李海巖，李鑫杰，崔世海，賀麗娟，阮世捷，呂文樂

（天津科技大學(xué)，現(xiàn)代汽車安全技術(shù)國際聯(lián)合研究中心，天津 300222）

前言

創(chuàng)傷性腦損傷（traumatic brain injury，TBI）是指頭顱部位尤其是腦組織受到外力撞擊時(shí)引起的腦部損傷。顱腦損傷在平時(shí)和戰(zhàn)爭均常見，僅次于四肢損傷，其導(dǎo)致的死亡率和傷殘率在所有損傷中占據(jù)首位，因此顱腦創(chuàng)傷對社會(huì)和家庭所造成的危害尤為嚴(yán)重。輕度創(chuàng)傷性腦損傷（mTBI）是最常見的腦損傷類型，mTBI患者會(huì)出現(xiàn)頭痛、疲勞、抑郁、焦慮、緊張和易怒等癥狀，以及認(rèn)知功能受損。癥狀會(huì)在受傷后3個(gè)月內(nèi)自愈，只有一小部分患者會(huì)患有持續(xù)性腦震蕩后綜合征（PCS）［1］。康復(fù)醫(yī)學(xué)會(huì)頭部損傷委員會(huì)特殊研究組將mTBI定義為由于創(chuàng)傷導(dǎo)致的腦功能生理紊亂，包括：意識(shí)喪失、事故前后的短時(shí)間失憶、事故發(fā)生時(shí)的精神狀態(tài)變化（如眩暈、無方向感、精神紊亂）和暫時(shí)性或持續(xù)性神經(jīng)功能缺損。但這些損傷的嚴(yán)重性都不會(huì)超過以下指標(biāo)：喪失知覺（LOC）小于 30 min；格拉斯格昏迷指數(shù)（GCS）在 13－15之間；腦外傷后失憶（PTA）小于24 h［2］。在腦震蕩國際會(huì)議上，腦震蕩是指腦部由于受到創(chuàng)傷性外力作用，導(dǎo)致中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能障礙的復(fù)雜病理生理現(xiàn)象［3］。mTBI和腦震蕩的定義和認(rèn)定方法的多變性對其研究產(chǎn)生了很大的影響，這也限制了輕度創(chuàng)傷性腦損傷的流行病學(xué)研究。目前，關(guān)于這兩個(gè)名詞的定義一般認(rèn)為：腦震蕩主要是指功能上的損傷，輕度創(chuàng)傷性腦損傷主要是結(jié)構(gòu)和功能損傷［4］。在運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)中，通常將腦震蕩歸屬于輕度創(chuàng)傷性腦損傷，本文中就遵循這一原則。顱腦損傷涉及腦組織中的白質(zhì)和大腦半球，尤其是白質(zhì)受沖擊后會(huì)發(fā)生變形和破壞導(dǎo)致彌散性軸索損傷（DAI）。顱腦損傷后的病理學(xué)檢查表明，損傷表現(xiàn)為白質(zhì)中軸索腫脹或斷裂［5］。盡管DAI的機(jī)理尚不明確，但普遍認(rèn)為當(dāng)腦組織受到加速或減速后，腦組織的變形會(huì)改變細(xì)胞膜的通透性，超過一定閾值時(shí)會(huì)產(chǎn)生DAI［6］，世界衛(wèi)生組織指出近年來腦震蕩等輕度創(chuàng)傷性腦損傷在呈上升趨勢［7］。

伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，有限元方法在研究頭部腦損傷領(lǐng)域起重要作用。Kleiven［8］通過重建分析了58例國家美式橄欖球聯(lián)盟（national football league，NFL）案例，將計(jì)算結(jié)果利用回歸風(fēng)險(xiǎn)曲線進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，對輕度創(chuàng)傷性腦損傷的腦組織應(yīng)變、應(yīng)變率、von Mises應(yīng)力、顱內(nèi)壓和灰質(zhì)處壓力等影響因子進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果顯示大腦灰質(zhì)處壓力有著較高的相關(guān)性，當(dāng)大腦灰質(zhì)處壓力達(dá)到65.8 kPa時(shí)有50%概率會(huì)引發(fā)腦震蕩。Shreiber等［9］提出腦組織von Mises應(yīng)力達(dá)到6～11 kPa時(shí)會(huì)發(fā)生腦挫傷。Anderson等［10］通過研究羊的大腦損傷得出腦組織von Mises應(yīng)力為8～16 kPa時(shí)會(huì)發(fā)生DAI。Kleiven［8］研究表明，胼胝體 von Mises應(yīng)力達(dá)到8.4 kPa時(shí)有50%概率引發(fā)腦震蕩。Willinger等［11］通過分析22例NFL案例得出，當(dāng)腦組織von Mises應(yīng)力達(dá)到18 kPa時(shí)有50%的概率會(huì)引發(fā)腦震蕩。Zhang等［12］研究了體育比賽中美式橄欖球球員頭部發(fā)生的損傷案例，得出腦剪切應(yīng)力值達(dá)到6.0、7.8和10.0 kPa時(shí)，分別有25%、50%和80%的概率出現(xiàn)輕度腦損傷。Bain等［13］通過中樞神經(jīng)系統(tǒng)白質(zhì)損傷試驗(yàn)來探究軸索損傷的腦組織水平閾值，結(jié)果表明，在豚鼠體內(nèi)造成軸突損傷白質(zhì)的應(yīng)變閾值為0.13，同時(shí)指出，采用不同的腦組織的材料參數(shù)下的應(yīng)變值會(huì)發(fā)生改變。Galbraith等［14］用烏賊進(jìn)行軸突損傷的研究，表明腦組織最大應(yīng)變?yōu)?.10可導(dǎo)致軸突可逆損傷，這可作為烏賊腦震蕩的近似和保守閾值。Takhounts等［15］給出了基于腦組織最大主應(yīng)變（MPS）對應(yīng)的簡明創(chuàng)傷（AIS）等級(jí)顱腦損傷風(fēng)險(xiǎn)曲線，當(dāng)腦組織最大主應(yīng)變?yōu)?.45時(shí)，發(fā)生輕度腦損傷的概率為50%。

現(xiàn)階段由于乘員的個(gè)體差異，乘員在乘車時(shí)即使合理使用安全帶也會(huì)因調(diào)整座椅位置和角度而導(dǎo)致頭部與安全氣囊的正常距離發(fā)生改變，出現(xiàn)離位的情況。因此，本研究基于已構(gòu)建且經(jīng)過有效性驗(yàn)證的我國50百分位頭部有限元模型，模擬在使用安全帶工況下，頭部與安全氣囊不同距離時(shí)頭部運(yùn)動(dòng)學(xué)特征，對比其力學(xué)指標(biāo)，探究顱腦響應(yīng)參數(shù)的變化。

1 材料與方法

圖1 具有詳細(xì)解剖學(xué)結(jié)構(gòu)我國假人50百分位頭部有限元模型

1.1 50百分位成人頭部模型和安全氣囊模型

研究采用Zhao等［16］構(gòu)建且經(jīng)過有效性驗(yàn)證的具有詳細(xì)解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的成人50百分位頭部有限元模型，如圖1所示。該模型包括灰質(zhì)、白質(zhì)、胼胝體、3層腦脊液、腦膜、腦室和腦干等較完整的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)。其包含113 276個(gè)單元，質(zhì)量為4.3 kg，長度為178.899 mm，寬度為142.955 mm。安全氣囊采用崔世海等［17］試驗(yàn)中使用的模型。

1.2 仿真試驗(yàn)條件設(shè)置

參考Meyer等［18］的試驗(yàn)設(shè)置，頭部與安全氣囊質(zhì)心上下距離42 mm。崔世海等［17］通過仿真離位狀態(tài)下6歲兒童與安全氣囊的碰撞，提出正常情況下未引爆的氣囊和頭部的最小安全距離約為300 mm。為探究乘員在使用安全帶工況下安全氣囊和頭部的碰撞過程，并考慮不同個(gè)體調(diào)整座椅存在離位的情況，模擬不同距離時(shí)的頭部與安全氣囊的接觸過程。將安全氣囊響應(yīng)前的質(zhì)心與乘員頭部距離 d（圖 2）設(shè)置為 260、270、280、290、300和310 mm共6種尺寸，使用LS-DYNA軟件進(jìn)行仿真，計(jì)算時(shí)間為120 ms。

