摘要： 為了更好地理解爆炸沖擊波作用下頭部的力學(xué)響應(yīng)和損傷機(jī)制，利用計算機(jī)電子斷層掃描與核磁共振醫(yī)學(xué)圖像獲取了頭部幾何信息，開發(fā)了具有骨縫結(jié)構(gòu)的精細(xì)化頭部有限元模型?；谝延械募げü苁w實驗，開展了正面、側(cè)面與背面爆炸沖擊數(shù)值模擬，通過對比顱內(nèi)壓-時間歷程曲線與顱內(nèi)壓峰值，驗證有限元模型的有效性。結(jié)果表明：在3 種沖擊方向下，顱內(nèi)4 個區(qū)域的壓力峰值與文獻(xiàn)實驗仿真數(shù)據(jù)吻合較好；爆炸仿真中顱骨骨縫處有明顯應(yīng)力集中，骨縫線處頭部有更大的損傷風(fēng)險；同等爆炸沖擊強度下，正面和背面沖擊比側(cè)面沖擊對頭部造成的損傷更嚴(yán)重。建立的頭部模型可應(yīng)用于爆炸載荷下的頭部損傷研究，同時可探究骨縫對于頭部生物力學(xué)響應(yīng)的影響，對爆炸損傷研究具有重要意義。

關(guān)鍵詞： 爆炸；有限元模型；模型驗證；生物力學(xué)；顱內(nèi)壓力

中圖分類號： O389 國標(biāo)學(xué)科代碼： 13035 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

現(xiàn)代軍事沖突中，爆炸是常見的戰(zhàn)爭危害形式之一。對于爆炸造成的人員傷害，Connelly 等[1] 對6 950名住院的美軍士兵進(jìn)行了篩查，發(fā)現(xiàn)61.9% 因爆炸性損傷入院。同時，美國海軍陸戰(zhàn)隊?wèi)?zhàn)斗創(chuàng)傷登記處的數(shù)據(jù)顯示，爆炸沖擊導(dǎo)致的顱腦損傷患者占52%[2]。為了研究爆炸引發(fā)的顱腦損傷，研究人員進(jìn)行了大量的動物實驗、尸體實驗以及數(shù)值模擬，旨在深入探討損傷機(jī)制和組織的耐受閾值[3-7]。康越等[8] 為提高單兵裝備的防爆性能，開展了在實爆場和激波管環(huán)境下對頭部爆炸損傷的研究。本文建立了一個適用于爆炸損傷研究的頭部有限元模型，對于深入理解頭部爆炸損傷機(jī)制、提升頭部保護(hù)性能以及改進(jìn)損傷治療方案具有重要意義。

近年來，針對腦損傷的研究，Mao 等[9] 開發(fā)了一種較為詳細(xì)的人體頭部模型，該模型是通過醫(yī)學(xué)CT（computed tomography）/MRI （magnetic resonance imaging） 圖像并利用Block 方式建立的頭部有限元模型。為國內(nèi)外研究學(xué)者提供了新的頭部建模方法。Cotton 等[10] 建立了一種高度逼真的頭頸部有限元模型，該模型旨在用于沖擊模擬，具備高度的幾何準(zhǔn)確性，能夠適應(yīng)不同的研究需求。Ghajari 等[11] 通過計算模擬，預(yù)測了慢性創(chuàng)傷性腦?。╟hronic traumatic encephalopathy， CTE）病理變化的發(fā)生位置。該模型結(jié)合了生物力學(xué)特性，揭示了不同類型腦損傷對腦組織的影響，為理解創(chuàng)傷后腦病理機(jī)制提供了重要的理論基礎(chǔ)，并為未來的臨床應(yīng)用和治療策略的制定奠定了基礎(chǔ)。Carmo 等[12] 為評估頭部重復(fù)性沖擊及其對女性大腦的影響，建立了一種具有生物形態(tài)特征的女性頭部有限元模型，所建模型有助于深入研究創(chuàng)傷性腦損傷的機(jī)制。聶偉曉等[13] 針對破片侵徹對戴防彈頭盔的頭部靶標(biāo)造成的鈍擊效應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。這項研究為改進(jìn)防護(hù)裝備設(shè)計、提升其防護(hù)能力提供了重要的理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。栗志杰等[14] 基于三維頭部數(shù)值模型，深入探討了顱腦碰撞損傷的機(jī)理。該研究為理解顱腦碰撞損傷的發(fā)生機(jī)制提供了重要的理論支持，并為相關(guān)防護(hù)措施的改進(jìn)奠定了基礎(chǔ)。張文超等[15] 通過爆炸沖擊波對顱腦造成沖擊傷的數(shù)值模擬，揭示了沖擊波的傳播特性及其對顱腦內(nèi)部壓力和應(yīng)力分布的影響。

