汽車碰撞中護(hù)欄貫穿人體肝臟的損傷研究

朱鳳磊，郭唯浩，尹 菲，李宇吉，郭世永,*

(1.青島理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，青島 266525；2.伍倫貢大學(xué)，伍倫貢 2522)

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，我國私家車的數(shù)量快速增加，交通事故的發(fā)生率與汽車保有量成正比[1]。研究數(shù)據(jù)表明，胸腹部損傷占交通事故傷的13%～15%，而其中肝損傷是最常見的交通事故損傷類型之一[2]。肝臟是人體胸腹中最大的實(shí)質(zhì)器官，主要由左、右肝葉通過中鐮狀韌帶連接而成，在事故中是最容易受到損傷的器官。近期相關(guān)資料數(shù)據(jù)顯示，肝臟損傷死亡率有6%～15%[3]。

目前國內(nèi)外汽車碰撞研究大多局限于汽車與物體的鈍性碰撞，而關(guān)于碰撞物體與汽車駕駛員的人體組織侵徹?fù)p傷研究較少。此外，國內(nèi)外傳統(tǒng)的損傷模型價(jià)格昂貴、耗時(shí)且無法重復(fù)實(shí)驗(yàn)，而且很難觀察到生物體的特征，因此很難動(dòng)態(tài)、直觀地觀察和研究貫穿物與人體組織的相互作用。因此開展在汽車碰撞道路護(hù)欄下對人體胸腹部侵徹?fù)p傷有限元分析研究，對于提高汽車的被動(dòng)安全性能，減少在交通事故中的傷亡人員的數(shù)量，有重要的參考價(jià)值。

長桿高速侵徹問題的相關(guān)研究開始于20世紀(jì)Allen和Rogers最早公開發(fā)表的長桿彈高速侵徹問題，在1.5～3.0 km/s的高速下高密度金屬制造的長桿彈具有很強(qiáng)的侵徹貫穿能力，長桿彈和靶板之間使用的侵徹算法可以與失效準(zhǔn)則一起使用。采用的有限元算法根據(jù)單元的塑性應(yīng)變進(jìn)行計(jì)算，判斷該外力所引起的形變是否完全消失，當(dāng)外力大小超過單元的失效點(diǎn)數(shù)值時(shí)，單元失效[4]，計(jì)算中該失效的單元將被刪除。

本文類比動(dòng)能桿(Kinetic Energy Rod，KE-Rod)侵徹目標(biāo)靶這一經(jīng)典的彈靶系統(tǒng)損傷評估問題，從有限元的角度分析道路護(hù)欄貫穿肝臟及胸腹部骨骼的損傷機(jī)理。采用醫(yī)學(xué)CT掃描，獲得人體肝臟及胸腹部骨骼的主要幾何參數(shù)，建立薄壁長桿貫穿胸腹部有限元模型。并運(yùn)用LS-DYNA有限元處理軟件進(jìn)行參數(shù)設(shè)置及仿真計(jì)算，利用后處理軟件Hyperview來觀察乘員胸腹部的貫穿過程和受傷程度。同時(shí)選取國內(nèi)汽車碰撞城市道路護(hù)欄造成的貫穿人體下腹部醫(yī)學(xué)案例和事故案例進(jìn)行簡單的驗(yàn)證。

1 城市道路護(hù)欄入侵人體肝臟有限元模型的建立

1.1 肝臟及胸腹部骨骼幾何模型建立

本文基于我國五十百分位的成年男性平均體型，選擇身高173 cm,體重67 kg的健康成年男性志愿者作為CT(Computed Tomography)掃描對象,進(jìn)行CT掃描，獲得人體胸腹部生物模型的數(shù)據(jù)，掃描層厚為0.6 mm，可精確地捕捉胸腹部骨骼與肝臟的幾何信息。

