在交通事故中, 胸腹部钝性撞击很常见。王正国等系统分析了道路交通事故中乘员胸腹部损伤流行病学^[1]。研究表明胸腹部损伤占交通伤的13%~15%, 且在致命伤中占较高比例。其中肝脏损伤是最常见也是致死率最高的损伤类型之一^[2], 据近期资料统计, 肝损伤的死亡率为6%~15%。因此开展钝性碰撞下的肝脏损伤研究对于改善汽车被动安全性能、减少交通事故中人员的伤亡有重要参考意义。

肝脏是人体胸腹部最大的实质器官, 主要由左右两片肝叶通过中间镰状韧带连接而成, 略呈现楔形, 右端圆钝而厚, 左端逐渐变窄而薄, 大部分位于右季肋区和腹上区, 被肋所掩盖, 小部分达左季肋区, 左、右肋弓之间有小部分露于剑突下, 质地柔软而脆弱, 是最易损伤的脏器之一。 在汽车碰撞中, 转向装置、仪表盘、侧门等接触点撞击胸腹部导致腹腔相对脊柱压缩变形, 巨大减速度造成器官相对身体的惯性运动, 从而引起肝脏挤压出现组织撕裂。针对以上肝脏损伤特点, 肝脏损伤生物力学的研究重点是建立器官层面力学响应与可用仪器测量的全局力学参数的量化关系, 例如, Walfisch等^[3]进行了尸体坠落实验, 指出当受到4.5 kN的冲击力时, 有50%的可能性产生AIS≥ 3肝脏损伤, Viano等^[4]分析中高速刚性棒侧面冲击的腹部响应, 发现AIS≥ 4肝脏损伤与43.7%的腹部压缩量和1.98 m/s的VC_max相关。

目前, 进行钝性碰撞中肝脏损伤生物力学研究主要有 3 种方法, 即尸体实验方法、离体器官实验方法和数学模型方法。人类尸体(PMHS)实验提供了价值极高的胸腹部全局响应数据, 如胸部变形量、碰撞接触力等, 与肝脏损伤的关系, 但由于尸体实验的样本尺寸差异巨大、样本老龄化、缺乏肌肉主动力、不可重复性等问题, 目前很少开展。离体器官实验能够得到器官层面力学响应, 如器官表面接触力、器官变形量、血流压力等, 但缺乏复杂的体内约束条件, 无法重现人体碰撞时器官的致伤环境。数字模型方法是解决上述问题的最有效手段之一, 利用有限元方法可以建立具有精细解剖结构的人体生物力学模型, 在保证模型仿生可靠性的前提下, 建立器官层面力学响应与可用仪器测量的全局力学参数的量化关系, 可以准确模拟碰撞过程中肝脏的生物力学响应。

理想情况下, 人体有限元模型精度越高, 解剖学结构越详细, 越能准确反映真实碰撞中肝脏的生物力学响应情况。但是, 考虑到在汽车安全性设计和虚拟评价方面的应用价值和计算成本问题, 针对钝性碰撞下肝脏生物力学响应分析, 在保证关键结构准确度的前提下, 对模型做适当简化以控制计算稳定性和模型复杂程度是十分必要的。

综上所述, 为了深入分析钝性撞击下肝脏的生物力学响应, 本文基于中国五十百分位男性平均尺寸建立了简化胸腹部模型, 胸腹腔内脏器官除肝脏外构建为一个整体, 肝脏模型具有较高仿真度, 以达到模型精度与计算效率之间的平衡。参考国外经典胸腹部钝性撞击试验, 如正面、斜侧面碰撞摆锤试验, 分别进行正面、左斜侧、右斜侧方向上低速(3.8~4.0 m/s)、中速(5.2~5.5 m/s)、高速(6.7~7.33 m/s)等共10组仿真计算, 分析了不同加载工况下肝脏的变形机制以及动力学响应结果, 并研究了肝脏力学响应结果与胸部响应指标的相关性。

考虑到研究重点为肝脏生物力学响应, 因此肝脏及其毗邻的软组织建模需要详细阐述。针对肝脏进行单独建模, 维持较高精度的表面曲率特征, 以分辨出肝脏局部解剖学结构(如左肝叶、右肝叶、方叶、尾状叶、镰状韧带等), 对其他内脏器官, 如心脏、肺、膈膜、脾脏、肾脏、胰脏、胃、大肠、小肠等, 简化为一个整体。由于肝脏损伤主要来源于胸腹腔的变形和脊柱的挤压, 因此将内脏简化为一个整体是可行的^[5]。

