轎車－行人交通事故中下肢損傷重建分析

范簫翔，李 奎，劉盛雄，尹志勇

(1.重慶理工大學藥學與生物工程學院，重慶 400054;2.第三軍醫(yī)大學大坪醫(yī)院野戰(zhàn)外科研究所交通醫(yī)學研究所，重慶 400042)

汽車作為全世界最主要的運載工具之一，為人類的出行帶來了方便，但是從其誕生到快速發(fā)展的今天都伴隨著交通安全問題。道路交通事故不僅給各個國家?guī)砹司薮蟮呢敭a損失，也給各個家庭帶來了不可挽回的巨大的財產和精神損失。由世界衛(wèi)生組織(WHO)《2009年全球道路安全形勢報告》可知:在全球178個國家的事故統(tǒng)計中，每年有超過120萬人死于道路交通事故，經濟損失高達5180億美元［1］。我國2012道路交通事故統(tǒng)計年報顯示:全國2012年的事故總數(shù)量為204196起，死亡人數(shù)為59997人，導致的直接財產損失高達11.7億元人民幣［2］。在汽車交通事故中，車輛與行人發(fā)生碰撞的幾率相比其他形態(tài)(如車輛與固定障礙物相撞、兩車相撞等)較高，并且行人往往是交通事故中易受傷的弱勢群體，因此汽車與行人的碰撞問題已成為當今汽車生產企業(yè)、科研單位所關注和探討的熱點問題。自20世紀60年代以來，世界各國的研究人員針對此類事故開展了大量的研究:Michelle F.Heller，Heather N.Watson 等［3］運用美國國家數(shù)據庫對 1998—2006年行人事故中的30721例住院病人的損傷情況進行分析，發(fā)現(xiàn)行人下肢損傷占31%，其次是頭面部傷，占 20%;Carlos Arregui-Dalmases，F(xiàn)rancisco J.Lopez-Valdes，Maria Segui-Gomez［4］則通過對歐洲8個國家的行人傷害數(shù)據的分析得出，行人傷害中有51.1%伴有骨折以及21.3%為內傷;楊濟匡團隊［5］對發(fā)生在中國長沙的交通事故中的行人損傷進行分析，得到行人頭部及下肢受傷幾率分別為28.4%和27.4%。研究顯示:無論在發(fā)達國家還是發(fā)展中國家，交通事故中行人所受傷害幾率最大的兩個部位為頭部和下肢。

在車輛與行人交通事故中，行人下肢作為第二易致傷的部位，引起了世界范圍內的高度關注。在實際轎車－行人交通事故中，由于車輛與行人接觸的邊界條件具有多樣性，導致行人下肢損傷的成因機制較為復雜。總的來看，行人在與車輛發(fā)生交通事故時，行人下肢往往先與車輛的前保險杠、發(fā)動機罩邊緣接觸碰撞。如果車輛的速度過高，腿部所受的應力就會越大，相應造成的傷害也就越明顯，并且轎車相比其他車型更易造成下肢的損傷，所以轎車與行人下肢的損傷關系研究顯得尤為重要。行人下肢損傷的種類有股骨骨折、脛骨骨折、腓骨骨折、膝關節(jié)損傷、踝關節(jié)脫位和皮膚擦挫傷等［6－7］。在行人與轎車事故中，脛骨和腓骨的損傷機理主要歸因于下肢脛/腓骨與轎車前保險杠碰撞時造成脛/腓骨彎曲變形，當彎曲所產生的拉伸和壓縮應力超過其耐受極限時發(fā)生骨折［5］。

本研究對1例轎車與行人的交通事故案例進行下肢損傷重建研究，在確定轎車事發(fā)時車速的情況下，通過有限元仿真分析行人與轎車發(fā)生碰撞時的變化過程，以及行人下肢的生物力學響應過程，以此來觀察行人下肢被撞時的變化過程并與相應的尸檢損傷結果進行對比分析。該方法能對實際轎車－行人交通事故碰撞案例進行有效再現(xiàn)和分析，同時可為轎車－行人交通事故的司法鑒定提供科學依據。