利用Mimics數(shù)據(jù)處理工具進(jìn)行圖像涂抹和分割來建立準(zhǔn)確的人體三維模型。同時(shí)利用Mimics下的3-Matic進(jìn)行建模后的后處理， 對多模型曲面和漏洞等進(jìn)行改進(jìn)，生成胸腹部骨骼以及肝臟圖像。胸腹部包括胸骨、肋骨、脊椎等。肝臟包括左肝葉、右肝葉以及鐮狀韌帶等。圖1為人體肝臟及胸腹部骨骼CT掃描圖像。利用GEOMAGIC軟件對CT點(diǎn)云圖像進(jìn)行去噪、濾波和數(shù)據(jù)平滑等處理，最后利用NURBS建模方式生成表面光滑的幾何曲面模型。利用三維建模軟件SolidWorks按照標(biāo)準(zhǔn)城市道路護(hù)欄尺寸進(jìn)行三維模型建立，如圖2所示。建立的三維模型采用IGES格式進(jìn)行儲存，為有限元薄壁長桿模型構(gòu)建做前期準(zhǔn)備。

圖1 肝臟及胸腹部骨骼CT掃描

圖2 城市道路護(hù)欄三維幾何模型

1.2 肝臟及胸腹部骨骼與道路護(hù)欄有限元模型建立

利用有限元前處理軟件Hypermesh對胸腹部骨骼、肝臟及城市道路護(hù)欄幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，利用LS-DYNA內(nèi)置的有限元前處理軟件LS-PrePost進(jìn)行模型的屬性、材料、關(guān)鍵字及速度設(shè)置。碰撞貫穿有限元模型如圖3所示。

圖3 肝臟及胸腹部骨骼-薄壁長桿碰撞貫穿有限元模型

為了提高計(jì)算效率和精度，薄壁長桿的網(wǎng)格與胸腹部接觸較近區(qū)域采用局部加密的方法。城市道路護(hù)欄簡化為薄壁長桿，薄壁長桿的單元類型為SectShll，肝臟和胸腹部骨骼的單元類型均為SectSld。薄壁長桿與胸腹部骨骼的網(wǎng)格單元采用八節(jié)點(diǎn)六面體，由于肝臟幾何模型不規(guī)則，所以肝臟的網(wǎng)格單元采用四節(jié)點(diǎn)四面體，以更好表現(xiàn)出肝臟的實(shí)際形狀。薄壁長桿與肝臟以及胸腹部骨骼與肝臟之間的接觸方式均采用ERODING_SURFACE_TO_SURFACE，胸腹部骨骼之間的接觸方式采用SingeSurface定義其自接觸。靜摩擦系數(shù)與動(dòng)摩擦系數(shù)均設(shè)定為0.2。

薄壁長桿侵徹肝臟及胸腹部骨骼模型包括156 109個(gè)節(jié)點(diǎn)、8 800個(gè)殼單元、138 027個(gè)體單元。參考人體醫(yī)學(xué)解剖結(jié)構(gòu)連接胸骨和肋骨、肋骨和肋骨模型，采用共節(jié)點(diǎn)連接模擬，采用剛性連接肋骨和脊椎模型進(jìn)行模擬。

1.3 肝臟及胸腹部骨骼材料參數(shù)

生物模型材料參數(shù)的相關(guān)數(shù)值參考前人進(jìn)行的肋骨胸骨三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)來設(shè)定[5]。如表1所示，材料參數(shù)均來自相關(guān)參考文獻(xiàn)。胸腹部結(jié)構(gòu)模型中的胸骨定義為線彈性材料[6]，肋骨定義為線彈性材料[7]，肋軟骨定義為彈性材料[8]，脊椎定義為彈性材料[9]。肝臟器官定義為黏彈性材料，其材料參數(shù)[10]如表2所示。為了清晰地表現(xiàn)城市道路護(hù)欄入侵肝臟時(shí)的過程，圖3沒有顯示人體胸腹部內(nèi)臟整體模型，只顯示出肝臟及胸腹部骨骼結(jié)構(gòu)的相對位置關(guān)系。

