爆炸沖擊波致顱腦沖擊傷數(shù)值模擬研究

張文超，王舒，梁增友，覃彬，盧海濤，陳新元，盧文杰

（1. 中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山西，太原 030051；2. 瞬態(tài)沖擊技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102202；3. 中國(guó)人民解放軍93320 部隊(duì)，黑龍江，齊齊哈爾 161000；4. 河南北方紅陽(yáng)機(jī)電有限公司，河南，南陽(yáng) 473000）

爆炸沖擊腦損傷（blast-induced traumatic brain injury，bTBI）是近年來國(guó)外戰(zhàn)爭(zhēng)中戰(zhàn)斗人員遭受的一種較為嚴(yán)重又多發(fā)的創(chuàng)傷，它被認(rèn)為是伊拉克和阿富汗戰(zhàn)爭(zhēng)中最常見的軍事傷害，超過50%的創(chuàng)傷性腦損傷是由爆炸引起的[1-2]. 美國(guó)五角大樓和退伍軍人事務(wù)部估計(jì)，在過去的20 年里，全世界有40.8 萬(wàn)名軍人遭受了不同程度的創(chuàng)傷性腦損傷[3]. 爆炸沖擊腦損傷可導(dǎo)致記憶缺失、注意力不集中、情緒緊張等問題，還會(huì)導(dǎo)致睡眠障礙、疲勞、頭暈、易怒、頭痛和癲癇發(fā)作，嚴(yán)重影響士兵作戰(zhàn)能力.

在研究早期，普遍認(rèn)為爆炸沖擊腦損傷是由于沖擊波作用頭部使頭部獲得速度撞擊其他物體而產(chǎn)生[4]，后來通過動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，即使固定頭部，沖擊波仍能造成腦損傷[5-6]. 針對(duì)顱腦沖擊傷問題，很多學(xué)者展開了研究. GOELLER 等[7]通過實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬得出當(dāng)沖擊波正面作用頭部時(shí)，沖擊波通過顱骨、腦脊液(CSF)和腦組織傳播，會(huì)在挫傷處產(chǎn)生負(fù)壓導(dǎo)致空化，顱骨變形是引起空化的重要因素. MOSS 等[8]通過三維流體動(dòng)力學(xué)模擬表明，爆炸沖擊波直接作用于頭部會(huì)導(dǎo)致顱骨彎曲，在腦組織中產(chǎn)生的機(jī)械載荷與在傷害性撞擊中產(chǎn)生的載荷相當(dāng). GRUJICIC 等[9]通過數(shù)值模擬，將兩次爆炸沖擊波作用頭部與頭部鈍擊進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明即使在爆炸沖擊波作用下頭部米塞斯應(yīng)力沒有超過頭部鈍擊時(shí)的腦損傷閾值，爆炸致使的顱內(nèi)壓也可能導(dǎo)致輕癥外傷性 腦 損 傷(mild traumatic brain injury,mTBI). S?LJ?等[10]通過動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)爆炸沖擊波作用下豬大腦中的顱內(nèi)壓峰值與頭部外空氣中的爆炸壓力峰值相當(dāng)，結(jié)果表明頭骨幾乎不能保護(hù)大腦免受爆炸的傷害. 韓建保等[11]建立多相非線性腦組織形變仿真計(jì)算模型，通過轉(zhuǎn)動(dòng)慣性載荷下多相非線性腦組織的變形狀況計(jì)算結(jié)果表明，腦組織各相交界處應(yīng)變較大，最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在大腦額葉側(cè). 栗志杰等[12]針對(duì)顱骨局部彎曲變形這一致傷機(jī)制對(duì)爆炸沖擊腦損進(jìn)行研究，確立了顱骨局部彎曲變形與腦組織壓力之間的內(nèi)在聯(lián)系.