1 事故案例

1.1 案情簡要介紹

事故案例于2013年10月某日凌晨5時發(fā)生在重慶市××區(qū)，駕駛員駕駛豐田凱美瑞(Camry)轎車由五星路往一碗水方向行駛。當轎車行駛至雙龍某路段時，與橫穿公路的行人發(fā)生接觸碰撞，行人的倒地位置距轎車最終停駛位置3.5 m。事故現(xiàn)場示意圖如圖1所示。

圖1 事故現(xiàn)場示意圖

1.2 車輛碰撞痕跡

事故轎車為豐田凱美瑞(Camry)GTM7240VNAVI。該車與行人發(fā)生碰撞后產生的痕跡如圖2所示，其主要變形受損部位位于車頭處。轎車前號牌與行人右下肢小腿處接觸，導致前號牌變形;前“豐田”logo標志變形，發(fā)動機蓋前端邊緣凹陷變形應是與行人大腿以及腰臀部接觸形成的;與行人胸腹部接觸產生發(fā)動機蓋中部刮擦痕跡;發(fā)動機蓋后部凹陷變形應是行人頭部撞擊形成。

圖2 事故轎車與行人發(fā)生碰撞后產生的痕跡

1.3 傳統(tǒng)法醫(yī)學檢驗

道路交通事故中的尸體檢驗是明確死亡原因及損傷方式的重要手段，尸檢報告的公正準確不僅有助于交通事故的成因調查，而且有利于分析事故中人體的損傷過程。該事故中死者尸檢報告顯示:尸長154 cm，面色黃，右額見6.1 cm ×2.9 cm范圍內片狀表皮剝脫伴皮下出血，枕骨大孔穿刺抽出不凝血，右眼眶周及瞼結膜見青紫、腫脹，右眼下瞼結膜見片狀出血;頸椎未捫及異?；顒?胸廓對稱無畸形，胸骨未捫及異常，右側肋骨捫及骨擦感;脊柱正常生理曲度，未捫及異?；顒蛹肮遣粮?盆骨捫及骨擦感;右上臂中份前側見廣泛皮下青紫，右肱骨捫及骨擦感;右小腿前側有3.5 cm×3 cm擦挫傷痕，右側脛骨上段不全性骨折，右側腓骨多發(fā)骨折。通過尸體檢驗確定死者的死亡原因系全身多組織器官損傷死亡。死者后右下肢有明顯的骨折現(xiàn)象。

1.4 車速確定

車輛的超速行駛是導致交通事故的重要原因之一，速度的快慢直接影響碰撞時的嚴重程度，較高的行駛速度往往意味著駕駛員、乘客與行人有較高的損傷風險。如今車輛速度確定已得到了廣泛的重視，確定事故車輛的速度不僅有助于交通事故成因分析、交通事故與責任劃分處理，而且對于駕駛員、乘客與行人的傷情以及致傷機理的分析有著不可忽略的作用。交通事故中車輛速度確定的傳統(tǒng)方法大致可以分為以下幾種［8］:制動痕跡、現(xiàn)場路試、車體散落物拋距、車輛變形程度、人體拋距、監(jiān)控視頻等。

事故數(shù)據記錄器EDR(event data recorders)作為機動車輛上的“黑匣子”，已經在美國得到了較為廣泛的應用［9］。EDR可以有效記錄事故發(fā)生時車輛速度的變化、剎車及油門等重要參數(shù)，因此該數(shù)據為汽車廠商分析相應車輛的運行狀態(tài)以及缺陷、進而優(yōu)化車輛的設計提供重要技術支持。

本事故案例中凱美瑞轎車的EDR事故數(shù)據記錄器所記錄事故發(fā)生時5 s間車輛的數(shù)據(車輛速度、發(fā)動機轉速以及制動啟停)如圖3所示 。EDR通過車輛的減速度迅速增加或者氣囊點爆產生記錄。由數(shù)據可知:車輛制動于－4 s，并且從－3 s開始全制動，符合駕駛員0.4～0.8 s制動反應時間［10］;在－4 s制動有效前，該車的車速及發(fā)動機轉速分別為46 km/h和2000 r/min;制動有效時的車速為48 km/h，發(fā)動機轉速為1200 r/min;當車速減至40 km/h時EDR出現(xiàn)記錄點。因為當轎車撞擊行人瞬間產生巨大的減速度，所以該事故中凱美瑞轎車與行人發(fā)生碰撞時的速度為EDR出現(xiàn)記錄點時的速度——40 km/h。