表1 生物模型的基本參數(shù)

表2 肝臟器官的材料參數(shù)

由于城市道路護(hù)欄與生物材料特性相差較大，在汽車與城市道路護(hù)欄相撞的過程中，城市道路護(hù)欄貫穿人體時(shí)基本不發(fā)生變化，故將薄壁長桿定義為剛性材料，材料參數(shù)如表3所示。

表3 薄壁長桿的材料參數(shù)

2 模型驗(yàn)證

2.1 事故案例

2018年9月11日，在浙江臺州做生意的張某在一紅綠燈處發(fā)生碰撞車禍，路邊的道路護(hù)欄穿透了車身之后，接著刺穿了張某的身體與座椅靠背。圖4顯示，道路護(hù)欄從他的左腹股溝進(jìn)入，左腰部刺出，長度有25 cm。胸腹部貫穿處肋骨斷裂，大量人體內(nèi)部組織器官被道路護(hù)欄穿透，動(dòng)脈與靜脈被撕裂，造成大量出血，貫穿處皮膚等組織被道路護(hù)欄嚴(yán)重挫傷，與圖5仿真一致。

圖4 施救現(xiàn)場與薄壁長桿

2.2 仿真驗(yàn)證

本實(shí)驗(yàn)中使用的城市道路護(hù)欄簡化成薄壁長桿，建模中薄壁長桿的長度、質(zhì)量等數(shù)據(jù)均來源于實(shí)際測量與稱重，其中實(shí)際稱重得縱向長度為50 cm,橫截面為4 cm×3 cm的道路護(hù)欄的質(zhì)量為0.8 kg。LS-DYNA仿真中定義薄壁長桿的X-Velocity為60 km/h。護(hù)欄入侵肝臟及胸腹部骨骼起始點(diǎn)如圖3(d)所示。模擬時(shí)間為8 ms，仿真過程取四個(gè)關(guān)鍵性時(shí)刻進(jìn)行分析，包括(a)起始時(shí)刻；(b)接觸肝臟時(shí)刻；(c)接觸胸后肋骨時(shí)刻；(d)侵徹貫穿整個(gè)肝臟及胸腹部骨骼時(shí)刻，圖5為薄壁長桿在0，0.5，4.5，6.0 ms時(shí)碰撞肝臟及胸腹部骨骼時(shí)刻狀態(tài)以及時(shí)刻應(yīng)力圖。上下兩圖在同一視圖下，為了更清晰地描述肝臟受力圖，下圖是肝臟的單獨(dú)顯示。

0～0.5 ms時(shí)穿透部位的肋骨發(fā)生斷裂，肝臟開始被薄壁長桿穿透，如圖5(b)所示。4.5 ms時(shí)，腹部背面肋骨被護(hù)欄長桿碰撞沖擊，薄壁長桿基本貫穿胸腹部，肝臟遭到侵徹，并被擠壓穿透(圖5(c))。4.5～6.0 ms時(shí)胸腹部后肋骨斷裂，薄壁長桿完全貫穿胸腹部并裸露在人體外，肝臟遭到完全性侵徹，并被薄壁長桿擠壓發(fā)生移位(圖5(d))。

為了清晰顯示城市道路護(hù)欄入侵肝臟及發(fā)生變形的骨骼結(jié)構(gòu)，圖6隱藏了薄壁長桿有限元模型，只保留肝臟與胸腹部骨骼的相對位置關(guān)系。此時(shí)薄壁長桿完全穿過胸腹部并裸露在人體外，胸腹部及肝臟已經(jīng)被薄壁長桿穿透，薄壁長桿穿透部位的前后肋骨發(fā)生斷裂，其他部位的肋骨發(fā)生少量的位移，肝臟組織器官遭到入侵貫穿。醫(yī)學(xué)案例：護(hù)欄貫穿張某的左腹股溝和左腰部，貫穿長度約為25 cm，傷者胸腹部左下方前后肋骨斷裂，內(nèi)部組織器官被入侵貫穿。與圖5仿真過程一致。