基于以上研究現(xiàn)狀可知國(guó)內(nèi)外對(duì)爆炸沖擊波作用頭部的作用過程、致傷機(jī)理及顱腦在沖擊波作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性尚未有一個(gè)統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，對(duì)沖擊波與頭部相互作用過程中的反射疊加增強(qiáng)效應(yīng)、顱腦易發(fā)生創(chuàng)傷區(qū)域等研究成果較少，這些研究?jī)?nèi)容對(duì)bTBI 的防護(hù)及治療有很大意義，需要進(jìn)行深入研究. 本文在此背景下做了爆炸沖擊波作用頭部仿真研究，建立了具有典型顱腦結(jié)構(gòu)的三維頭部有限元模型，對(duì)所建模型進(jìn)行了撞擊實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；利用三維多物質(zhì)ALE 流固耦合方法模擬沖擊波與頭部相互作用過程，觀察沖擊波正面沖擊頭部時(shí)空氣壓力場(chǎng)變化規(guī)律；同時(shí)對(duì)腦組織壓力進(jìn)行分析，找出腦組織壓力變化特性及易發(fā)生創(chuàng)傷區(qū)域，可為以后進(jìn)一步的研究提供指導(dǎo)意義.

1 模型介紹及驗(yàn)證

1.1 有限元模型及接觸關(guān)系

所建頭部有限元模型皮膚、顱骨幾何數(shù)據(jù)來源于中國(guó)人民解放軍第三軍醫(yī)大學(xué)可視化人體切片數(shù)據(jù)集（CVH）. 基于皮膚、顱骨幾何模型，利用Geomagic 對(duì)幾何模型進(jìn)行優(yōu)化，利用hypermesh 對(duì)幾何進(jìn)行頭部有限元網(wǎng)格劃分. 建立的頭部有限元模型包括皮膚、顱骨、面顱、眼、腦脊液、腦組織等組織器官及硬腦膜、軟腦膜等膜結(jié)構(gòu)；膜結(jié)構(gòu)采用四邊形殼單元?jiǎng)澐?，其余部分均采? 面體實(shí)體單元，頭部模型共有168 229 個(gè)節(jié)點(diǎn)，152 069 個(gè)單元，模型單元尺寸4～5 mm，頭部模型總質(zhì)量為4.6 kg；皮膚顱骨及腦組織間采用AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE_TIEBREAK 接觸，膜結(jié)構(gòu)與其他結(jié)構(gòu)間采用AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE 接 觸. 有 限元模型如圖1.

圖1 頭部有限元模型Fig. 1 Finite element model of head

爆炸空氣環(huán)境用60 cm×60 cm 立方體區(qū)域表征，頭部放置空氣域中心，沖擊波與頭部模型發(fā)生作用部分進(jìn)行網(wǎng)格加密，以保證耦合界面不出現(xiàn)壓力泄露；其他部分采用漸變網(wǎng)格，網(wǎng)格逐漸變大從而減少計(jì)算成本. 空氣域中心區(qū)域單元尺寸4 mm，此時(shí)相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果收斂. 頭部與空氣域相對(duì)位置、沖擊波作用方向、空氣域網(wǎng)格示意圖如圖2.

圖2 頭部與空氣域相對(duì)位置Fig. 2 Relative position of head and air domain

沖擊波作用頭部過程采用三維多物質(zhì)ALE 流固耦合方法[13]來實(shí)現(xiàn)，流固耦合算法用于定義空氣和頭部之間的相互作用，此算法使空氣給頭部施加壓力載荷，而頭部則相當(dāng)于空氣的邊界條件，用于約束空氣的運(yùn)動(dòng). 有限元模型中空氣單元采用Euler 網(wǎng)格描述，頭部單元采用Lagrangian 網(wǎng)格描述，利用*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID 關(guān)鍵字進(jìn)行罰耦合算法的定義，定義空氣網(wǎng)格邊界參考?jí)毫闃?biāo)準(zhǔn)大氣壓101.325 kPa，這樣沖擊波負(fù)壓段壓力才會(huì)回升，與實(shí)際情況相符，如圖3.

圖3 空氣域網(wǎng)格示意圖Fig. 3 Schematic diagram of air domain grid

1.2 本構(gòu)模型與材料參數(shù)

頭部模型中腦組織材料接近不可壓縮，是一種質(zhì)地很軟的生物軟組織，其表現(xiàn)為不可壓縮性、非線性、各向異性及黏彈性. 大量腦組織實(shí)驗(yàn)證明腦組織的變形只取決于其剪切模量，本文腦組織采用黏彈性本構(gòu)模型[14](*MAT_VISCOELASTIC)對(duì)材料性能進(jìn)行表征，其剪切 彈性模量的計(jì)算公式為

式中：G0為 短效剪切模量；G∞為 長(zhǎng)效剪切模量； β為衰減系數(shù).