圖3 EDR數(shù)據

2 事故仿真重建

2.1 事故重建的基本理論

隨著計算機仿真技術在工程領域中的飛速發(fā)展和廣泛應用，汽車碰撞模擬在有限元仿真領域具有非常重要的位置。轎車－行人碰撞過程的有限元法分析能準確模擬車身和人體發(fā)生碰撞時人體各部位受載時的位移、變形、應變和應力［11］。因為有限元算法在計算過程中無需考慮收斂問題且在接觸算法方面具有一定優(yōu)勢，所以在人車碰撞仿真中已得到廣泛運用。本研究選用人體有限元模型、凱美瑞轎車有限元模型以及有限元顯式算法軟件LS-DYNA進行人體下肢生物力學響應的精確分析［12］。

2.2 行人模型

本研究采用由豐田公司和豐田中心研究實驗室共同開發(fā)的THUMS(total human model for safety)4.0 有限元人體模型［13－14］。該版本的模型是于2010年完成的最新模型，它由2×106個有限元單元組成，并且有人體體內器官的模型，模型各個部分的材料屬性都根據相應的法規(guī)要求定義。根據事故案例中行人的體型特征，在THUMS4.0人體有限元模型的基礎上，通過網格縮放技術得到身高為1.54 m的行人模型。

2.3 車輛模型

車輛模型采用經美國國家汽車碰撞分析中心(national crash analysis center，NCAC)驗證的轎車模型。該轎車模型共有超過1670000個有限元網格單元，其材料和屬性的定義符合基本法規(guī)要求，可用于汽車動力學仿真研究。

2.4 行人下肢損傷重建方法

運用上述行人模型以及車輛模型構建本案例事發(fā)時行人橫穿公路被車輛撞擊時的接觸形態(tài)，如圖4所示。行人與車輛的碰撞角度為行人行走方向與車輛行駛方向成90°的夾角。由案例可知:行人是從轎車車行方向的左至右行走的，所以轎車車頭應與行人身體右側發(fā)生碰撞。另外，設置好仿真程序的初始條件，如已經確定的轎車與行人碰撞時的速度(40 km/h)、摩擦因數(shù)(靜摩擦因數(shù)FS為0.67，動摩擦因數(shù) FD為0.65)以及人與車輛的接觸特性等。

圖4 轎車與行人碰撞形態(tài)

2.5 有限元碰撞仿真結果

轎車以40 km/h的速度與行人發(fā)生碰撞。仿真過程中在0，20，40，100 ms時的情景如圖5所示，其中:在t=0 ms時為下肢還未與轎車車頭發(fā)生接觸時的原始狀態(tài);在t=20 ms時，轎車前保險杠與行人左側大腿、小腿發(fā)生碰撞，與尸檢報告右小腿前側有3.5 cm×3 cm擦挫傷痕，右側脛骨上段不全性骨折，右側腓骨多發(fā)骨折的傷情吻合;在t=40 ms時，當轎車前保險杠與行人左側大腿、小腿接觸的同時，人體軀干部位由于慣性作用往轎車引擎蓋方向傾側;在t=100 ms時，行人顱腦左側方向與發(fā)動機引擎蓋發(fā)生碰撞，左側胸腰部、背臀部與引擎罩完全接觸，同時下肢與前保險杠分離并向上運動，與尸檢報告的傷情相吻合。

圖5 仿真碰撞過程

圖6為行人右下肢的脛骨與轎車車頭接觸碰撞時脛骨和腓骨von Mises等效應力云圖。其中:脛骨在碰撞發(fā)生后第25 ms的von Mises等效應力達到最大值198 MPa;在與脛骨發(fā)生碰撞后的相同時刻，脛骨的von Mises等效應力也在25 ms時達到最大值243 MPa。

圖6 脛、腓骨von Mises等效應力云圖

由于脛骨和腓骨中段的von Mises等效應力(198，243 MPa)超過脛、腓骨的失效應力(100～125 MPa)［15］最大值，因此行人右下肢脛、腓骨出現(xiàn)骨折現(xiàn)象。該仿真結果與醫(yī)院的CT掃描影像圖(如圖7)顯示的結果一致。由此可見:行人下肢有限元仿真的動力學響應符合行人與轎車發(fā)生碰撞的情況。