圖5 護(hù)欄長桿貫穿肝臟及胸腹部骨骼仿真過程

圖6 肝臟及胸腹部骨骼貫穿仿真結(jié)果

3 人體肝臟的損傷研究

在高速長桿侵徹靶板的損傷效應(yīng)研究中，損傷特征用動(dòng)能桿的侵徹體積和靶板的變形體積來描述，高速長桿碰撞的損傷指數(shù)由它們的加權(quán)求和來計(jì)算[11]。本研究針對城市道路護(hù)欄侵徹目標(biāo)靶——肝臟及胸腹部骨骼建立動(dòng)能桿碰撞損傷指標(biāo)，用于衡量薄壁長桿碰撞與貫穿人體肝臟造成的損傷程度。薄壁長桿的微元(單元)侵徹體積Vρ定義為

(1)

式中：n為薄壁長桿模型的微元總數(shù)；Zi為微元i相對于目標(biāo)靶板上表面的位置，靶板內(nèi)部為正；H為目標(biāo)靶板被侵徹的總深度；mi為薄壁長桿微元i的質(zhì)量；ρrod為薄壁長桿的密度。

在薄壁長桿的碰撞和侵徹過程中，靶板材料發(fā)生塑性變形，產(chǎn)生凹陷和缺口。對于靶板，在其微元模型中超過塑性應(yīng)變閾值的所有微元體積的總和可以用作靶的穿透程度的度量。因此，靶板變形體積Vd定義為

(2)

D=λ1·Vρ+λ2·Vd。

(3)

式(2)(3)中：l為靶板模型的微元總數(shù)；mj為微元j的質(zhì)量；ρplate為靶板密度；D為城市道路護(hù)欄的碰撞損傷指標(biāo)；λ1，λ2為加權(quán)系數(shù)，λ1取0.995，λ2取0.0995。

當(dāng)高速長桿以傾斜角度侵徹靶板時(shí)，長桿角度增大，靶的變形量增大，但穿透深度減小，故將λ2取0.0995以降低靶板變形體積在侵徹指標(biāo)中所占的權(quán)重。在目標(biāo)靶板——肝臟及胸腹部骨骼被侵徹的總深度H一定時(shí)，薄壁長桿貫穿肝臟及胸腹部骨骼的損傷程度與以下因素有關(guān)：

3.1 質(zhì)量

由式(1)可以看出,薄壁長桿的微元侵徹體積與薄壁長桿微元的質(zhì)量呈正相關(guān)。由于實(shí)際中薄壁長桿為固定端，汽車與乘員為移動(dòng)端，故汽車和乘員的總質(zhì)量與薄壁長桿貫穿人體肝臟及胸腹部骨骼器官的損傷程度成正比，汽車與乘員的總質(zhì)量越大，侵徹效果就越大，肝臟及胸腹部骨骼的損傷越嚴(yán)重。

3.2 速度角

由式(1)可知，微元i相對于目標(biāo)靶板上表面的位置Zi與薄壁長桿的微元(單元)侵徹體積Vρ成正比，根據(jù)圖7分析可知：

圖7 微元i相對位置

Zi=l·sinφ

(4)

式中：l為薄壁長桿的微元(單元)到撞擊中心的直線距離。

由式(4)可知，當(dāng)l一定時(shí)，速度角φ越大，微元i相對于目標(biāo)靶板上表面的位置Zi越大。即速度角φ越大，薄壁長桿的侵徹體積越大，造成的肝臟及胸腹部骨骼損傷程度越大。

3.3 密度

由式(1)(2)可以看出，薄壁長桿碰撞侵徹過程中，薄壁長桿和目標(biāo)靶——肝臟及胸腹部骨骼的密度與薄壁長桿貫穿人體胸腹部的損傷程度成反比。薄壁長桿(鋼鐵材料)與肝臟及胸腹部骨骼(生物材料)的密度基本保持不變，故在本研究中不考慮密度給肝臟損傷帶來的相關(guān)影響。

