基于有限元和交通事故重构的儿童颅脑损伤准则研究

The research on children's traumatic brain injury criterion made slow progress because of the absence of children cadaver experiments and effective brain finite element(FE) model. The brain FE model including brain tissues is developed by using image processing, reverse engineering and computer aided engineering based on CT images of a child. The mechanical properties of brain tissues are studied by in vitro experiments and constitutive models are developed. The accidents related to children's traumatic brain injury are reconstructed using kinematic and kinetic method, and kinetic parameters such as acceleration of the brain are computed in the accidents. Then the kinetic parameters are applied to the brain FE model as load cases, and stress and strain responses of brain are analyzed by using nonlinear FE method. Comparing the responses with the actual traumatic brain injury classification and severity, the rules among load, stress and strain relations of brain tissues and traumatic brain injury classification and severity are constructed. After injury biomechanics analysis of the traumatic brain injury mechanism, the traumatic brain injury criterions related to skull fracture, cerebral concussion and diffuse axonal injury(DAI) are constructed based on stress and strain response of brain tissues. This project will start the research of traumatic brain injury mechanism of children in China, and the results will afford biomechanics basis to the design of children restraint system and child dummy, and it also is useful to establish automotive safety regulations related to children and school bus standards.

因缺乏儿童尸体实验数据及有效的儿童颅脑有限元模型导致儿童颅脑损伤准则的研究严重滞后。本项目利用活体儿童头部的CT图像借助图像处理、逆向工程和计算机辅助工程技术，建立含各脑组织的儿童颅脑有限元模型。采用体外实验研究脑组织的材料属性及本构模型。利用动力学方法重构涉及儿童颅脑损伤的交通事故过程并计算儿童颅脑所受的加速度等动力学参数，以此作为有限元模型的加载条件，采用非线性有限元方法仿真分析颅脑各组织的应力应变响应，结合事故中儿童颅脑实际创伤情况，建立冲击载荷- - 颅脑组织应力应变关系- - 颅脑损伤形式之间的规律，对碰撞中儿童颅脑创伤机制进行较全面的损伤生物力学解析，构建以脑组织应力应变等指标为标准的儿童颅脑损伤（颅骨断裂、脑震荡、弥散性轴束损伤）准则。该项目将开创我国儿童颅脑损伤生物力学的研究,结果将对儿童约束系统和儿童假人的设计以及为我国在制定儿童汽车安全法规和校车标准等领域提供生物力学依据。

具有真实解剖学结构的儿童有限元模型是研究儿童颅脑损伤机理和损伤准则的有效工具之一。基于健康儿童的头部CT扫描数据，采用计算机图像处理、逆向工程及有限元网格划分技术构建了包括灰质、白质、胼胝体和海马体等脑深部结构在内的儿童头部有限元模型，通过重构儿童尸体实验验证了模型的有效性。利用该模型重构了儿童头部坠落实验，结果表明当儿童头部不同位置与地面发生碰撞时，撞击前额处出现最大撞击力和峰值加速度，撞击顶部位置时最容易发生骨缝的骨折；当跌落高度大于120cm时，颅骨的Vonmises应力达到181.4MPa时，会造成颅骨骨折。重构国标GB/T 24550-2009的儿童头锤试验，系统分析了儿童头部不同颅骨刚度和脑组织材料参数对颅内响应的影响。随着颅骨刚度的增加，儿童头部的损伤风险逐渐降低；对于脑组织材料参数，脑组织体积模量K和剪切模量G对颅内响应具有相同的影响规律，颅内压力和脑组织的剪应力都随着K值和G值的增大而增大，而剪应变则随着K值和G值的增加而减小。衰减系数β值的变化不会对颅内压力产生影响，但峰值剪应力随着β值增加而降低，剪应变随着β值增加而增加。儿童行人头部与发动机罩的事故重构表明，头部不同碰撞位置的颅内响应是不同的。当顶骨位置发生碰撞时，头部脑组织都会较其他脑颅骨碰撞位置出现更大的应力应变，产生更加严重的颅脑损伤。进一步研究头与发动机罩碰撞时发现因发动机罩下硬点产生的二次减速对颅脑响应具有重要影响，二次减速的存在使得头部冲击时其HIC值更大；且在儿童颅内压力呈梯度分布的情况下，引起颅内的二次压缩；同时增大了脑组织应力和应变的损伤风险区域，改变了损伤区域峰值的位置并使其峰值增加。通过模拟安全气囊模型冲击儿童头部有限元模型试验，全面评估了气囊与头部的距离参数变化对颅脑损伤的影响，随着头部与安全气囊距离的不断减小，儿童颅脑损伤的风险越大。借助儿童及成人头部有限元模型进行转动仿真对比研究儿童脑震荡即的损伤阈值，计算得到了以CSDM为基础的儿童脑损伤风险曲线。基于CSDM预测指标只能通过有限元模型计算得到而无法直接检测的缺点，进一步研究得到产生相同脑损伤时的头部转动角速度和角加速度值。首次提出以实际可测的头部转动角速度和角加速度作为损伤阈值来预测转动载动载荷条件下的脑损伤，为预测实际的儿童脑震荡损伤提供了一种新方法。