腦脊液采用彈性流體本構(gòu)模型[15]（*MAT_ELASTIC_FLUID）表征.

頭部模型皮膚、顱骨、面顱、硬腦膜、軟腦膜均采用線彈性模型進(jìn)行表征，各部分材料參數(shù)如表1～表3 所示.

表1 彈性模型材料參數(shù)Tab. 1 Material parameters of elastic model

表2 黏彈性模型材料參數(shù)Tab. 2 Material parameters of viscoelastic model

表3 彈性流體模型材料參數(shù)Tab. 3 Material parameters of elastofluid model

1.3 頭部有限元模型驗(yàn)證

基于頭部三維有限元模型進(jìn)行沖擊波作用頭部仿真研究，首先需要對(duì)頭部模型有效性進(jìn)行驗(yàn)證.NAHUM 等[16]做了正面沖擊作用下顱內(nèi)壓變化的人體死尸頭部碰撞實(shí)驗(yàn)，它已成為頭部數(shù)值模型有效性驗(yàn)證的經(jīng)典實(shí)驗(yàn). 該實(shí)驗(yàn)中一個(gè)以恒定速度移動(dòng)的剛性物體撞擊前額部位，利用傳感器記錄頭部特定部位顱內(nèi)壓變化過程；由于實(shí)驗(yàn)沒有提供撞擊物體的材料力學(xué)性能，參考RUAN 等[17]驗(yàn)證頭部模型所使用的方法：將實(shí)驗(yàn)中測(cè)量所得到的碰撞接觸力載荷轉(zhuǎn)化為平均壓力作用于前額部位，作用面積為1 480 mm2，通過數(shù)值仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，從而驗(yàn)證頭部模型的有效性.

Nahum 實(shí)驗(yàn)中測(cè)量了額骨、頂骨、枕骨及小腦窩處顱內(nèi)壓變化過程，數(shù)值模擬中分別在相應(yīng)位置設(shè)置3 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，觀察觀測(cè)點(diǎn)顱內(nèi)壓變化情況，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比. 觀測(cè)點(diǎn)位置示意圖如圖4 所示，頭部加載區(qū)域如圖5 陰影所示.

圖4 觀測(cè)點(diǎn)位置示意圖Fig. 4 Schematic diagram of observation point position

圖5 撞擊區(qū)域示意圖Fig. 5 Schematic diagram of impact area

Nahum 實(shí)驗(yàn)中撞擊物撞擊頭部輸出撞擊力時(shí)程曲線如圖6，轉(zhuǎn)化為平均壓力曲線如圖7. 數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比如圖8.

圖6 實(shí)驗(yàn)撞擊力時(shí)程曲線Fig. 6 Time history curve of experimental impact force

圖7 仿真加載壓力時(shí)程曲線Fig. 7 Time history curve of simulated loading pressure

由圖8 可以看出數(shù)值模擬中觀測(cè)點(diǎn)顱內(nèi)壓變化趨勢(shì)、顱內(nèi)壓峰值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好. 由不同部位觀測(cè)點(diǎn)顱內(nèi)壓-時(shí)間歷程曲線知，頭部前額受到撞擊時(shí)，皮膚、顱骨受力獲得較大加速度向后運(yùn)動(dòng)，同時(shí)顱骨將壓力傳遞給腦組織，此時(shí)前額腦脊液、腦組織受壓，顱內(nèi)壓升高；由于慣性力差異腦組織與顱骨發(fā)生相對(duì)位移，與前額相對(duì)的枕部、腦后窩處腦組織與顱骨遠(yuǎn)離，顱內(nèi)壓降為負(fù)值. 隨著壓力載荷的增加前額處腦組織繼續(xù)受壓，同時(shí)壓力增大，不同特征部位顱內(nèi)壓值也相應(yīng)增大. 隨著壓力載荷減小，顱骨、腦組織相對(duì)位移變小，顱內(nèi)壓逐漸減小. 數(shù)值仿真結(jié)果與撞擊實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合性較好，驗(yàn)證結(jié)果表明頭部模型可以正確反映頭部受到物理沖擊時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，能夠用于進(jìn)一步的研究.