圖7 骨折CT圖

3 結束語

計算機仿真技術對于汽車交通事故事發(fā)過程以及事故中受害人的身體損傷的分析起著越來越重要的作用。有限元仿真方法已經被視為最為有效且可靠的研究交通事故中人體損傷機制和車輛損壞情況的技術［6－15］。研究人員可以通過事故發(fā)生后有限的線索如事故現(xiàn)場圖、現(xiàn)場照片或者是視頻資料片段等對事故現(xiàn)場進行仿真再現(xiàn)，之后根據事故參與方的散落物、痕跡以及最終停駛位置來還原整個事發(fā)過程。事故再現(xiàn)還能提供事故過程中的重要數(shù)據參數(shù)和證據，例如碰撞時的車輛速度、車輛損毀過程和具體受力作用點、車外或車內人體所受損傷的位置和作用力的變化過程等。

本文根據1例行人－轎車交通事故案例中的數(shù)據記錄器EDR、法醫(yī)學尸檢報告、事故現(xiàn)場圖和現(xiàn)場照片，科學有效地得到了事故轎車的碰撞速度、車輛受損的部位以及行人的受傷部位的嚴重程度。采用綜合對比研究的方法，在THUMS4.0人體有限元模型的基礎上同時構建車輛有限元模型，成功地再現(xiàn)了車輛與行人碰撞時人體的整個動力學響應過程，所得到的人體仿真應力分布與實際損傷一致。本研究進一步表明:EDR、尸檢報告及計算機仿真技術的綜合運用可在真實交通事故成因分析及司法鑒定中發(fā)揮重要作用。

［1］王正國.現(xiàn)代交通醫(yī)學［M］.重慶:重慶出版社，2011:22.

［2］中華人民共和國道路交通事故統(tǒng)計年報［M］.2012年版.北京:人民交通出版社，2012.

［3］Michelle F H，Heather N W，Johan I B.Using National Databases to Evaluate Injury Patterns in Pedestrian Impacts［R］.［S.l.］:SAE Technical Papers，2009.

［4］Carlos Arregui-Dalmases，F(xiàn)rancisco J Lopez-Valdes，Maria S G.Pedestrian injuries in eight European countries:An analysis of hospital discharge data［J］.Accident Analysis ＆ Prevention，2010，42(4):1164－1171.

［5］楊濟匡.汽車與行人碰撞中的損傷生物力學研究概況［J］.汽車工程學報，2011，1(2):1－13.

［6］Kong Chunyu，Yang Jikuang.Logistic Regression Analysis of Pedestrian Casualty Risk in Passenger Vehicle Collisions in China［J］.Accident Analysis ＆Prevention，2010，42(4):987－993.

［7］郭磊，金先龍，申杰，等.人車碰撞事故的行人傷害研究［J］.上海交通大學學報，2007，41(2):262－267.

［8］房建昌.道路交通事故現(xiàn)場勘查與分析再現(xiàn)及責任認定全書［M］.北京:人民交通出版社，2005.

［9］沈明，陳玉忠，蘭雁飛.汽車事故數(shù)據記錄裝置的應用及標準化展望［J］.標準科學，2009(12):28－34.

［10］于長吉，陶沙.道路交通事故技術鑒定方法［M］.大連:大連理工大學出版社，2011:82－84.

［11］韓勇，楊濟匡，李凡，等.汽車－行人碰撞中人體下肢骨折的有限元分析［J］.吉林大學學報:工學版，2011，41(1):6－11.

［12］胡遠志，曾必強，謝書港.基于 LS-DYNA和Hyper-Works的汽車安全仿真分析［M］.北京:清華大學出版社，2011:9－12.

［13］TOYOTA Motor Corporation.The Documentation of Total Human Model for Safety［M］.Japan:［s.n.］，2011:26－29.

［14］Kei Nagasaka，Koji Mizuno，Eiichi Tanaka.Finite Element Analysis of Knee Injury Risks in Car-to-Pedestrain-Impacts［J］.Traffic Injury Prevention，2003，4(4):1121－1126.

［15］Mizuno K，Nagasaka K，Kajzer J.Finite element analysis of pedestrian knee injuries from various impact［C］//Proceedings of the 2nd International Forum of Automotive Traffic Satety.USA:［s.n.］，2002:57－67.