基于兒童頭部有限元模型的顱內(nèi)響應(yīng)研究

崔世海，陳 越，阮世捷，李海巖（天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222）

基于兒童頭部有限元模型的顱內(nèi)響應(yīng)研究

崔世海，陳 越，阮世捷，李海巖
（天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222）

應(yīng)用基于CT數(shù)據(jù)構(gòu)建的3歲兒童頭部有限元模型，參照成人尸體實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行頭部撞擊仿真實(shí)驗(yàn)，并將頭部顱內(nèi)響應(yīng)結(jié)果同尸體實(shí)驗(yàn)以及6歲兒童頭部進(jìn)行了對比分析.結(jié)果表明：顱骨剛度的增加會引起撞擊側(cè)顱內(nèi)壓力減小、對撞側(cè)顱內(nèi)壓力增大、腦組織von Mises應(yīng)力減小以及腦組織最大剪應(yīng)力減小，說明在同一沖擊載荷條件下，顱骨剛度的增加會使撞擊側(cè)的腦組織挫傷風(fēng)險(xiǎn)降低.根據(jù)研究結(jié)果，建議針對不同年齡段人群制定不同的腦損傷準(zhǔn)則.

兒童頭部有限元模型；頭部撞擊；顱骨剛度；顱內(nèi)響應(yīng)

顱腦撞擊性損傷，在航天、交通、施工和生產(chǎn)有關(guān)事故中占有相當(dāng)大的比例［1-2］.頭部在受到重物撞擊時(shí)有可能會發(fā)生顱骨骨折以及腦損傷，而腦損傷是致死與致殘的首要原因，特別是兒童與青少年［3］.顱內(nèi)壓是導(dǎo)致腦挫裂傷、撕裂傷的直接原因［4］，顱內(nèi)壓力耐受極限是Ward等［5］在動(dòng)物、人尸體實(shí)驗(yàn)和有限元模型的基礎(chǔ)上提出來的，Ward推薦的耐受值為：顱內(nèi)壓力峰值超過235，kPa時(shí)大腦組織會發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷；顱內(nèi)壓力峰值在173～235，kPa范圍內(nèi)時(shí)大腦組織會發(fā)生中等程度傷害；顱內(nèi)壓力低于173，kPa時(shí)大腦組織會發(fā)生輕微傷害或者無傷害.Willinger等［6］的研究認(rèn)為：17，kPa是中等腦神經(jīng)損傷發(fā)生的應(yīng)力限值；33，kPa是嚴(yán)重腦神經(jīng)損傷的限值.Roth等［7］應(yīng)用3歲兒童頭部有限元模型重構(gòu)25例兒童墜落事故，認(rèn)為von Mises應(yīng)力可用來預(yù)測兒童中度腦神經(jīng)損傷，當(dāng)腦組織應(yīng)力超過11，kPa時(shí)發(fā)生神經(jīng)損傷的概率為50%，.Zhang等［8］應(yīng)用成人頭部有限元模型重構(gòu)24例橄欖球運(yùn)動(dòng)員腦損傷事故，指出腦干區(qū)域的剪應(yīng)力可用來預(yù)測輕度創(chuàng)傷性腦損傷.綜上所述，由于研究顱腦損傷的樣本年齡不同導(dǎo)致樣本的頭部尺寸和頭部材料有差異，不同研究者對顱腦損傷提出了不同的損傷閾值，但所有研究者都將顱內(nèi)壓力、腦組織von Mises應(yīng)力和剪應(yīng)力等顱內(nèi)響應(yīng)作為評價(jià)腦損傷的重要指標(biāo).

為分析樣本年齡和頭部材料的差異對顱內(nèi)響應(yīng)的影響，本研究應(yīng)用已構(gòu)建的3歲兒童頭部有限元模型，參照成人頭部尸體實(shí)驗(yàn)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，輸出顱內(nèi)壓力、腦組織von Mises應(yīng)力和剪應(yīng)力等顱內(nèi)響應(yīng)參數(shù)，并與成人尸體實(shí)驗(yàn)的顱內(nèi)響應(yīng)結(jié)果進(jìn)行對比分析，探討不同年齡段的頭部模型在同一載荷條件下顱內(nèi)響應(yīng)的差異性；對顱骨材料進(jìn)行參數(shù)分析，研究顱骨彈性模量的變化對顱內(nèi)響應(yīng)的影響.

