基于有限元模型的不同年龄儿童胸部碰撞损伤研究

Abstract

The pediatric cadaver impact experiments were reconstructed using the validated finite element(FE) models of the 3-year-old and 6-year-old children. The effect of parameters, such as hammer size, material parameters and thorax anatomical structure characteristics, on the impact mechanical responses of 3-year-old and 6-year-old pediatric thorax was discussed by designing reasonable finite element simulation experiments. The research results showed that the variation of thorax contact peak force for 3-year-old group was far larger than that of 6-year-old group when the child was impacted by hammers with different size, which meant that 3-year-old child was more sensitive to hammer size. The mechanical properties of thoracic organs had little influence on the thorax injury because of the small difference between 3-year-old and 6-year-old child in this research. During the impact, rib deformation led to different impact location and deformation of internal organs because the 3-year-old and 6-year-old children had different geometrical anatomical structures, such as different size of internal organs. Therefore, the injury of internal organs in the two groups was obviously different. It is of great significance to develop children finite element models with high biofidelity according to its real anatomical structures.

引言

据统计，2010 年中国交通事故造成 2 690 名儿童（1～15 岁）死亡、14 733 名儿童受伤^[1]。在交通事故中，儿童的胸腹部损伤的发生率高达 45%，仅次于颅脑损伤，是交通事故中儿童死亡的主要原因之一^[2]。肋骨骨折和内脏损伤是交通事故中胸部最常见的两种损伤类型。据统计，在交通事故引起的胸部损伤中，成人肋骨骨折的风险大概为 61%～90%^[3]，而对于儿童来说，由于肋骨在儿童时期柔韧性较好，在交通事故中不容易出现肋骨骨折损伤，同时肋骨对胸腹部内脏的保护能力与成人相比较弱，故在没有发生肋骨骨折的情况下，儿童的胸部可能已经出现内脏器官的软组织挫伤及破裂现象^[4]。儿童胸部的内脏损伤主要包括心脏损伤和肺部损伤两种，与胸部肋骨的压缩变形存在密切关系。因此，胸部肋骨及内脏各结构组织的生理结构特征差异对胸部碰撞损伤具有重要的影响。

尸体实验是研究儿童胸部碰撞损伤机理的重要方法。Ouyang 等^[5]通过 4 例低年龄组（2～3 岁）和 5 例高年龄组（5～12 岁）的儿童尸体胸部正碰实验研究了儿童胸部损伤机理。由于儿童尸体实验具有样本获取困难，实验重复性差等因素的限制，近年来通过构建人体有限元模型成为研究人体损伤的一种有效方法。Mizuno 等^[6]通过缩放 50 百分位成人乘员的模型获得了 3 岁儿童乘员的有限元模型，但是儿童并不是成人的缩小版，通过缩放获得的儿童有限元模型并不能真实反映其生理结构及特征。蒋彬辉^[7]构建了具有详细解剖学结构的 10 岁儿童胸部有限元模型，并对该模型进行了静态加载实验以验证模型有效性及对胸部损伤情况的分析。Lv 等^[8]构建了 6 岁儿童胸腹部有限元模型，并参照尸体实验验证其有效性。崔世海等^[9-10]构建了 6 岁儿童乘员胸腹部有限元模型，在验证模型有效性基础上，探讨了肌肉对儿童胸部碰撞生物力学响应的影响。