圖2 頭部的面部與安全氣囊的距離示意圖

2 仿真結(jié)果

2.1 仿真過程

圖3為頭部不同時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)過程。其中頭部是無約束的狀態(tài)，由于安全氣囊的拉帶長度是一定的，隨著頭部與安全氣囊距離的減小，顱腦響應(yīng)參數(shù)會(huì)發(fā)生不同程度的變化。

圖3 不同時(shí)刻頭部運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)

2.2 HIC15值

當(dāng)前各國安全法規(guī)中普遍將頭部損傷準(zhǔn)則（head injury criterion，HIC）作為一項(xiàng)評價(jià)頭部損傷的重要指標(biāo)，其表達(dá)式為

式中：a為頭部質(zhì)心合成加速度，g；t2－t1為HIC取得最大值時(shí)的時(shí)間間隔，在實(shí)際應(yīng)用中一般選取的時(shí)間間隔為15 ms。

目前，大多數(shù)國家將HIC15的損傷值700定為成人和6歲以上兒童頭部沖擊傷害閾值［19］。表1為不同距離時(shí)仿真結(jié)果的頭部HIC15值。

表1 頭部與安全氣囊的不同距離時(shí)HIC15值

2.3 腦灰質(zhì)處壓力

圖4為不同初始距離時(shí)碰撞后的腦灰質(zhì)處最大壓力云圖。當(dāng)距離為 260、270、280、290、300和310 mm時(shí)腦灰質(zhì)處最大壓力值分別為112.20、94.04、71.74、61.16、54.58和 45.94 kPa。

2.4 腦組織von Mises應(yīng)力

圖5為頭部與安全氣囊不同距離時(shí)碰撞后的腦組織von Mises應(yīng)力隨時(shí)間的變化。當(dāng)距離為260、270、280、290、300和 310 mm時(shí)腦組織 von Mises應(yīng)力對應(yīng)的最大值為 24.22、20.55、19.03、13.01、8.32和4.13 kPa。

2.5 腦剪切應(yīng)力

圖6為頭部與安全氣囊不同距離時(shí)碰撞后的腦剪切應(yīng)力隨時(shí)間的變化。當(dāng)距離為260、270、280、290、300和310 mm時(shí)腦剪切應(yīng)力最大值為13.62、11.77、9.31、7.50、4.83和 2.74 kPa。

3 討論

由表1可見，當(dāng)距離為260和270 mm時(shí)，HIC15值遠(yuǎn)大于損傷閾值700，當(dāng)距離為280 mm時(shí)，HIC15值接近于損傷閾值，而當(dāng)距離等于或大于290 mm時(shí)HIC15值小于損傷閾值?？傊^部與安全氣囊的距離減小，HIC15值變大。

當(dāng)頭部與安全氣囊距離不同時(shí)，由于安全氣囊的拉帶長度一定，隨著頭部與安全氣囊距離的減小，頭部受到安全氣囊的線性沖擊力變大。圖7為Kleiven［8］通過重建分析58例NFL，將計(jì)算結(jié)果利用回歸風(fēng)險(xiǎn)曲線進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得出的腦震蕩概率與腦灰質(zhì)處最大壓力關(guān)系圖。將仿真結(jié)果利用插值法計(jì)算得出組別中灰質(zhì)處壓力為112.20、94.04、71.74、61.16、54.58和45.94 kPa時(shí)所對應(yīng)的腦震蕩的概率近似為98%、90%、63%、43%、28%和15%。

圖4 不同初始距離時(shí)碰撞后腦灰質(zhì)處壓力云圖

圖5 不同距離時(shí)腦組織von Mises應(yīng)力隨時(shí)間的變化

圖6 不同接觸距離時(shí)腦組織剪切應(yīng)力隨時(shí)間的變化

由圖5可見，當(dāng)頭部與安全氣囊距離不同時(shí)，腦組織von Mises應(yīng)力波峰主要集中在30 ms左右。由于頸部沒有約束，頭部與安全氣囊不同距離碰撞后，頭部在受到安全氣囊展開后不同的線性沖擊力下會(huì)發(fā)生不同程度的旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致小腦干處發(fā)生了不同程度的扭曲。當(dāng)距離為280～290 mm區(qū)間內(nèi)時(shí)腦組織von Mises應(yīng)力更容易接近Willinger等［11］提出的50%概率會(huì)引發(fā)腦震蕩的von Mises應(yīng)力18 kPa的閾值。