雖然目前大多數(shù)有限元模型能夠?qū)︻^部的顱內(nèi)壓力、腦損傷和顱骨骨折等進(jìn)行損傷分析，但大多數(shù)模型都是通過碰撞實驗來驗證其有效性，鮮有通過爆炸實驗進(jìn)行驗證。經(jīng)過爆炸驗證的頭部模型更適合用于研究爆炸場景下的頭部損傷。本文中，基于已有的模型建立方法[16]，通過對一名35 歲、50 百分位的中國中等身材男性志愿者進(jìn)行計算機(jī)斷層掃描和核磁共振成像，模擬人體頭部特征?；谶@些數(shù)據(jù)，建立一種具有顱骨骨縫線的頭部有限元模型，并利用激波管實驗[17] 驗證該模型的有效性。

1 材料與方法

1.1 模型建立

掃描一位35 歲、50 百分位中國中等身材特征男性志愿者的頭部，獲取CT/MRI 斷層圖片，掃描層厚度為0.625 mm，共601 張斷層圖像，通過這些DICOM 圖像，精確提取頭部的幾何信息。本文采用醫(yī)學(xué)建模軟件3D-Slicer 對顱腦與顱骨進(jìn)行了分割，成功構(gòu)建了三維模型，為后續(xù)的生物力學(xué)分析和研究提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

本研究旨在構(gòu)建具有詳細(xì)顱骨結(jié)構(gòu)的頭部模型，需分割出顳骨、顴骨、面骨、枕骨和蝶骨等顱骨解剖結(jié)構(gòu)。為探討骨縫線對顱內(nèi)力學(xué)響應(yīng)的影響，需保留顱骨間的骨縫幾何信息。根據(jù)CT 斷層圖像，保留相關(guān)的幾何特征，以便后續(xù)進(jìn)行網(wǎng)格化處理。圖1（a） 展示了志愿者顱骨的分割模型。由于顱腦MRI 圖像閾值接近，將顱腦分割為大腦、小腦和腦干，并保留大腦表面溝壑。對分割后的模型進(jìn)行平滑處理，以去除不利于構(gòu)建模型的噪點，平滑后的顱腦分割結(jié)果如圖1（b） 所示。由于3D-Slicer 生成的STL 文件是由大量三角面擬合而成的曲面模型，無法直接用于網(wǎng)格劃分，采用Geomagic Design X 64 軟件進(jìn)行逆向建模，將STL 轉(zhuǎn)換為STP 實體文件。頭部各結(jié)構(gòu)的逆向建模分別進(jìn)行，處理過程中，接觸表面存在的交叉干涉情況，因此模型需要在HyperMesh 軟件中進(jìn)行簡單的幾何處理。獲取到的模型幾何圖形如圖1（c） 所示。顱骨骨片之間通過布爾運算進(jìn)行連接，形成完全嚙合的鋸齒形結(jié)構(gòu)。為了避免HyperMesh 自動劃分網(wǎng)格可能出現(xiàn)的網(wǎng)格干涉問題，首先在頭部幾何表面生成三角形2D 網(wǎng)格，然后填充這些2D 網(wǎng)格包絡(luò)的封閉空間，以生成內(nèi)部網(wǎng)格。在已劃分好的顱骨與顱腦網(wǎng)格基礎(chǔ)上，通過顱骨內(nèi)表面與顱腦外表面包絡(luò)的封閉空間，進(jìn)一步劃分腦脊液網(wǎng)格。同時，在腦脊液的表面生成殼單元，其中外表面代表硬腦膜，內(nèi)表面則對應(yīng)軟腦膜。