4 損傷機(jī)理

4.1 直接損傷

當(dāng)城市道路護(hù)欄沿著其運(yùn)動(dòng)的方向前進(jìn)穿透肝臟時(shí)，護(hù)欄長桿直接破壞肝臟內(nèi)部組織，造成肝臟的貫穿損傷[12]。為了提高本貫穿模型的可視化，本研究視汽車與薄壁長桿為一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，忽略其他微小的能量損失。根據(jù)動(dòng)能定理，汽車碰撞城市道路護(hù)欄前的自身動(dòng)能主要取決于汽車碰撞護(hù)欄的速度，即

(5)

式中：EK為碰撞動(dòng)能；m為汽車與乘員的總質(zhì)量；v為汽車的速度。

薄壁長桿的動(dòng)能主要消耗在對肝臟和胸腹部骨骼的直接損傷作用上。它作用于折斷胸腹部前后肋骨與刺穿肝臟及損壞通道周圍的組織和內(nèi)臟等，對其造成直接損傷。

4.2 間接損傷

在護(hù)欄的薄壁長桿以一定的速度貫穿乘員的肝臟及胸腹部骨骼過程中，其本身具備很大能量。首先，碰撞產(chǎn)生的壓力波的傳遞效應(yīng)可通過能量傳遞的方式將其傳導(dǎo)給肝臟、胸骨骼、軟組織和其他薄壁長桿周圍的組織，造成鄰近器官的損傷[13]。

其次，由于肝臟等胸腹部器官組織通過肌肉組織、血管等互相連接，彼此之間存在粘連力，當(dāng)肝臟被城市道路護(hù)欄刺穿時(shí)，肝臟在胸腹部發(fā)生相對位移，隨后肝臟周圍的組織會迅速地發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生二次間接損傷。

5 結(jié)論

1) 建立了我國成年男性肝臟及胸腹部骨骼的有限元模型。該模型能夠比較準(zhǔn)確地模擬道路護(hù)欄貫穿人體肝臟及胸腹部的損傷特性。

2) 模型驗(yàn)證參考了醫(yī)學(xué)貫穿案例和事故調(diào)研案例，通過分析汽車碰撞城市道路護(hù)欄產(chǎn)生的貫穿過程中肝臟的貫穿現(xiàn)象與胸腹部骨骼骨折和斷裂的現(xiàn)象，該模型與實(shí)際情況吻合較好，具有一定的可靠性。

3) 通過類比高速長桿侵徹目標(biāo)靶過程中彈靶系統(tǒng)毀傷評估問題的侵徹效應(yīng)，分析出肝臟的損傷情況與汽車和乘員總質(zhì)量、速度角具有直接的關(guān)系。

4) 本文分析結(jié)果為將來國家制定城市道路護(hù)欄的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)提供了理論分析依據(jù)。同時(shí)為城市道路護(hù)欄貫穿人體肝臟組織及胸腹部骨骼將可能發(fā)生的損傷情況作為臨床醫(yī)學(xué)傷勢評估的相關(guān)依據(jù)，以及為肝臟及其他內(nèi)臟器官貫穿損傷治療提供重要的參考。

本研究也存在一定的局限性。肝臟及胸腹部骨骼模型沒有細(xì)化胸腔內(nèi)部其他組織器官以及皮膚和肌肉組織，而皮膚和內(nèi)臟組織對城市道路護(hù)欄的穿透會產(chǎn)生阻力等其他因素，對其在胸腔內(nèi)部運(yùn)動(dòng)動(dòng)能的衰減和軌跡的變化都具有一定的影響。

由于人體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，道路護(hù)欄高速碰撞人體造成的損傷機(jī)制非常復(fù)雜。后期仍需要不斷開展學(xué)習(xí)與研究，提高有限元模型的應(yīng)用性與準(zhǔn)確性。