對比圖6和圖5可見，腦剪切應(yīng)力隨時(shí)間變化趨勢基本與腦組織von Mises應(yīng)力變化趨勢相同，且最大值均出現(xiàn)在小腦干處，與Zhang等［12］試驗(yàn)結(jié)果一致。腦干是中樞神經(jīng)系統(tǒng)中位于脊髓和間腦的結(jié)構(gòu)，通過對剪切應(yīng)力云圖分析腦剪切應(yīng)力越大，小腦干的扭曲變形程度越大，對應(yīng)顱腦損傷程度也越高。當(dāng)頭部與安全氣囊的距離減小，頭部受到的線性沖擊力變大，因而更容易發(fā)生旋轉(zhuǎn)，而旋轉(zhuǎn)過程中由于腦組織各本構(gòu)結(jié)構(gòu)之間負(fù)荷的慣性不同，角速度和旋轉(zhuǎn)加速度會(huì)不同程度導(dǎo)致腦組織發(fā)生扭曲和移位，進(jìn)而引發(fā)彌漫性軸索損傷。當(dāng)初始距離為260、270、280、290、300和310 mm時(shí)，腦剪切應(yīng)力最大值分別為 13.62、11.77、9.31、7.50、4.83和 2.74 kPa。與Zhang等［12］的研究成果相對照，距離為290 mm時(shí)腦剪切應(yīng)力7.50 kPa已低于50%概率會(huì)引起輕度腦損傷的閾值7.8 kPa。

通過仿真對比不同距離時(shí)頭部與安全氣囊的碰撞過程，來模擬乘員在使用安全帶的工況下，頭部與安全氣囊的距離不同時(shí)兩者碰撞后顱腦的響應(yīng)變化。如表2所示，隨著距離的減小，頭部受到的線性沖擊力變大，頭部顱腦響應(yīng)參數(shù)如灰質(zhì)壓力、腦組織von Mises應(yīng)力和腦剪切應(yīng)力值等均會(huì)增大，導(dǎo)致頭部出現(xiàn)不同程度的損傷。當(dāng)乘員頭部與安全氣囊的距離為310 mm時(shí)，顱腦響應(yīng)參數(shù)、HIC15值、灰質(zhì)處壓力、腦組織von Mises應(yīng)力和腦剪切應(yīng)力均處于最小值，而當(dāng)距離大于等于290 mm時(shí)腦組織顱腦響應(yīng)參數(shù)均低于50%概率引發(fā)輕度創(chuàng)傷性腦損傷的閾值。

圖7 腦灰質(zhì)處壓力與腦震蕩損傷概率的Logistic回歸圖

表2 頭部與安全氣囊不同距離時(shí)碰撞后顱腦響應(yīng)參數(shù)與損傷閾值

4 結(jié)論

采用成人50百分位有限元頭部模型，模擬乘員合理使用安全帶情況下改變座椅位置或座椅角度導(dǎo)致頭部與安全氣囊不同距離時(shí)碰撞后頭部生物力學(xué)各項(xiàng)指標(biāo)的響應(yīng)變化，得出以下結(jié)論。

（1）隨著頭部與安全氣囊距離的減小，頭部受到的線性沖擊力和顱腦的各項(xiàng)生物響應(yīng)的最大值均變大，且顱腦損傷程度增高。

（2）當(dāng)頭部與安全氣囊距離小于290 mm時(shí)，腦組織各項(xiàng)響應(yīng)參數(shù)如腦灰質(zhì)處壓力、腦組織von Mises應(yīng)力、腦剪切應(yīng)力均大于50%概率引發(fā)輕度創(chuàng)傷性腦損傷的閾值。

（3）頭部與安全氣囊距離大于等于290 mm時(shí)，顱腦各項(xiàng)的生物響應(yīng)值均低于50%概率引發(fā)輕度創(chuàng)傷性腦損傷的閾值。為保護(hù)乘員安全，建議乘員應(yīng)保持頭部與安全氣囊的距離在290 mm以上。