通過上述的方法，成功獲得了包括顳骨、顴骨、額骨、枕骨、蝶骨、頂骨、面骨及下頜骨的顱骨以及包括大腦、小腦、腦干、腦脊液、硬腦膜與軟腦膜的顱腦結(jié)構(gòu)。在建立好的四面體網(wǎng)格模型中，經(jīng)過模型整合和網(wǎng)格質(zhì)量檢查，確保99% 以上的網(wǎng)格雅可比值不低于0.3，長寬比不超過5，網(wǎng)格尺寸約為4 mm。各解剖結(jié)構(gòu)采用共節(jié)點連接方式，骨片之間則通過鋸齒形的共節(jié)點連接。最終建立的模型包含95 563個節(jié)點、525 076 個單元，頭部總質(zhì)量為4.9 kg。最終的頭部有限元模型如圖1（d） 所示。

1.2 材料屬性

已有研究[18] 表明，骨組織具有彈塑性材料特性，在屈服點之前，彈塑性材料表現(xiàn)出彈性行為，而在屈服點之后，骨組織則可能發(fā)生斷裂。因此，在模型中采用彈塑性材料來模擬骨組織的特性。在LSDyna軟件中，顱骨組織采用MATL_003 材料模型進(jìn)行建模，而面骨組織則選用MATL_001 材料模型。顱骨組織材料參數(shù)如表1[15-16] 所示，表中ρ 為密度，E 為彈性模量，ν 為泊松比， σy 為屈服極限， 為切線模量，n 為硬化參數(shù)，C 和P 均為Cowper-Symonds 模型參數(shù)，εp 為塑性失效應(yīng)變。

由文獻(xiàn)[18] 可知腦組織材料具有黏彈性，在LS-DYNA 軟件中，腦組織選用MATL_006 材料來模擬其黏彈性特性。黏彈性材料變形與其剪切模量密切相關(guān)，剪切模量的計算公式為：

G（t） = G0 +（G0 -G1） e-βt （1）

式中：G0 為短時剪切模量， G∞為長時剪切模量， β為衰減常數(shù)，t 為時間。

對頭皮和腦膜采用常用彈性材料進(jìn)行表征。腦組織結(jié)構(gòu)材料參數(shù)如表2[15， 18-19] 所示，K 為體積模量。

本文數(shù)值模擬中設(shè)定的炸藥為100 g TNT 炸藥，模擬該炸藥在空氣域中爆炸，以再現(xiàn)實際的爆炸場景。在LS-Dyna 軟件中，對空氣選用MATL_009 材料模型，其狀態(tài)方程采用線性多項式方程：

式中：pa 為壓力，ea0 為體積內(nèi)能，Va 為相對體積， C0、C1、C2、C3、C4、C5 和C6 為多項式系數(shù)。空氣材料及狀態(tài)方程參數(shù)[20] 分別為ρa=1.225 kg/m3， C0=C1=C2=C3=0，C4=C5=0.4，C6=0，ea0=2.58×105 J/m3。

在數(shù)值模擬中，對TNT 炸藥采用MATL_008 材料，并利用JWL （Jones-Wilkins-Lee） 狀態(tài)方程[20] 來描述其爆炸過程。JWL 狀態(tài)方程通常用于高能材料的爆炸模擬，其形式為：

式中：pe 為爆轟壓力，Ve 為初始相對體積，ee0 為體積爆轟能量，A、B、ω"、R1和R2 、 均為多項式方程系數(shù)。TNT 炸藥的具體參數(shù)[20] 分別為ρe=1.63 g/cm3，爆速D=6 930 m/s，A=371 GPa，B=3.23 GPa，R1=4.15，R2=0.9，ω=0.35，ee0=6 GJ/m3。

1.3 模型驗證

為了模擬實際爆炸沖擊頭部場景，參考王智等[20] 的空氣域模型，構(gòu)建了一個320 mm×320 mm×1 500 mm的空氣域爆炸模型，如圖2（a） 所示。該模型中，對空氣和炸藥網(wǎng)格單元采用ALE （arbitrary Lagrange-Euler） 算法進(jìn)行計算，網(wǎng)格尺寸設(shè)置為5 mm。在起爆點的yz 平面設(shè)置了對稱邊界，以提高計算效率；空氣域的邊界則設(shè)定為無反射邊界，并將邊界壓力保持在大氣壓，以防止出現(xiàn)負(fù)壓現(xiàn)象。