现有研究中多基于单一年龄的儿童有限元模型进行胸部损伤机理探讨，缺少不同年龄儿童胸部损伤机理的对比研究。基于 Ouyang 等^[5]尸体实验，本研究将 3 岁组和 6 岁组分别作为低龄组和高龄组代表，采用有限元方法系统探讨了撞锤大小、胸部组织材料参数和胸部解剖学结构特征等因素对不同年龄儿童胸腹部碰撞损伤的影响，分析儿童胸部损伤机理的差异。从解剖学特征而言，虽然 3 岁和 6 岁儿童的胸部相似，但仍具有一定的差异。Burdi 等^[11]指出随着年龄的增长，横向的半径逐渐增大，使得胸部的截面转变为椭圆形。除此之外，胸部内脏器官的相对大小在发育过程中也发生了变化。Franklyn 等^[12]指出，与 6 岁儿童相比，3 岁儿童心脏所占的比例较大，而肺部相对较小。从胸部组织材料参数而言，3 岁儿童胸腔的柔韧性较好，随着年龄的增长，肋骨逐渐骨化变硬；内脏等软组织材料参数随年龄变化的关系无法很好地确定^[13]，故本研究中的组织材料参数变化主要指的是儿童胸部的骨骼参数。基于以上原因，本文研究内容或对儿童有限元模型的建模和应用具有一定参考价值，对理解不同年龄儿童胸部损伤机理具有指导意义，可为儿童安全座椅的设计提供理论依据。

1. 材料和方法

1.1. 儿童胸腹部有限元模型概述

如图 1 所示为天津科技大学同一课题组构建的具有真实解剖学结构的 3 岁和 6 岁儿童胸腹部有限元模型^{[9, 14-15]}。该模型基于志愿者的电子计算机断层扫描图像（computed tomography, CT）数据所构建，以六面体单元为主，3 岁组和 6 岁组儿童乘员胸腹部模型的单元数量分别为 231 071 和 236 507，均包括了较完整的骨骼组织、肌肉组织、内脏器官、韧带、皮肤和脂肪等。在几何参数方面，3 岁组和 6 岁组儿童模型的胸腔厚度分别为 147 mm 和 172 mm，胸腔宽度分别为 191 mm 和 210 mm。3 岁组和 6 岁组儿童模型中内脏等软组织的材料参数相同，均来自于上述参考文献，两个年龄组儿童胸腹部模型的骨骼材料参数如表 1 所示。

图 1.

Impact simulation setup using pediatric thorax and abdomen finite element models in 3-year-old and 6-year-old groups

3 岁和 6 岁儿童胸腹部模型碰撞仿真设置

表 1. Materials properties of pediatric thorax and abdomen model in 3-year-old and 6-year-old groups.

3 岁组和 6 岁组儿童胸腹部模型材料参数

模型部位	材料参数
	3 岁组				6 岁组
	密度/（kg·m–3）	弹性模量/MPa	泊松比		密度/ （kg·m–3）	弹性模量/MPa	泊松比
肋骨
密质骨	2 000	3 800	0.30		2 000	7 875	0.30
松质骨	1 000	400	0.45		1 000	252.4	0.45
椎骨
密质骨	2 000	4 500	0.30		2 000	7 215	0.30
松质骨	1 000	400	0.30		1 000	836	0.30
胸骨
密质骨	2 000	4 100	0.30		2 000	7 875	0.30
松质骨	1 000	400	0.45		1 000	252.4	0.45

1.2. 仿真实验条件设置

Ouyang 等^[5]采用不同大小的撞锤以 6 m/s 的速度对 4 例低年龄组（2～3 岁）和 5 例高年龄组（5～12 岁）的儿童尸体胸部进行了正面碰撞实验。参照该文献的碰撞尸体实验条件，本文分别构建了直径为 50 mm，质量为 2.5 kg 的 1 号撞锤；直径为 75 mm，质量为 3.5 kg 的 2 号撞锤，对代表低年龄组的 3 岁组儿童胸部有限元模型和代表高年龄组的 6 岁组儿童胸部有限元模型分别进行了碰撞仿真，撞锤平行于胸骨柄位置，如图 1 所示。

