6岁儿童乘员胸部有限元模型验证及损伤分析崔世海+单蕾蕾+李海岩+贺丽娟+吕文乐+阮世捷摘要：通过构建人体有限元模型，研究交通事故中儿童胸腹部生物力学响应及损伤机理，对提高汽车安全性设计具有重要意义。基于CT医学图像构建了包括胸骨、肋骨和内脏等软硬组织在内的具有详细解剖学结构的6岁儿童乘员胸腹部有限元模型，并构建了具有真实几何形状的斜方肌、外斜肌、冈下肌、肩胛下肌等肌肉组织。利用所构建的模型重构了儿童胸部碰撞尸体试验，仿真得到的胸部撞击力-变形量曲线、粘性准则（viscouscriterion，VC）值与尸体试验结果呈现一致性，表明了该模型的有效性。对碰撞中肋骨、心脏和肺等胸部组织器官的应力应变进行了分析，结合损伤准则讨论了其损伤状况及损伤机理。关键词：6岁儿童乘员；胸部模型验证；有限元仿真；胸部损伤分析：U461.91；R318.01文献标文献标识码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2016.06.05Abstract：Theunderstandingofpediatricthoracoabdominalinjurymechanismusingfiniteelement（FE）humanbodymodelsisofgreatimportancetoimprovethedesignofvehiclesafety.BasedontheCTdataofahealthy6-year-oldchild，thewholethoraxandabdomenfiniteelement（FE）modelwithdetailedanatomicalstructuresincludinginternalorganssuchaslung，heart，wasdeveloped.TheFEmodelsofmuscles，suchastrapezius，infraspinatus，supraspinatus，externalobliquemuscle，werealsodevelopedintheirtrueshapeandtruesize.ThepediatriccadaverthoraximpactexperimentwasreconstructedusingthedevelopedthoraxandabdomenFEmodel.Simulationresults，suchasforce-displacementcurvesforthoracicimpactandthethoraxviscouscriterion（VC），wereinaccordancewiththecadaverresults，whichshowedthevalidationoftheFEmodel.Thestressesandstrainsofrib，heartandlungswerecalculated，andtheirinjuryconditionsandmechanismswerediscussedaccordingtoinjurycriteria.Keywords：6-year-oldpediatricoccupant；thoraxmodelvalidation；finiteelementsimulation；thoraxinjuryanalysis随着私家车的不断普及，儿童乘坐汽车出行变得十分普遍，与儿童有关的交通事故发生率也越来越高。在因交通事故致死或严重损伤的事件中，胸腹部损伤的发生率高达45%，仅次于颅脑损伤，是交通事故死亡的主要原因之一[1-2]。GB27887—2011《机动车儿童乘员用约束系统》[3]的实施虽然在一定程度上提高了消费者对儿童乘车安全的重视，但国内很多家庭还是忽视了儿童乘车安全。交通事故中儿童胸腹部遭受外部伤害时，胸腹部产生较大变形致使内脏损伤并伴有较高的死亡率，因此研究儿童胸腹部损伤机理对提高汽车安全性设计以及临床应用都具有重要意义。儿童尸体试验是研究儿童碰撞损伤机理和组织耐受极限的重要方法，但由于儿童尸体样本获取困难，目前公开文献中可查到的儿童胸腹部尸体试验比较少。OUYANGJun等[4]和KENT等[5-6]分别应用儿童尸体样本得到了儿童胸部的生物力学响应特性，这些尸体试验是验证儿童胸腹部有限元模型有效性的重要手段。构建具有真实解剖学结构的胸腹部有限元模型是研究胸腹部损伤机理的有效方法，经有效性验证的模型具有很高的生物仿真度，可多次进行试验分析胸部损伤，同时还能够获得胸腹部器官的局部变形和应力应变等力学参数，结合尸体试验能更好地研究其损伤机理和损伤极限[7-8]。目前国内外具有真实解剖学结构的儿童胸腹部有限元模型较少。激ANGBinhui等[9]构建了具有详细解剖特征的10岁儿童胸部有限元模型并验证了其有效性，但该模型中没有采用真实解剖学结构的肌肉组织。LYUWenle等[10]构建了具有详细解剖学结构的6岁行人儿童胸腹部有限元模型并验证了模型的有效性，该模型是儿童站姿胸腹部模型。在实际碰撞过程中，儿童乘员的胸腹部形态与儿童行人是有区别的，并且碰撞过程中胸腹部的响应在一定程度上会受到头颈部等结构的影响。为了更好地研究儿童乘员胸腹部损伤机理，本研究构建了具有完整解剖学结构的6岁儿童乘员有限元模型，并参考OUYANGJun等[4]所做的尸体试验进...