利用Mimics 10.0 (Materialisc Inc., Leuven, Belgium) thresholding功能分别对胸腹部和肝脏提取点云数据, 导入Geomagic Studio 12中构建几何模型, 如图1和图2所示。在Geomagic Studio 12中, 将图1中红色线圈内部的点云数据删除, 得到胸腹部内脏空腔的闭合包络面, 将该闭合曲面和肝脏几何模型(见图2)分别导入Hypermesh中生成实体, 文中记作A和B。在同一套CT中提取的所有点云模型使用同一坐标系, 也就是说肝脏实体与胸腹部内脏包络体的相对位置没有发生变化, 与体内实际的相对位置一致, 是准确的解剖学位置。

图1

Fig.1

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	图1 软组织的CT提取Fig.1 Soft tissue CT extraction

图2

Fig.2

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	图2 肝脏的点云模型和几何模型Fig.2 Liver point cloud model and smoothed geometric model

采用布尔运算(A-B)+B的方法将内脏整体与肝脏进行装配, 即, 在内脏整体的实体模型中挖去肝脏相应位置上所占部分, 获得A-B, 再与肝脏实体装配, 获得(A-B)+B。为了避免肝脏模型与内脏实体模型在划分网格时产生初始渗透, 导致计算不稳定, 在装配前将肝脏实体模型等比例放大至1.01倍, 以保证与原始尺寸肝脏模型装配后接触面之间留有足够的间距进行接触运算。然后将原始尺寸的肝脏实体模型按实际解剖学位置导入内脏实体(A-B)中。肝脏与内脏整体接触定义为AUTOMATIC_SLIDING_SURFACE, 摩擦因数设为0.1。

为了保持肝脏表面及内脏整体包络面固有的曲率特征, 采用ICEM CFD (Ansys Inc., Canonsburg, PA)中块功能划分网格, 然后在前处理软件Hypermesh (Altair Engineering Inc., Troy, MI)中进行材料属性赋值, 边界条件的加载等。肝脏的主要韧带, 如冠状韧带、左/右三角韧带用弹簧单元表示, 如图3所示。

图3

Fig.3

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	图3 肝脏的点云模型和几何模型Fig.3 Liver point cloud and smoothed geometric model

人体胸腹部有限元模型共由肋骨、胸骨、肋间肌、脊柱、肝脏、内脏整体等组成。肋骨、胸骨、椎骨等均由皮质骨和松质骨构成, 用六面体单元模拟。皮质骨和松质骨之间采用共节点的方式连接。脊柱为可变形弯曲结构, 椎间盘的髓核和纤维环均采用六面体单元模拟。简化后的胸腹部模型共741 916个节点, 727 705个单元, 较完整胸腹部模型分别减少35%和30%, 接触面减少11个, 保证了计算效率和稳定性。该简化模型已经通过可靠性验证, 结果详见文献[6], 图4展示了简化后的躯干和整人有限元模型。

图4

Fig.4

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	图4 简化的躯干和整人有限元模型Fig.4 FEM of torso and whole human body

整人有限元模型是基于中国五十百分位男性志愿者(身高(1678.0± 59.93 mm), 体重(59.0± 6.66) kg^[7])CT数据建立的。包括头颈部、躯干、骨盆、四肢等主要结构。模型具体参数及细节详见文献[8-12]。为了使胸腹部模型所受载荷及边界条件与实验条件尽可能保持一致, 将已经建立验证的头颈部、四肢有限元模型与简化胸腹部模型连接起来, 放置在平板上, 对整人模型施加重力场。表1列出了简化胸腹部模型主要结构的材料参数^{[5, 13]}。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 部分重要结构的材料参数 Table 1 Material settings for some important tissues 材料属性 密度/ (kg· mm-3) 弹性模型/MPa 泊松比 肝脏 超弹性 1.04E-06 μ1=-6.15E-01μ2=9.56E-02μ3=-1.60E-01α1=-2.95E+00α2=2.32E+01α3=1.83E+01 0.49 韧带 弹性 - 3.30E+01 - 皮肤 弹性 1.00E-06 3.15E+01 0.45 内脏整体 弹性 0.80E-06 3.50E-03 0.43

