具有年龄特征的儿童胸部参数化建模及损伤机理研究

Due to the growth of body size, anatomical structures, and tissue material properties, the pediatric injury mechanisms have the lager differences with increasing age. The available pediatric data and children injury mechanisms study all are insufficient. As such that the criteria for assessment of child thoracic injury are referenced to adult data. There are three major research contents of this proposal. First, the clinical tomography data and cardiopulmonary resuscitation (CPR) response data are adopt to solve the problem of insufficient data. Then a 3, 6, 10-year-old child thorax finite element (FE) models with detail anatomical features and similar mesh characteristics are developed by parametric modeling method. Second, virtual testing using FE simulation are carried out and combined with a few pediatric cadaver tests to study the effects of age factors and loading conditions on the pediatric thoracic injury mechanisms. Finally, the accident reconstruction data are used to improve the injury criteria and tolerances of child thorax in the different typical periods Based on the understanding of the pediatric thoracic injury mechanisms. Not only can this study provide accurate pediatric FE models for development of child protective measures, but it can also be applied to evaluate the child protective devices, formulate safety technology standards, and conduct the clinical medicine study. This has important scientific significance and practical value.

儿童身形尺寸、解剖特征和材料特性等随年龄增长而变化，造成其损伤机理在不同时期存在较大差异。国内外由于可用于儿童研究的数据缺乏，针对儿童胸部损伤机理的研究还很少，致使儿童胸部损伤准则主要是参照成人数据。在此，本项目拟①采用临床断层扫描及心肺复苏急救响应数据，解决儿童数据不足的问题，在此基础上，通过参数化建模的方法开发3、6、10岁典型时期具有详细解剖特征和相似网格划分的儿童胸部有限元模型；②利用所建立的有限元模型开展虚拟实验，并结合少量的儿童尸体试验探索年龄因素及加载条件对儿童胸部损伤机理的影响；③在充分理解儿童胸部损伤机理的基础上，结合事故重建完善不同时期儿童胸部损伤准则及容忍极限。本项目不仅可为儿童防护措施的开发提供准确的仿真模型，还可应用于儿童安全技术标准的制定及防护装置的评估以及临床医学等领域，具有重要的科学意义和实用价值。

近年来，随着成人道路交通安全的不断改善和提高，儿童道路交通安全问题反而越来越突出。然而，儿童道路交通安全的研究中还存在可用于研究的数据缺乏，儿童损伤机理不明确，损伤准则和容忍极限多以参照或直接采用成人的数据为主等问题。针对上述情况，课题组开展了典型时期儿童胸部损伤生物力学研究：首先，利用临床断层扫描数据获得了大量的儿童几何数据，解决了儿童建模几何数据缺乏的问题，并利用这些数据研究获得了儿童主要解剖特征随年龄的变化关系及通过参数化建模开发了3岁、6岁以及10岁儿童有限元模型。其后，通过采集的临床胸肺复苏急救响应数据，开展的事故重建以及少量尸体试验解决了验证数据缺乏的问题并完成了模型验证，获得了具有损伤预测能力的儿童有限元模型。最后，通过开展大量的虚拟实验并结合事故重建数据及尸体试验数据发现解剖结构、材料属性及加载条件对儿童胸部响应均有较大影响，儿童胸部压缩量损伤准则及黏性损伤准则均能在一定程度上准确的预测到儿童胸部损伤，但损伤容忍极限在不同加载条件下，不同的年龄时期存在有较大差异，直接采用或缩放成人的损伤容忍极限无法准确的反映儿童损伤严重程度。本课题研究中获得的儿童模型及其他研究成果不仅可用于儿童道路交通安全的理论研究，还可用于儿童措施及防护产品的开发及评估车辆的儿童安全防护性能等，具有较大的学术研究价值及一定的社会经济效益。