交通事故中颈部损伤的有限元模型研究现状

汽车交通事故是当今世界造成儿童和年轻人死亡的主要原因,其中头颈部的损伤是交通事故中最为常见的致命性损伤.由于碰撞条件复杂和不可重复,再加上尸体和动物研究的伦理问题,致使头颈部损伤机理的实验研究存在较大困难,因此有限元分析在人体头-颈部耐撞性研究得到广泛应用.有限元方法的应用对于交通事故中不同撞击条件损伤程度的评估以及汽车工业损伤保护标准的开发起重要作用.本文从头颈部损伤机理、有限元几何模型获取、有限元网格划分,及所研究材料特性和实验验证方法等方面,对近年来国际上开发的应用有限元模型对交通事故中的头颈部损伤的研究现状进行综述,并对各个模型的优势和特点加以分析归纳,并对未来相关研究提出建议.     

研究颅脑交通伤的有限元模型的建立及验证

建立基于人体解剖学结构的HBM(Human body model)头部三维有限元模型.详细描述了人体头部的主要解剖学结构,模型由头皮、颅骨、硬脑膜、脑脊液、软脑膜、大脑、小脑、脑室、脑干、脑镰和脑幕等组成.采用人体头部碰撞实验数据,比较了实验与仿真中头部的动力学响应和颅内压力分布参数,对头部有限元模型进行了验证.结果表明,该模型具有较好的生物逼真度,可以用来分析研究车辆交通事故中颅脑创伤和损伤机理.     

面部碰撞对行人创伤性脑损伤影响的生物力学研究

为预测和评判行人面部碰撞对创伤性脑损伤机理及生物力学响应,结合计算机断层扫描（CT）和磁共振（MRI）医学成像技术,建立符合中国人体特征的50百分位头颈部几何模型和有限元模型。有限元模型中颅骨与脑之间的相对运动采用切向滑动边界条件,摩擦系数定义为0.2,模拟鼻骨斜碰撞、鼻外侧软骨正面碰撞、牙齿正面碰撞、下颌骨碰撞和颧骨外侧斜碰撞等5种典型面部碰撞交通事故场景,探讨应力波在颅骨和脑内传播路径,得到颅内压力、von Mises等效应力和剪切应力等生物力学响应参数分布规律。结果显示,鼻骨斜碰撞颅内压力峰值为236.7 kPa,von Mises应力为25.97 kPa,超过了大脑耐受阈值;颧骨外侧斜碰撞最大横向剪切应力分别为14.56 kPa和-18.07 kPa,促使脑组织产生了较大的剪切变形,存在严重脑损伤风险。结论表明：面部碰撞的位置和方向是导致面部骨折严重程度的关键因素,面骨骨折的位置决定创伤性脑损伤的部位,面骨骨折都带有一定程度的创伤性脑损伤;头部受到冲击时,面部结构能够吸收大量的冲击能量来保护大脑,降低颅脑损伤的风险。     

应用于头部损伤生物力学研究的三维有限元模型发展概况

在交通事故中,头部损伤因其高发率和高致命率成为最严重的损伤.为了研究头部损伤,出现了一系列诸如物理试验、动物试验及尸体试验等研究方法.近年来,随着计算生物力学的发展,人体头部的有限元模型逐渐成为研究头部损伤生物力学的重要工具,文中就头部有限元模型的发展过程及最新进展进行了较为全面的综述,并探讨了该领域未来需要研究的问题.     

脑组织本构模型及其生物力学特性分析

在交通事故中,颅脑损伤因其高发率和高致命率成为最严重的损伤。颅脑有限元模型成为开展头部损伤研究的重要工具。模型中脑组织所应用的本构模型及材料属性是决定颅脑损伤预测结果的关键因素。本文旨在针对应用于模拟脑组织的本构模型和材料属性进行综述,从而深入理解脑组织生物力学特性,为颅脑损伤的有限元研究提供参考。     