圖8 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig. 8 Comparison of simulation and experimental results

2 爆炸沖擊波載荷和邊界條件

模擬了60 g TNT 距離頭部1 m 處爆炸時(shí)沖擊波與頭部相互作用過程. 空氣參考?jí)毫闃?biāo)準(zhǔn)大氣壓101.325 kPa，在歐拉域迎爆面設(shè)置壓力加載邊界，沖擊波載荷從此邊界輸入. 沖擊波載荷輸入曲線如圖9，為了避免壓力波在歐拉域邊界反射對(duì)頭部產(chǎn)生不真實(shí)的二次沖擊，在歐拉域四周及出口設(shè)置非反射邊界[18].

圖9 迎爆邊界沖擊波輸入載荷Fig. 9 Shock wave input load curve at detonation boundary

空氣沖擊波超壓在正壓段大致按指數(shù)規(guī)律衰減，一些經(jīng)驗(yàn)公式可以描述此衰減過程，其中FRIEDLANDER[19]方程較接近實(shí)際且又簡(jiǎn)單易于計(jì)算

沖擊波即將與頭部接觸時(shí),取沖擊波波陣面中心單元觀測(cè)沖擊波超壓時(shí)間歷程曲線，其與典型沖擊波曲線衰減規(guī)律相符，此時(shí)沖擊波壓力為227 kPa，正壓持續(xù)時(shí)間為730 us. 觀測(cè)單元沖擊波超壓時(shí)間歷程曲線如圖10.

圖10 作用頭部沖擊波載荷Fig. 10 Acting shock wave loads on the head

3 爆炸沖擊波作用頭部數(shù)值模擬與分析

基于上述頭部有限元模型及爆炸沖擊波加載，利用LS-DYNA 顯示動(dòng)力分析軟件對(duì)爆炸沖擊波正面作用頭部進(jìn)行數(shù)值模擬，分析爆炸沖擊波與頭部相互作用規(guī)律，找出腦部易受損區(qū)域.

3.1 空氣壓力場(chǎng)演化規(guī)律及沖擊波反射疊加增強(qiáng)效應(yīng)

爆炸沖擊波作用頭部時(shí)空氣壓力場(chǎng)演化過程如圖11 所示.t=350 μs 時(shí)，沖擊波到達(dá)頭部前方，此時(shí)頭部前方?jīng)_擊波壓力峰值為227 kPa；t=390 μs 時(shí)，沖擊波與面部相互作用，由于面部皮膚波阻抗較大，沖擊波與面部皮膚相互作用時(shí)很大部分沖擊波發(fā)生反射，與后部壓力波疊加而使超壓增強(qiáng)，此時(shí)與面部接觸沖擊波峰值壓力為326 kPa；t=470 μs 時(shí)，沖擊波作用于前額，同樣因?yàn)闆_擊波反射疊加增強(qiáng)使得峰值壓力增大為387 kPa；t=700 μs 時(shí)，顱頂曲面結(jié)構(gòu)使沖擊波出現(xiàn)邊界層分離現(xiàn)象，此時(shí)顱頂沖擊波壓力為194 kPa，沖擊波在顱頂部位反射疊效增強(qiáng)效應(yīng)較弱；t=1 110 μs 時(shí)，沖擊波繞過頭部在枕部發(fā)生二次匯聚，對(duì)頭顱枕部發(fā)生沖擊，匯聚點(diǎn)壓力峰值最大，較上下兩側(cè)未匯聚點(diǎn)壓力峰值增大約20～40 kPa，沖擊波匯聚點(diǎn)峰值壓力為183 kPa.

圖11 爆炸沖擊波壓力云圖Fig. 11 Pressure nephogram of explosion shock wave

取1～12 不同位置特征點(diǎn)，觀測(cè)空氣壓力場(chǎng)時(shí)間歷程曲線，更好地說明沖擊波反射疊加增強(qiáng)現(xiàn)象，觀測(cè)點(diǎn)位置如圖12.