1 方 法

1.1 頭部有限元模型簡述

本研究基于無明顯腦損傷的3歲兒童頭部CT數(shù)據(jù)構(gòu)建了具有詳細(xì)解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的3歲兒童頭部有限元模型［9］，并對腦組織深部結(jié)構(gòu)做了較詳細(xì)的劃分，如圖1所示，該模型包括頭皮、顱骨皮質(zhì)骨（內(nèi)板和外板）、顱骨松質(zhì)骨（板障）、顱骨骨縫、竇溝、面骨、顴骨、犁骨、上頜骨、下頜骨、牙齒、腦脊液、大腦白質(zhì)、大腦灰質(zhì)、小腦、腦干、腦室、海馬體、胼胝體、間腦、大腦鐮、小腦幕、硬腦膜、軟腦膜等組織結(jié)構(gòu).該模型除大腦鐮、小腦幕、腦膜等組織采用殼單元?jiǎng)澐忠酝?，其他結(jié)構(gòu)均采用六面體單元.整個(gè)頭部模型均采用共節(jié)點(diǎn)連接，總計(jì)71，232個(gè)體單元、5，300個(gè)殼單元和86，327個(gè)節(jié)點(diǎn)，模型總質(zhì)量為2.797，kg，模型各部分材料參數(shù)的具體定義見表1［9］.

1.2 頭部碰撞仿真

圖1 3歲兒童頭部有限元模型Fig. 1 Finite element model of 3-year-old child head

表1 頭部模型材料參數(shù)Tab. 1 Material mechanical properties used in the head model

Nahum等［10］利用大量成人尸體頭部樣本進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn)，研究了頭部顱內(nèi)響應(yīng).通過與其對比發(fā)現(xiàn)，本研究的兒童頭部樣本與其中37號實(shí)驗(yàn)的成人尸體頭部的尺寸最接近，具體尺寸參數(shù)見表2.因此，參考文獻(xiàn)［10］的方法，將37號尸體實(shí)驗(yàn)給出的頭部前額接觸力-時(shí)間曲線（圖2（a））作為載荷加載到兒童頭部有限元模型的前額區(qū)域（圖2（b））.由于文獻(xiàn)［10］的實(shí)驗(yàn)中并未給出撞錘緩沖材料參數(shù)，所以仿真模擬時(shí)無法予以考慮，故加載方式參考文獻(xiàn)［11］.

表23 歲兒童頭部模型與37號實(shí)驗(yàn)的成人頭部尺寸對比Tab. 2Head size comparison of the 3-year-old child model and that of the adult in 37th experiment

由于尸體實(shí)驗(yàn)匱乏，研究人員利用僅有的兒童和成人顱骨材料參數(shù)數(shù)據(jù)擬合出了不同年齡段人群的顱骨彈性模量，年齡跨度從5個(gè)月嬰兒到成人，顱骨彈性模量變化范圍為318～9，900，MPa［12］，為研究顱骨剛度對顱內(nèi)響應(yīng)的影響，本研究在顱骨厚度不變的情況下，將3歲兒童顱骨的彈性模量分別設(shè)置為7，050，MPa（增大50%）和2，350，MPa（縮減50%），設(shè)置后的顱骨彈性模量在文獻(xiàn)報(bào)道的數(shù)據(jù)變化范圍［13］之內(nèi)，然后采用PAM-CRASH軟件分別進(jìn)行仿真模擬，根據(jù)仿真結(jié)果討論顱骨彈性模量的變化對兒童顱內(nèi)響應(yīng)的影響.

圖2 兒童頭部碰撞仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)置Fig. 2 Impact simulation setup of the child FE head

2 結(jié)果與討論

將仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果與6歲兒童頭部有限元模型仿真結(jié)果［14］和尸體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)［10］進(jìn)行對比.圖3所示為3歲、6歲、尸體實(shí)驗(yàn)的頭部碰撞側(cè)顱內(nèi)壓力曲線，其曲線峰值分別為0.42、0.19、0.14，MPa.碰撞側(cè)顱內(nèi)壓力峰值隨著年齡的增長而減小，這是因?yàn)椴煌挲g段的人類顱骨剛度是不同的，顱骨的剛度是由顱骨的彈性模量與厚度決定的，從新生兒到成年，人類顱骨的厚度不斷加厚，顱骨彈性模量也會隨著年齡的增長而增長［7］.3歲兒童處于兒童頭部生長發(fā)育期的重要階段，其顱骨囟門及骨縫剛剛閉合，還處于脆弱階段，而6歲兒童的顱骨已經(jīng)不存在囟門，骨縫也逐漸骨化，其顱骨密質(zhì)骨的彈性模量已接近成人［15］，顱骨的厚度也比3歲兒童大［16］，所以6歲兒童的顱骨抵抗變形的能力要比3歲兒童強(qiáng)，從而其前額撞擊區(qū)域的顱內(nèi)壓力就會比3歲兒童小.成人顱骨不論是厚度還是彈性模量都比兒童大，所以同一載荷條件下，其撞擊側(cè)顱內(nèi)壓力比兒童小.

當(dāng)顱骨的厚度保持不變時(shí)，將顱骨彈性模量設(shè)定為3個(gè)水平，分別為2，350、4，700和7，050，MPa，觀察彈性模量的變化對顱內(nèi)響應(yīng)的影響，具體的顱內(nèi)響應(yīng)結(jié)果見表3.