人体膝关节有限元动力学分析模型的建立与验证

根据乘员碰撞事故中人体膝关节的生物力学响应特性,应用有限元(FE)方法和碰撞模拟技术,构建了一个人体膝关节模型。模型按人体解剖学结构构建,由股骨内、外侧髁,胫骨内、外侧髁,腓骨小头、髌骨、软骨、半月板以及主要韧带构成。通过比较模型仿真和尸体碰撞实验在轴向载荷条件下膝关节受刚性碰撞的响应结果,验证了模型的有效性。该模型为研究人体膝关节损伤机理提供了可靠的基础数据,并可应用于乘员损伤防护装置的设计和开发。     

建立人体头颈动力学有限元模型和验证

目的建立符合解剖结构的头颈三维动力学有限元模型,研究冲击力作用下头颈部动力学响应。方法采用中国成年男性志愿者颈部CT扫描图像,获取颈椎三维点云数据,通过有限元前处理软件ICEM-CFD和Hyper Mesh建立颈部有限元模型。模型包括椎骨、椎间盘、小关节、韧带和软骨等组织,结合已建立并验证的头部有限元模型,装配成具有详细解剖结构的人体头颈部有限元模型。结果模型参考公开发表的头颈部轴向冲击实验数据进行验证,其颈部变形、头部加速度、接触力曲线以及损伤部位与实验数据吻合较好。结论动力学三维有限元模型可用于汽车安全、运动学损伤等领域人体头颈部的动态响应和损伤机制研究。     

基于挥鞭样损伤研究的颈部有限元模型的建立及验证

研究人体颈部在挥鞭样损伤中的生物力学特性及损伤机制,建立一个基于人体解剖学结构的颈部三维有限元模型.该模型是通过人体颈部的螺旋CT扫描图像,利用三维重建和网格划分技术,得到六面体有限元模型,并对模型进行后碰撞验证分析.得出颈椎在挥鞭运动过程中的变化规律,以及C7-T1的最大过伸角度20°和椎间盘所受最大应力值16MPa.该模型的建立,可作为今后颈椎生物力学损伤研究以及其他相关领域研究的理论研究依据.     

汽车后碰撞时人体头颈部的动力学响应及损伤分析

目的建立基于人体解剖学结构的精细化头颈部有限元模型,研究不同后碰撞速度下颈部损伤。方法该模型以人体头颈部CT扫描图像为基础,利用Mimics进行三维骨重建,通过Hyper Mesh完善颈部三维实体韧带、小关节等组织,并进行网格划分。生成的模型包括头部、8节椎骨(C1～T1)、6个椎间盘(包括纤维环、髓核和上下软骨终板)、小关节(包括软骨和关节囊韧带)、韧带、肌肉等结构,最后在有限元后处理软件中完成模型验证与后碰撞计算。结果分别对模型进行轴向冲击、前后屈伸和侧屈模拟并与实验数据对比,验证模型的有效性,并进行速度为20、40、60、80 km/h后碰撞计算。在20 km/h速度下,颈部无损伤出现,在40、60、80 km/h速度下,最早出现损伤的都是韧带。随着速度增加,颈部各组织受力不断增大。速度为80 km/h时,颈椎的密质骨、松质骨和纤维环最大应力分别为226. 4、11. 5、162. 8 MPa,当韧带应变达到极限时,开始出现撕裂。结论所建头颈部有限元模型具有较高的生物仿真度和有效性,可用于交通事故中颈部损伤分析的研究,在一定程度上有助于颈椎损伤的诊断、治疗和预防。     

颅脑有限元模型的研究进展及应用

有限元法(finite element method,FEM)是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种数值分析方法,同时也是一种比较先进的生物力学研究方法。FEM早期应用于工程科学技术领域,近几年来,生物医学工程领域已经广泛应用FEM进行脑方面的研究。随着交通、运输业的发展,颅脑损伤发生的概率越来越高,严重威胁着人类的身体健康。通过建立颅脑有限元模型,可以很好地研究颅脑损伤的生物力学机制。总结颅脑有限元模型的建立、发展和应用,并对未来的研究方向进行展望。     

Human Brain Modeling with Its Anatomical Structure and Realistic Material Properties for Brain Injury Prediction