根據(jù)模型相似律理論，建立了炸藥在空氣中爆炸的經(jīng)驗公式，并通過試驗確定了相關(guān)系數(shù)[21]，從而得到了高爆炸藥沖擊波峰值超壓的表達(dá)式：

式中：Δp+為峰值超壓，單位為 MPa； rˉ 為比例距離；m 為炸藥當(dāng)量，單位為kg；d 為爆炸中心與頭部的距離（簡稱爆心距），單位為m。

根據(jù)式（4），利用所建立的模型模擬100 g TNT 炸藥在空氣域內(nèi)的爆炸，獲取不同爆心距處的氣壓變化曲線及峰值超壓。對比經(jīng)驗公式[21] 預(yù)測的超壓峰值與模擬結(jié)果，檢驗所建立的爆炸模型是否具有可行性，以及是否適用模擬爆炸場景。

在基于頭部模型進(jìn)行的爆炸損傷研究中，首先需要驗證頭部模型的有效性。本文中，參考Sharma[17]的激波管實驗與仿真，將頭部模型置于空氣域內(nèi)，模擬100 g TNT 炸藥爆炸對人體頭部的沖擊，以確保頭部所受載荷與文獻(xiàn)中的一致，本文仿真模型如圖2（b） 所示。相較于Sharma[17] 的模型，本文的空氣域模型更貼近實際爆炸環(huán)境。Sharma[17] 利用變直徑激波管，通過驅(qū)動室（內(nèi)有惰性高壓氣體）產(chǎn)生的沖擊波，模擬爆炸所產(chǎn)生的高壓沖擊波，作用于激波管尾端固定的頭部模型。激波管尸體實驗示意如圖2（c） 所示，在激波管的A 和B 處裝有壓力傳感器，并在靠近尸體頭部的位置附加了壓力傳感器C，以便于測量激波發(fā)生過程中激波管內(nèi)部氣體壓力的變化。

Sharma[17] 開展了71、76 和104 kPa 等3 種沖擊強度的激波管模擬爆炸實驗。本文中采用空氣域模型，模擬激波管產(chǎn)生的沖擊波，通過控制炸藥與頭部模型的距離，以確保作用于頭部的沖擊波壓力與實驗一致。這種方法能夠有效地再現(xiàn)Sharma[17] 實驗中所測得的壓力特征，從而為后續(xù)的模型驗證提供可靠的基礎(chǔ)。由于71 和76 kPa 強度近似，本文模型驗證是在低強度（75 kPa）和高強度（102 kPa）2 種強度下進(jìn)行，比較顱內(nèi)壓的變化及顱內(nèi)壓峰值。顱內(nèi)壓力測量點設(shè)置在頭部的額部、腦室、頂部和枕部，測量點的位置在圖2（b） 中進(jìn)行了標(biāo)注。這種設(shè)置能夠全面評估不同強度下顱內(nèi)壓力的響應(yīng)特征，為模型的有效性驗證提供了重要依據(jù)。

2 結(jié) 果

爆炸沖擊波在顱內(nèi)傳播規(guī)律極其復(fù)雜，受到多種因素影響。沖擊波可以通過顱骨的骨縫傳播，直接作用于顱腦。此外，頭顱加速運動也會導(dǎo)致顱內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力和應(yīng)變，從而進(jìn)一步影響顱內(nèi)壓力的分布。沖擊波直接作用于頭部時，可能引起顱骨變形，使得沖擊波以更快的速度通過顱骨并作用于腦組織[22]。Sharma[17] 進(jìn)行了5 組實驗，但由于實驗的偶然性和多種因素的影響，最終僅有尸體4 和5 的實驗數(shù)據(jù)可用于模型驗證。文獻(xiàn)中僅對正面沖擊下顱內(nèi)壓的時間歷程曲線進(jìn)行了比較，未詳細(xì)分析側(cè)面和背面沖擊。本文中將通過建立的有限元模型進(jìn)行仿真預(yù)測，分析顱內(nèi)壓-時間歷程曲線及顱內(nèi)壓峰值，以驗證所構(gòu)建的頭部有限元模型在頭部的爆炸損傷研究中的適用性。研究發(fā)現(xiàn)，在爆炸載荷作用下，骨縫處會出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中，導(dǎo)致顱骨更易發(fā)生骨折，同時顱腦也可能遭受更嚴(yán)重的損傷。

