面骨脊锐利，而且存在锐利的大小脑幕。所以，医疗上，在条件相同的情况下，枕部冲击导致的脑伤较为严重。方案四颞骨与车辆前端碰撞，碰撞侧右颞叶呈现正压力，碰撞对侧左颞叶呈现负压力，但最大压力并未出现在碰撞侧及碰撞对侧，而出现在右颞叶下部，接近不规则部位压力值达到了344.9 kPa，存在严重脑挫裂伤风险。

2.3.2 颅内应力

Willinger等人的研究指出，当颅内等效应力达到15～20 kPa时，会导致脑震荡的出现，而当颅内等效应力达到38 kPa，会导致严重的脑损伤[3]。根据图5的结果，方案一、二颅内应力超出了限值范围，存在较严重脑震荡。方案三、四颅内应力在限值范围内，存在脑震荡风险。

2.3.3 HIC15

根据图6计算出HIC15值为：方案一2 030.31；方案二1 410.51；方案三1 810.24；方案四1 575.67；EEVC成人头部试验1 554.39。由图6可知，方案一、二、三、四合成加速度-时间曲线与EEVC成人头部试验趋势一致。但方案一、二、三、四曲线存在不规则震荡会引起HIC15值增加或减少，说明同一目标点不同颅骨碰撞位置HIC值差异较大。由于生物力学模型不是刚体，其运动和接触的问题导致HIC值差异，主要受接触力、变形和转动力矩或转动加速度等原因影响，这也就是说生物力学模型并不适用HIC 评价。

3 结论

本文利用头部生物力学模型研究了行人与车辆前端碰撞的头部损伤，得出以下结论。

（1）对颅骨损伤而言，在同一目标点进行碰撞时，由于颅骨碰撞位置不同，产生的颅骨损伤也不同。

（2）对颅脑损伤而言，利用颅内压力及颅内应力可以为判断集中性脑损伤及弥漫性脑损伤提供参考。

（3）本文头部生物力学模型与EEVC头部碰撞模型对比头部合成加速度曲线趋势一致，发动机罩外板变形接近，HIC15值随着碰撞位置不同，存在较大差异。

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