圖12 空氣壓力場(chǎng)觀測(cè)點(diǎn)Fig. 12 Observation point of air pressure field

在前額部位空氣域中選3 點(diǎn)觀測(cè)壓力變化，2 號(hào)位置和3 號(hào)位置距頭部較遠(yuǎn)，由圖13 壓力曲線可看到2、3 觀測(cè)點(diǎn)處空氣壓力反射疊加使壓力曲線產(chǎn)生二次峰值；1 點(diǎn)距頭部較近，無法看到?jīng)_擊波壓力衰減段，壓力直接疊加增強(qiáng)為322 kPa，較無頭部阻擋時(shí)1 號(hào)點(diǎn)相同位置227 kPa 增強(qiáng)1.4 倍.

圖13 前額空氣域壓力時(shí)程曲線Fig. 13 Pressure time-history curve of forehead air field

在顱頂上方空氣域中取4、5、6、7 這4 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)觀察壓力變化，由圖14 壓力曲線可知觀測(cè)點(diǎn)峰值壓力無明顯增大現(xiàn)象，隨著沖擊波向后傳播，壓力峰值逐漸降低，7 號(hào)點(diǎn)位置距頭部較遠(yuǎn)，其峰值壓力與5號(hào)位置基本相同，沖擊波反射疊加增強(qiáng)效應(yīng)較弱.在腦后由上至下取5 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)觀察壓力變化. 由圖15 壓力曲線可知，沖擊波從顱頂、顱底傳播至腦后，10 號(hào)觀測(cè)點(diǎn)壓力峰值最大，兩側(cè)觀測(cè)點(diǎn)壓力峰值相對(duì)較小，觀測(cè)點(diǎn)壓力曲線與空氣壓力云圖相呼應(yīng)，沖擊波在腦后匯聚點(diǎn)壓力得到一次增強(qiáng). 沖擊波在腦后位置與頭部反射疊加增強(qiáng)效應(yīng)較弱，沖擊波在腦后匯聚后繼續(xù)向后傳播.

圖14 顱頂空氣域壓力時(shí)程曲線Fig. 14 Pressure time-history curve in the air region of skull top

圖15 腦后空氣域壓力時(shí)程曲線Fig. 15 Pressure time history curve of posterior air domain

基于以上可知爆炸沖擊波作用頭部時(shí)，頭部迎爆面沖擊波反射疊加增強(qiáng)效應(yīng)較強(qiáng)，沖擊波與頭部皮膚相互作用可使峰值壓力增強(qiáng)1.4 倍，顱頂及頭顱后部沖擊波反射疊加增強(qiáng)現(xiàn)象不明顯. 沖擊波繞過頭部后會(huì)在頭部后方一處匯聚，匯聚點(diǎn)沖擊波峰值壓力得到增強(qiáng)，會(huì)對(duì)腦后造成二次沖擊.

3.2 腦組織壓力分析

在過去研究中，人們提出了腦干剪切力、大腦中的壓差和撞擊對(duì)沖部位出現(xiàn)的負(fù)壓及氣穴等各種假說，從不同角度描述了大腦的沖擊響應(yīng)，但他們均是對(duì)大腦反應(yīng)的部分描述，缺乏沖擊作用下大腦的總體描述. 基于此，Nahum 等利用腦部有限元模型對(duì)一些動(dòng)物和人體尸體腦部撞擊試驗(yàn)以及飛機(jī)事故中的頭部撞擊行為進(jìn)行數(shù)值模擬，得出顱內(nèi)壓峰值壓力通常與腦創(chuàng)傷嚴(yán)重程度成正比；這些壓力通常會(huì)造成腦挫傷或腦表面的小血管出血；通過對(duì)顱內(nèi)壓和挫傷的相關(guān)綜合性分析和實(shí)驗(yàn)研究，提出了以腦挫傷和腦出血為基礎(chǔ)的腦損傷標(biāo)準(zhǔn)，并將該標(biāo)準(zhǔn)與HIC、GSI 等損傷標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，認(rèn)為該標(biāo)準(zhǔn)更合適低瞬態(tài)沖擊下的顱腦損傷評(píng)估. 該顱內(nèi)壓耐受標(biāo)準(zhǔn)指出，當(dāng)顱內(nèi)壓峰值超過235 kPa 時(shí)，會(huì)發(fā)生嚴(yán)重腦損傷，低于173 kPa 時(shí)，會(huì)發(fā)生輕微或無損傷[20-22]. 本文利用這一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步分析沖擊波與頭部相互作用規(guī)律，找出頭部易受損區(qū)域. 在前額、顱頂及枕部的腦組織及相鄰的空氣域中取觀測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)組織壓力變化規(guī)律. 觀測(cè)點(diǎn)位置如圖16.取空氣中I 號(hào)觀測(cè)點(diǎn)，腦組織中1、2、3 號(hào)觀測(cè)點(diǎn)，觀察在沖擊波作用下相鄰位置腦組織壓力變化規(guī)律. 前額處空氣壓力及腦組織壓力變化情況如圖17，觀測(cè)點(diǎn)I 處沖擊波在490 μs 時(shí)作用頭部，壓力峰值為276 kPa，沖擊波作用后相鄰位置腦組織壓力迅速升高且出現(xiàn)高頻波動(dòng)，波動(dòng)頻率為5.88 kHz；2號(hào)觀測(cè)點(diǎn)壓力峰值達(dá)229 kPa，壓力出現(xiàn)兩個(gè)較高峰值后，壓力波動(dòng)頻率降低，且壓力峰值也隨時(shí)間逐漸降低，1、2 觀測(cè)點(diǎn)壓力峰值均達(dá)到顱內(nèi)壓腦損傷閾值175 kPa，可能會(huì)出現(xiàn)腦創(chuàng)傷.