圖3 碰撞側(cè)顱內(nèi)壓力曲線Fig. 3 Coup pressure curves

表3 不同顱骨剛度的頭部顱內(nèi)響應(yīng)結(jié)果Tab. 3 Properties of materials used in the head model

圖4所示為不同顱骨剛度時(shí)所對應(yīng)的顱內(nèi)壓力變化曲線，前額撞擊處顱內(nèi)壓力峰值隨顱骨彈性模量的增大而減小，而對撞側(cè)（顱后窩）顱內(nèi)壓力峰值的絕對值隨顱骨彈性模量的增大而增大.這是因?yàn)閺椥阅Ａ康脑龃髸嵘B骨的剛度，從而使得顱骨抗變形的能力增強(qiáng)，撞擊側(cè)壓力減小；當(dāng)壓力波傳遞到對撞側(cè)顱后窩區(qū)域時(shí)，由于該處顱骨具有較大的抗變形能力，大部分壓力波被顱骨反射，從而導(dǎo)致對撞側(cè)顱內(nèi)壓力增大.

圖4 不同顱骨彈性模量下顱內(nèi)壓力的對比Fig. 4Comparison of intracranial pressure resulted from different elastic modulus of skull

圖5給出了同一時(shí)刻前額區(qū)域腦組織von Mises應(yīng)力與最大剪應(yīng)力隨顱骨彈性模量的變化情況及每條曲線所對應(yīng)的峰值.隨著顱骨彈性模量的增大，腦組織von Mises應(yīng)力峰值與最大剪應(yīng)力峰值都會隨之減小，這同樣是由于顱骨剛度的變化而導(dǎo)致的.

圖5 腦組織von Mises應(yīng)力與剪應(yīng)力隨顱骨彈性模量的變化曲線Fig. 5 Variation of von Mises stress and maximal shear stress of brain tissues with different elastic modulus of skull

圖6 所示為同一時(shí)刻不同的顱骨彈性模量對von Mises應(yīng)力分布的影響.

圖6 同一時(shí)刻不同顱骨彈性模量下腦部的von Mises應(yīng)力云圖Fig. 6 von Mises stress contours of brain tissues with different elastic modulus of skull

從圖6可以看出：同一載荷條件下，撞擊側(cè)的大腦額葉處在三個(gè)水平的顱骨剛度下都出現(xiàn)了應(yīng)力集中，但應(yīng)力集中的程度和范圍明顯不同.顱骨為低水平剛度時(shí)，額葉出現(xiàn)了較高程度的應(yīng)力集中，且應(yīng)力集中的區(qū)域較大，胼胝體前部也出現(xiàn)了一定的應(yīng)力集中；而顱骨為高水平剛度時(shí)，額葉處并沒有呈現(xiàn)高程度的應(yīng)力集中，且腦組織發(fā)生應(yīng)力集中的區(qū)域也較低剛度顱骨小.這說明在同一載荷條件下，高剛度顱骨比低剛度顱骨能更有效地保護(hù)腦組織，從而在一定程度上減小外力沖擊對腦組織造成的損傷.

3 結(jié) 論

高剛度顱骨會產(chǎn)生較低的撞擊側(cè)顱內(nèi)壓力，且在顱骨厚度不變的情況下，撞擊側(cè)顱內(nèi)壓力、腦組織von Mises應(yīng)力以及最大剪應(yīng)力都隨顱骨彈性模量的增大而減小，而對于對撞側(cè)顱內(nèi)壓力會隨顱骨彈性模量的增大而增大.

中國、美國和歐洲汽車安全法規(guī)中采用統(tǒng)一的頭部損傷指標(biāo)是有一定局限性的，在同一載荷條件下，不同年齡段人群的頭部響應(yīng)是不同的，應(yīng)針對不同年齡段人群制定相應(yīng)的頭部損傷準(zhǔn)則，由此為不同年齡段人群頭部保護(hù)裝置的開發(fā)提供參考依據(jù).

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責(zé)任編輯：常濤

Investigation of Intracranial Responses Based on Child Head Finite Element Model

CUI Shihai，CHEN Yue，RUAN Shijie，LI Haiyan
（College of Mechanical Engineering，Tianjin University of Science & Technology，Tianjin 300222，China）

Head impact simulation experiments were carried out by using the 3-year-old child head FE model based on CT data according to adult cadaver head impact experiment.The simulation results of intracranial responses were compared with those of the real cadaver experiments and 6-year-old child simulation experiments.The results showed that the increase of skull stiffness would result in the decrease of coup pressure，von Mises stress and the maximum shear stress of brain tissues，and the skull with less stiffness has a greater contrecoup pressure.Therefore，under the same impact conditions，theincrease of skull stiffness would result in the decrease of the risk of brain contusion.This investigation suggests that the head injury criteria should be different for people of different age.

finite element model of child head；head impact；skull stiffness；intracranial responses

TP399；R318

A

1672-6510（2016）03-0060-05

10.13364/j.issn.1672-6510.20150030

2015-03-12；

2015-10-21

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（81201015，81471274，81371360）

崔世海（1977—），男，山東棲霞人，副教授，shihaicui@tust.edu.cn.