表1 部分重要结构的材料参数 Table 1 Material settings for some important tissues

参照Kroell等^[14]开展的胸部正面摆锤撞击尸体实验和Viano等^[15]开展的胸部侧面摆锤撞击尸体实验, 拟定胸腹部简化模型的仿真方案见表2。建立直径152 mm、质量为23 kg的圆柱体刚性撞击块, 在正面撞击中, 撞击块端面中心对准剑突位置; 在侧面碰撞中, 将撞击块绕经过人体重心的纵轴分别水平左右各旋转60° , 作为左右侧面撞击方向, 以保证实验对象不会发生旋转, 具体模拟边界条件如图5所示。10组仿真条件及计算结果列于表2。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 仿真结果列表 Table 2 Summary of simulation results 编号 方向 速度/ (m· s-1) 接触力峰 值/kN VCmax/ (m· s-1) 变形量峰 值/mm 肝脏压力/kPa 肝脏压力 峰值/kPa 肝脏应 变峰值 应变集 中部位 1 2 3 4 F1 正面 4.0 2.57 0.83 69.7 216.02 171.04 103.29 11.86 216.02 0.42 右叶正对剑突位置(1号位置), 右叶肋弓挤压处(2号位置), 方叶(4号位置) F2 正面 5.5 3.48 1.24 74.5 254.02 191.19 109.72 122.40 254.02 0.67 F3 正面 6.7 4.25 1.67 83.1 259.53 188.92 145.60 148.93 259.53 0.89 F4 正面 7.33 4.20 1.77 85.2 292.82 201.33 113.31 174.64 292.82 0.97 L1 左侧 3.8 2.10 0.44 84.6 10.81 7.98 199.73 51.56 199.73 0.43 左叶正对胸骨下角位置(3号位置), 右叶靠近镰状韧带位置(1号位置) L2 左侧 5.5 3.48 0.96 91.1 127.94 12.50 196.82 97.43 196.82 0.64 L3 左侧 6.73 3.38 1.45 105.5 96.78 9.01 180.10 64.34 180.10 0.84 R1 右侧 4.0 2.25 0.50 61.6 9.89 104.13 12.67 27.31 104.13 0.59 右叶靠近胆囊底部位置(2号位置) R2 右侧 5.2 2.27 0.68 64.7 76.10 141.69 21.49 56.87 141.69 0.63 R3 右侧 6.73 3.28 0.99 76.9 70.72 152.72 10.26 72.84 152.72 0.89

表2 仿真结果列表 Table 2 Summary of simulation results

图5

Fig.5

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	图5 碰撞仿真示意图Fig.5 Frontal and oblique impact simulations

实验样本在碰撞中的胸部变形量通过固定在脊柱和胸骨两个主要特征位置的测量仪采集数据得到, 是指胸部在通过剑突的水平面上沿碰撞方向的相对位移量, 而在仿真计算中该参数的测量相对容易, 胸部变形量的测量方法见图6。

图6

Fig.6

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	图6 正面和侧面碰撞胸部变形量测量方法Fig.6 Measurement of thoracic deflection in frontal and oblique impacts

黏性准则(VC)是考虑到软组织损伤取决于压缩量和压缩速度而制定的胸部区域损伤准则。

VC=v(t)C(t)= dD(t)d(t) (1)

式中:v(t)是由变形量D(t)微分得到的变形速率; C(t)是瞬时压缩函数, 即变形量D(t)和初始的躯体厚度b之间的比值。

(1)不同碰撞方向和碰撞位置导致肝脏与胸廓挤压位置发生变化。剑突、胸骨下角及肋弓位置最易与肝脏发生挤压, 剑突一般引起肝右叶靠近镰状韧带位置变形剧烈, 而胸骨下角和肋弓对肝脏的加载则与碰撞条件密切相关。不同的加载条件均导致肝脏相对脊柱产生位移, 导致肝脏方叶位置受脊柱压迫产生应力应变集中。

(2)正面碰撞时压力主要分布在剑突压迫位置, 其次为右肋弓挤压位置和脊柱挤压位置, 左肋弓挤压引起的应力应变较小, 损伤影响可以忽略。右侧碰撞时压力主要分布在右侧肋弓压迫位置, 其次为剑突挤压和脊柱挤压, 左肋弓挤压影响小。左侧碰撞时压力主要分布在左侧肋弓压迫位置, 其次为剑突挤压位置, 脊柱接触位置也会出现一定程度应力集中, 但不是脊柱压迫造成, 而是肝脏在方叶处呈一定角度折叠产生。各部位的压力峰值均随碰撞速度的增大而增大, 随着速度增大, 峰值差逐渐减小, 趋于收敛。

(3)各胸部响应指标与肝脏损伤程度(用应力、应变峰值表示)的相关性随加载条件的差异而发生变化。在正面碰撞中, 胸部变形量与肝脏压力显著相关; 在左侧碰撞中, 接触力峰值、VC_max和胸部变形量等预测指标与肝脏应变峰值的相关性普遍较强; 在右侧碰撞中, 胸部响应参数与肝脏压力、应变峰值的相关性均普遍较高。

(4)本研究中使用的肝脏模型仍是一个整体, 对重要解剖学结构, 如肝包膜、镰状韧带、肝门静脉等进行了简化, 无法得到这些结构的力学响应。事实上, 如果关注肝脏特定结构的碰撞相应, 可以针对分析部位进一步细化处理, 以得到更加丰富的信息, 但是以牺牲计算效率为代价。根据不同的研究需求建立恰当规模的有限元模型也逐步成为生物力学研究的一个重要课题。