圖16 壓力觀測(cè)點(diǎn)Fig. 16 Pressure observation point line

圖17 前額觀測(cè)點(diǎn)壓力變化Fig. 17 Pressure change of forehead observation point

取空氣中II 號(hào)觀測(cè)點(diǎn)，腦組織4、5、6 號(hào)觀測(cè)點(diǎn)，顱頂處空氣壓力及腦組織壓力變化情況如圖18. 觀測(cè)點(diǎn)II 處沖擊波在660 μs 時(shí)作用頭部，壓力峰值為201 kPa，此時(shí)4、5、6 號(hào)觀測(cè)點(diǎn)處腦組織壓力變化規(guī)律與前額觀測(cè)點(diǎn)基本一致，腦組織壓力均有一次較大峰值，隨著時(shí)間推移壓力峰值逐漸降低，4 號(hào)觀測(cè)點(diǎn)壓力峰值達(dá)177 kPa，組織壓力初始波動(dòng)頻率為4.76 kHz，隨著時(shí)間推移壓力峰值和壓力波動(dòng)頻率逐漸降低.

圖18 顱頂觀測(cè)點(diǎn)壓力變化Fig. 18 Pressure changes at cranial observation points

取空氣中III 號(hào)觀測(cè)點(diǎn)，腦組織7、8、9 號(hào)觀測(cè)點(diǎn)，腦后空氣壓力及相鄰腦組織壓力變化情況如圖19.

圖19 腦后觀測(cè)點(diǎn)壓力變化Fig. 19 Pressure change of observation point behind brain

III 號(hào)觀測(cè)點(diǎn)沖擊波在1 080 μs 時(shí)作用頭部，壓力峰值為186 kPa. 沖擊波從正面作用頭部，前額先受到?jīng)_擊波沖擊，靠近前額部分腦組織先受壓，由于慣性力差異顱骨較腦組織位移較大，腦后組織受拉，所以在沖擊波未直接沖擊腦后時(shí)枕部腦組織壓力會(huì)先出現(xiàn)負(fù)值. Ⅲ號(hào)觀測(cè)點(diǎn)位置沖擊波在1 080 μs 繞到腦后對(duì)頭部進(jìn)行沖擊，但是Ⅲ號(hào)觀測(cè)點(diǎn)附近腦組織在腦后沖擊波直接作用前就先出現(xiàn)一次較高壓力峰值，本文進(jìn)一步結(jié)合腦組織壓力云圖（圖20）對(duì)此現(xiàn)象進(jìn)行分析.