2.1 空氣域爆炸模型驗證

通過建立的爆炸模型進(jìn)行模擬仿真，分別測量在爆心距為0.75、0.80、0.85、0.90 和0.95 m 時的壓力變化。所得到的壓力變化曲線如圖3 所示。根據(jù)數(shù)值模擬分析所獲得的超壓峰值，與高爆炸藥沖擊波峰值超壓公式[21] 進(jìn)行對比，驗證結(jié)果如表3 所示。根據(jù)結(jié)果可知，超壓峰值數(shù)值模擬結(jié)果與經(jīng)驗公式計算結(jié)果基本一致，相對誤差控制在10% 以內(nèi)，最小誤差為0.18%。這表明所建立的空氣域爆炸模型適用于爆炸相關(guān)的科學(xué)研究。

2.2 正面爆炸

關(guān)于生物方面的驗證，由于頭部組織結(jié)構(gòu)復(fù)雜，仿真和實驗之間存在一定的偏差，因此本文中引入了Sharma[17] 的仿真數(shù)據(jù)以達(dá)到驗證的目的。在爆炸正面加載條件下，顱內(nèi)壓的數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果[17]的對比如圖4～7 所示，可以看出，低強度沖擊波正面加載頭部時，本文腦室和頂部顱內(nèi)壓力模擬結(jié)果與Sharma[17] 的實驗結(jié)果和仿真數(shù)據(jù)吻合良好。盡管實驗存在一定的不可預(yù)測誤差和偶然性，同時由于頭部模型的差異及測量點的偏差，枕部的預(yù)測結(jié)果與實驗結(jié)果存在一定差距，但與Sharma[17] 的仿真數(shù)據(jù)擬合度較好。額部的預(yù)測結(jié)果與Sharma[17] 的實驗結(jié)果和仿真數(shù)據(jù)均存在差距，但依據(jù)康越等[23] 的近期研究，前額附近的顱內(nèi)壓會出現(xiàn)一個極高的峰值，而不是先有一個較小峰值后再攀升至較大峰值。在高強度沖擊載荷下，額部的顱內(nèi)壓預(yù)測與在低強度沖擊分析類似，與康越等[23] 的近期研究相符合。腦室和枕部的顱內(nèi)壓預(yù)測結(jié)果與Sharma[17] 的實驗結(jié)果吻合度較高。盡管枕部區(qū)域的顱內(nèi)壓預(yù)測結(jié)果與Sharma[17]的實驗結(jié)果存在較大差距，但與Sharma[17] 的仿真數(shù)據(jù)吻合較好。而其他位置的測量點均位于額部之后，沖擊波在頭部發(fā)生了復(fù)雜的反射，減小了外部因素的影響。綜合分析顱內(nèi)壓變化曲線，可以看出，模型仿真所得的顱內(nèi)壓力變化曲線與Sharma[17] 實驗和仿真擬合度較好。