Impairments of executive brain function after traumatic brain injury (TBI) due to head impacts in traffic accidents need to be obviated. Finite element (FE) analyses with a human brain model facilitate understanding of the TBI mechanisms. However, conventional brain FE models do not suitably describe the anatomical structure in the deep brain, which is a critical region for executive brain function, and the material properties of brain parenchyma. In this study, for better TBI prediction, a novel brain FE model with anatomical structure in the deep brain was developed. The developed model comprises a constitutive model of brain parenchyma considering anisotropy and strain rate dependency. Validation was performed against postmortem human subject test data associated with brain deformation during head impact. Brain injury analyses were performed using head acceleration curves obtained from reconstruction analysis of rear-end collision with a human whole-body FE model. The difference in structure was found to affect the regions of strain concentration, while the difference in material model contributed to the peak strain value. The injury prediction result by the proposed model was consistent with the characteristics in the neuroimaging data of TBI patients due to traffic accidents.     

国人第5百分位女性行人下肢生物力学计算模型开发及应用

目的 预测与评估行人-汽车碰撞中小身材女性行人下肢的生物力学响应及损伤机制。方法 基于符合国人第5百分位女性特征的志愿者CT影像数据,重构具有详细解剖学结构的下肢几何模型,进行表面处理和网格化后,构建下肢有限元计算模型。重构动态三点弯曲尸体试验以及高速载荷下膝关节横向弯曲和剪切尸体试验,对模型进行有效性验证。应用该模型参照Euro NCAP技术公告TB024设置4组行人下肢-汽车碰撞仿真试验,探究第5百分位女性行人下肢损伤机制。结果 通过对比仿真试验与尸体试验结果,验证该模型具有较高的生物仿真度。在4种不同车型仿真试验结果中,SUV车型对下肢损伤最轻。小身材女性下肢股骨最易发生骨折,长骨最先骨折,使得膝关节韧带未见损伤。结论 本文所建下肢有限元模型作为国人第5百分位整人模型开发的一个重要组成部分,为模型研发奠定基础。研究结果对小身材女性行人损伤机制研究和行人保护装置研发有重要的应用价值。     

头部钝器损伤实验与仿真分析

目的　为了研究头部在钝器作用下的生物力学响应及损伤机理。 方法　利用CT图像数据和MRI图像数据对头部骨骼与内部软组织进行几何重建,然后画分网格,构建颅脑有限元模型。另一方面,对连于躯干的头部标本进行10 m/s的低速冲击,测试冲击部位接触力、顶部应变及冲击的对侧（枕部）加速度。把构建的有限元模型导入MADYMO软件进行相同条件下模拟仿真,从输出模块里输出相应部位的结果。 结果　仿真结果表明模型的头部接触力、顶部应变、对撞侧加速度与头部标本冲击实验测得值能较好吻合。 结论　建立的头部有限元模型及采用的仿真方法可满足头部钝器损伤的仿真研究需要。     

Development and Validation of a 10-Year-Old Child Ligamentous Cervical Spine Finite Element Model

Although a number of finite element (FE) adult cervical spine models have been developed to understand the injury mechanisms of the neck in automotive related crash scenarios, there have been fewer efforts to develop a child neck model. In this study, a 10-year-old ligamentous cervical spine FE model was developed for application in the improvement of pediatric safety related to motor vehicle crashes. The model geometry was obtained from medical scans and meshed using a multi-block approach. Appropriate properties based on review of literature in conjunction with scaling were assigned to different parts of the model. Child tensile force–deformation data in three segments, Occipital-C2 (C0–C2), C4–C5 and C6–C7, were used to validate the cervical spine model and predict failure forces and displacements. Design of computer experiments was performed to determine failure properties for intervertebral discs and ligaments needed to set up the FE model. The model-predicted ultimate displacements and forces were within the experimental range. The cervical spine FE model was validated in flexion and extension against the child experimental data in three segments, C0–C2, C4–C5 and C6–C7. Other model predictions were found to be consistent with the experimental responses scaled from adult data. The whole cervical spine model was also validated in tension, flexion and extension against the child experimental data. This study provided methods for developing a child ligamentous cervical spine FE model and to predict soft tissue failures in tension.     