圖20 腦組織壓力云圖Fig. 20 Pressure cloud of brain tissue

由腦組織壓力云圖可知，頭部受到?jīng)_擊波作用后，首先靠近前額部位組織受壓，同時(shí)壓縮波在腦組織中向腦后傳播，腦組織受壓部位不斷向腦后擴(kuò)散，壓縮波到達(dá)腦后在腦組織-顱骨界面由于波阻抗不匹配發(fā)生反射疊加增強(qiáng)，從而在腦組織中出現(xiàn)較大的壓力峰值. 沖擊波在空氣中較壓縮波在腦組織中傳播較慢，枕部組織中出現(xiàn)一個(gè)較大壓力峰值后會(huì)出現(xiàn)一個(gè)第二峰，此由匯聚到腦后的沖擊波對(duì)腦后進(jìn)行的二次沖擊造成. 第二壓力峰值較第一壓力峰值較小，說明枕部腦組織所受壓力大小受沖擊波二次沖擊影響較小，腦組織壓力需結(jié)合壓力波在腦組織中傳播規(guī)律及顱腦受外界壓力等因素進(jìn)行綜合分析.

綜上可知，頭部正面受到?jīng)_擊波作用時(shí)，前額部位腦組織壓力峰值較高，顱頂、腦后組織壓力峰值逐漸減小，壓縮波在腦組織中傳播在腦后組織與顱骨界面處可能出現(xiàn)較高壓力峰值，在醫(yī)學(xué)救治中需對(duì)此位置創(chuàng)傷情況加以重視. 沖擊波在腦后匯聚后雖然會(huì)對(duì)頭部再次進(jìn)行沖擊，但是腦組織受二次沖擊后未出現(xiàn)較高的壓力峰值. 沖擊波正面作用頭部時(shí)，前額、顱頂腦組織壓力急劇增大，且出現(xiàn)較高頻率的正負(fù)壓周期性波動(dòng)，波動(dòng)頻率可高達(dá)5.88 kHz，這會(huì)使腦組織在局部出現(xiàn)較大壓力梯度，增大腦挫傷風(fēng)險(xiǎn). 隨著時(shí)間推移，壓力峰值逐漸降低. 額葉、頂葉腦組織壓力多處超過173 kPa 腦損傷閾值，為易受損區(qū)域.

4 結(jié) 論

建立了具有典型人體頭部結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，進(jìn)行頭部撞擊數(shù)值模擬并與Nahum 頭部撞擊實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了頭部模型的有效性；進(jìn)一步進(jìn)行了爆炸沖擊波作用頭部的數(shù)值模擬研究，得出以下結(jié)論：

①所建頭部有限元模型能正確反映頭部在外界沖擊下的組織壓力動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，前額受到撞擊后，腦組織額葉處于壓縮狀態(tài)顱內(nèi)壓升高，枕葉處于拉伸狀態(tài)顱內(nèi)壓出現(xiàn)負(fù)壓，隨著壓力載荷減小，顱骨、腦組織相對(duì)位移變小，顱內(nèi)壓逐漸減小.

②爆炸沖擊波正面作用頭部后在面部會(huì)出現(xiàn)較強(qiáng)的反射疊加增強(qiáng)現(xiàn)象，觀測(cè)點(diǎn)沖擊波壓力峰值較自由場(chǎng)爆炸時(shí)增大1.4 倍，頂部及枕部沖擊波反射疊加增強(qiáng)效應(yīng)較弱，沒有出現(xiàn)較高的二次壓力峰值.

③沖擊波通過皮膚顱骨等多層介質(zhì)傳入腦組織，由于不同組織介質(zhì)波阻抗不匹配特性，壓力波在不同組織界面會(huì)出現(xiàn)反射和透射而出現(xiàn)局部的高壓或壓力衰減，枕部腦組織與顱骨界面因?yàn)閴毫Σǚ瓷浏B加增強(qiáng)會(huì)出現(xiàn)較高的壓力峰值且超過腦損傷閾值，在沖擊波腦損傷的醫(yī)學(xué)救治方面對(duì)此部位需重點(diǎn)觀察. 沖擊波繞過頭部后在頭部后方一處進(jìn)行壓力匯聚，匯聚部位會(huì)受到?jīng)_擊波二次沖擊，但是二次沖擊對(duì)組織壓力影響較小.

④頭部正面受到?jīng)_擊波作用后，額葉、頂葉腦組織壓力會(huì)出現(xiàn)高頻的正負(fù)壓周期性波動(dòng)，且會(huì)出現(xiàn)較高的壓力峰值，超過腦損傷閾值173 kPa，為易受損區(qū)域；為避免頭部直接受到?jīng)_擊，爆炸沖擊波的防護(hù)裝備研發(fā)很有必要.