表4 展示了不同強度沖擊波正面沖擊下，本文模型預(yù)測的顱內(nèi)壓峰值與Sharma[17] 的實驗數(shù)據(jù)（cad4、cad5、cad4 與cad5 平均值）和仿真數(shù)據(jù)的對比情況。由于實驗的不確定性，Sharma[17]的一組尸體實驗數(shù)據(jù)缺乏參考價值，這也導(dǎo)致后文關(guān)于側(cè)面和背面爆炸關(guān)于cad 與cad5 部分?jǐn)?shù)據(jù)缺少。由表4 可以看出，在低強度和高強度沖擊波沖擊下，數(shù)值模擬預(yù)測的顱內(nèi)壓峰值均為額部顱內(nèi)壓峰值＞頂部顱內(nèi)壓峰值＞腦室顱內(nèi)壓峰值，其中枕部的顱內(nèi)壓峰值為負(fù)壓。在低強度沖擊下，實驗cad4 與cad5[17] 的額部顱內(nèi)壓峰值平均值為132 kPa，本文模型預(yù)測的額部顱內(nèi)壓峰值為155 kPa，略高于實驗平均值，但介于實驗cad4 的額部顱內(nèi)壓峰值與實驗cad5 的額部顱內(nèi)壓峰值之間。本文模型預(yù)測的腦室顱內(nèi)壓峰值為52 kPa，高于相應(yīng)的實驗cad4 的結(jié)果和實驗cad5 的結(jié)果及其兩者的平均值，但低于Sharma[17]的仿真預(yù)測值。本文模型預(yù)測的頂部顱內(nèi)壓峰值為62 kPa，高于Sharma[17] 的實驗結(jié)果和仿真預(yù)測值，但誤差在20% 以內(nèi)。在高強度沖擊波沖擊下，額部顱內(nèi)壓峰值的預(yù)測結(jié)果與Sharma[17] 的數(shù)據(jù)存在較大偏差，但腦室、頂部和枕部位置的顱內(nèi)壓峰值預(yù)測結(jié)果與Sharma[17] 的數(shù)據(jù)接近。其中，本文模型預(yù)測的腦室顱內(nèi)壓峰值為84 kPa，高于Sharma[17] 的實驗平均值55 kPa，但低于Sharma[17] 的仿真數(shù)據(jù)91 kPa。綜上所述，在低強度和高強度沖擊波作用下，利用本文中建立的模型預(yù)測得到的顱內(nèi)壓峰值與Sharma[17] 的實驗結(jié)果和仿真數(shù)據(jù)相吻合。

2.3 側(cè)面爆炸

表5 展示了側(cè)面沖擊下，本文模型預(yù)測的顱內(nèi)壓峰值與Sharma[17] 的實驗數(shù)據(jù)（cad4、cad5、cad4 與cad5 的平均值）和仿真結(jié)果的對比情況。在低強度沖擊波沖擊下，額部顱內(nèi)壓的模型預(yù)測值與實驗結(jié)果[17] 存在較大誤差，但與仿真結(jié)果[17] 相近。模型預(yù)測值為76 kPa， Sharma[ 1 7 ] 的仿真數(shù)據(jù)為69 kPa，兩者的誤差為9.21%。腦室顱內(nèi)壓的模型預(yù)測值為40 kPa，Sharma[17] 的實驗平均值為30 kPa， cad5 的實驗值為39 kPa，仿真結(jié)果為42 kPa，最小誤差為1.25%。雖然模型預(yù)測的頂部與枕部顱內(nèi)壓峰值與Sharma[17] 的實驗數(shù)據(jù)存在較大差距，但和Sharma[ 1 7 ] 仿真的預(yù)測值接近。在高強度沖擊下，模型預(yù)測的額部顱內(nèi)壓峰值高于Sharma[17] 的實驗和仿真數(shù)據(jù)，腦室的預(yù)測值與Sharma[17] 的仿真結(jié)果接近，枕部預(yù)測值介于Sharma[17] 的實驗結(jié)果與仿真結(jié)果之間。

2.4 背面爆炸

表6 展示了背面爆炸沖擊下，本文模型預(yù)測的顱內(nèi)壓峰值與Sharma[17] 的實驗數(shù)據(jù)（ cad4、cad5、cad4 與cad5 平均值）和仿真的對比情況。在低強度沖擊下，額部預(yù)測的顱內(nèi)壓峰值介于cad4 與cad5 之間。腦室的預(yù)測結(jié)果雖然高于Sharma[17] 的實驗結(jié)果，但與Sharma[17] 的仿真結(jié)果接近，誤差為4.76%。模型預(yù)測的頂部結(jié)果與cad5 相近，誤差為9.28%。枕部的模型預(yù)測值與Sharma[17] 的仿真相近。在高強度沖擊載荷下，腦室和頂部的預(yù)測結(jié)果介于Sharma[17] 的實驗與仿真之間，而額部預(yù)測結(jié)果在cad4 與cad5之間。枕部預(yù)測結(jié)果為149 kPa，介于Sharma[17]的實驗與仿真之間， Sharma[ 1 7 ] 的仿真數(shù)據(jù)為138kPa，誤差為7.38%。通過顱內(nèi)壓峰值的對比，模型預(yù)測的結(jié)果與Sharma[17] 的實驗和仿真吻合較好。