IQ loss and emotional dysfunctions after mild head injury incurred in a motor vehicle accident

Intelligence and personality dysfunctions after minor traumatic brain injury (TBI) (whiplash; slight head impact) incurred in a motor vehicle accident (MVA) were studied in adults after an average interval of 20 months. There was a mean loss of 14 points of Full Scale IQ from estimated pre-injury baseline IQ determined from the standardization group (WAIS-R) without evidence for recovery. Personality dysfunctions included cerebral personality disorder, psychiatric diagnosis (30 of 33 patients), post-traumatic stress disorders, persistent altered consciousness, and psychodynamic reactions to impairment. Cognitive loss is caused by interaction of brain injury with distractions such as pain and emotional distress. Unreported head impact and altered consciousness at the time of accident contribute to the underestimation of brain trauma after minor TBI. © 1996 John Wiley & Sons, Inc.     

Mesh Morphing and Response Surface Analysis: Quantifying Sensitivity of Vertebral Mechanical Behavior

Vertebrae provide essential biomechanical stability to the skeleton. In this work novel morphing techniques were used to parameterize three aspects of the geometry of a specimen-specific finite element (FE) model of a rat caudal vertebra (process size, neck size, and end-plate offset). Material properties and loading were also parameterized using standard techniques. These parameterizations were then integrated within an RSM framework and used to produce a family of FE models. The mechanical behavior of each model was characterized by predictions of stress and strain. A metamodel was fit to each of the responses to yield the relative influences of the factors and their interactions. The direction of loading, offset, and neck size had the largest influences on the levels of vertebral stress and strain. Material type was influential on the strains, but not the stress. Process size was substantially less influential. A strong interaction was identified between dorsal–ventral offset and dorsal–ventral off-axis loading. The demonstrated approach has several advantages for spinal biomechanical analysis by enabling the examination of the sensitivity of a specimen to multiple variations in shape, and of the interactions between shape, material properties, and loading.     

安全气囊点爆展开时儿童颈部约束对颅脑损伤的影响

目的探讨在交通事故中安全气囊点爆展开时儿童颈部约束对颅脑损伤的影响。方法基于已构建并经过有效性验证的3岁儿童头部有限元(finite element, FE)模型,采用FE方法模拟气囊点爆展开对离位(out-of-position, OOP)状态儿童乘员头部的冲击过程,研究颈部约束对交通事故中儿童颅脑响应及其损伤机制的影响。结果颈部约束的头部在受到安全气囊点爆展开的冲击之后,其运动状态与无颈部约束有很大差异,会导致儿童脑组织最大Von Mises应力明显减小,儿童颅脑损伤程度减弱。儿童头部与安全气囊距离为20、25 cm时,有颈部约束的头部脑组织最大颅内压小于没有颈部约束的头部。结论颈部约束对儿童颅脑损伤响应有较大的影响,用FE方法预测儿童颅脑损伤时应考虑颈部约束的影响。     

具有详细解剖学结构的1岁学步儿童头部有限元模型构建及验证

目的构建详细的1岁学步儿童头部有限元模型,探究其颅脑损伤机制,完善人体有限元生物力学模型数据库。方法基于我国1岁儿童真实详细的头部CT数据,借助医学软件Mimics获得头部几何结构数据,利用逆向工程软件划分NURBS曲面片和构建工程模型,利用有限元前处理软件划分网格,参照解剖学和尸体实验等数据,验证1岁学步儿童头部有限元模型的有效性并初步分析其损伤机制。结果构建了中国男性1岁儿童头部有限元模型,模型包括并区分了大脑及小脑的灰质和白质、海马体、囟门、矢状骨缝、冠状骨缝、脑干、脑室等,几何尺寸符合解剖学统计数据。利用头部模型重构了儿童头部静态压缩尸体实验和跌落尸体实验,结果表明,该头部模型与尸体实验表现了相近的力学特征,验证了模型的有效性。计算表明不同压缩速率下颅骨刚度不同,会导致不同损伤结果。结论所构建的包含详细解剖学结构的1岁儿童头部有限元模型具有较高的生物仿真度,借助构建的模型可分析深部脑组织各部位的详细损伤情况,特别是闭合性颅脑损伤,为相关研究及临床应用提供有效的工具和手段。