2.5 力學(xué)響應(yīng)與損傷分析

在模型驗證過程中，發(fā)現(xiàn)高強度和低強度爆炸沖擊波作用于頭部時，顱骨骨縫處出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中。圖8 展示了低沖擊強度下頭部顱骨的應(yīng)力云圖，可以明顯看出，3 個沖擊方向均會在骨縫處產(chǎn)生應(yīng)力集中。沖擊波在經(jīng)過骨縫時，由于骨縫相對于顱骨存在凹陷且截面厚度較小，應(yīng)力通過骨縫作用于顱腦，從而導(dǎo)致更嚴(yán)重的腦損傷。這表明，在爆炸載荷作用下，由于顱骨骨縫的存在，爆炸沖擊波更容易造成嚴(yán)重的腦損傷。

圖9 展示了正面、側(cè)面和背面爆炸沖擊對顱內(nèi)4 個位置的壓力峰值的對比。其中，正面爆炸對枕部區(qū)域和背面爆炸對額部區(qū)域的顱內(nèi)壓峰值表現(xiàn)為負(fù)壓。根據(jù)黃星源[21] 的研究，正面或背面沖擊下，沖擊波在經(jīng)過整個頭部后，會在沖擊側(cè)的背面匯聚，導(dǎo)致沖擊波從背面擠壓頭部，從而使顱內(nèi)出現(xiàn)負(fù)壓。依據(jù)文獻(xiàn)[24] 中的損傷評估標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)在低強度沖擊（圖9（a））與高強度沖擊（圖9（b））下，腦室區(qū)域的顱內(nèi)壓強度最低，造成輕度腦損傷。在低強度沖擊下，爆炸對頭部造成輕度損傷；而在高強度沖擊下，正面沖擊對額骨區(qū)域的顱內(nèi)壓峰值達(dá)292 kPa，造成中重度損傷。在顱內(nèi)4 個位置中，正面沖擊下的顱內(nèi)壓均大于側(cè)面沖擊，僅在低強度沖擊時，頂部與枕部的壓力小于側(cè)面沖擊。而在高強度沖擊下，背面沖擊造成的腦室損傷小于側(cè)面沖擊。綜合比較壓力峰值，正面沖擊和背面沖擊對頭部的綜合損傷情況明顯高于側(cè)面沖擊。

3 結(jié) 論

本研究建立了具有骨縫的精細(xì)解剖結(jié)構(gòu)的頭部有限元模型，基于Sharma[17] 的激波管尸體實驗，開展了不同爆炸方向和沖擊強度的數(shù)值模擬，對比了正面沖擊下顱內(nèi)壓變化以及不同沖擊方向的顱內(nèi)壓峰值，得到了以下結(jié)論：

（1） 模型數(shù)值模擬結(jié)果與Sharma[17] 的實驗和仿真數(shù)據(jù)吻合較好，表明建立的模型能夠有效模擬頭部在爆炸載荷下的生物力學(xué)響應(yīng)，如顱內(nèi)壓變化等。

（2） 骨縫區(qū)域出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中，顯示在爆炸載荷作用下，該區(qū)域相較于其他部位具有更大的損傷風(fēng)險。由于應(yīng)力集中，沖擊波的傳遞路徑會發(fā)生改變，進(jìn)而通過骨縫進(jìn)入顱內(nèi)，使得爆炸損傷機(jī)制更加復(fù)雜，對此問題仍需進(jìn)一步研究。

（3） 在相同的爆炸沖擊強度下，正面和背面沖擊對頭部的損傷程度顯著高于側(cè)面沖擊。

本文中所建立的具有骨縫的頭部模型，在一定程度上可為未來的頭部爆炸損傷研究提供支撐，可用于分析具有骨縫的人體頭部在不同載荷下的響應(yīng)。

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（責(zé)任編輯 張凌云）

基金項目： 國家自然科學(xué)基金（12372356，11972158）；湖南省研究生科研創(chuàng)新項目（CX20221044）