为了综合研究撞锤大小、儿童胸部组织材料参数和胸部解剖学几何结构特征参数等因素在碰撞发生时对胸部损伤的影响，设置了 8 组仿真实验，如表 2 所示。其中，仿真实验 S3-3-1 和 S3-3-2 分别为 3 岁组儿童胸腹部模型采用 3 岁组儿童材料参数，分别采用小撞锤和大撞锤进行撞击实验；仿真实验 S3-6-1 和 S3-6-2 分别为 3 岁组儿童胸腹部模型采用 6 岁组儿童材料参数，分别采用小撞锤和大撞锤进行撞击实验，设置该组实验目的是为了排除解剖学结构差异，与具有 3 岁组材料参数的 3 岁组儿童模型的碰撞结果进行对比，研究材料参数对胸部响应的影响；仿真实验 S6-3-1 和 S6-3-2 分别为 6 岁组儿童胸腹部模型采用 3 岁组儿童材料参数，分别采用小撞锤和大撞锤进行撞击实验，研究目的同上；仿真实验 S6-6-1 和 S6-6-2 分别为 6 岁组儿童胸腹部模型采用 6 岁组儿童材料参数，分别采用小撞锤和大撞锤进行撞击实验。

表 2. The experiment set of impact simulation for 3-year-old and 6-year-old groups.

3 岁组和 6 岁组儿童碰撞仿真实验方案

实验编号	仿真模型	模型材料参数	撞锤类型
S 3-3-1	3 岁组	3 岁组	1
S 3-3-2	3 岁组	3 岁组	2
S 3-6-1	3 岁组	6 岁组	1
S 3-6-2	3 岁组	6 岁组	2
S 6-3-1	6 岁组	3 岁组	1
S 6-3-2	6 岁组	3 岁组	2
S 6-6-1	6 岁组	6 岁组	1
S 6-6-2	6 岁组	6 岁组	2

2. 结果

2.1. 胸部变形量和胸部接触力结果

不同仿真实验中儿童模型胸部变形量和胸部接触力结果，如图 2 所示。

图 2.

Response curve of pediatric thorax impact in different simulations

不同碰撞仿真实验中儿童胸部碰撞响应曲线

首先，胸部变形量的结果可见：仿真实验 S3-3-1 和 S3-3-2 的胸部变形量峰值分别为 44.3 mm 和 45.6 mm，出现时间均为 9 ms；仿真实验 S3-6-1 和 S3-6-2 的胸部变形量的峰值分别为 41.4 mm 和 42.5 mm，出现时间均为 8.5 ms；仿真实验 S6-3-1 和 S6-3-2 的胸部变形量分别为 56.0 mm 和 56.7 mm，出现时间为 14 ms；仿真实验 S6-6-1 和 S6-6-2 的胸部变形量峰值分别为 55.5 mm 和 56.2 mm，出现时间均为 14 ms。

其次，胸部接触力的结果可见：仿真实验 S3-3-1 和 S3-3-2 的胸部接触力峰值分别为 753.1 N 和 1834.3 N，出现时间均为 9.5 ms；仿真实验 S3-6-1 和 S3-6-2 的胸部接触力的峰值分别为 766.6 N 和 1899.4 N，出现时间均为 9 ms；仿真实验 S-6-3-1 和 S6-3-2 的胸部接触力的峰值分别为 721.4 N 和 1041.1 N，出现时间均为 7 ms；仿真实验 S6-6-1 和 S6-6-2 的胸部接触力峰值分别为 732.9 N 和 1112.4 N，出现时间均为 7 ms。

2.2. 肺部及心脏的第一主应变结果

不同碰撞仿真实验中儿童肺部及心脏的第一主应变结果，如图 3 所示。

图 3.

The maximum first principal strain of lung and heart in different simulations

不同碰撞仿真实验的儿童肺部和心脏最大第一主应变

首先，肺部第一主应变结果如下：仿真实验 S3-3-1 和 S3-3-2 的肺部最大第一主应变分别为 40.65% 和 45.39%；仿真实验 S3-6-1 和 S3-6-2 的肺部最大第一主应变分别为 42.68% 和 46.56%；仿真实验 S6-3-1 和 S6-3-2 的肺部最大第一主应变分别为 65.37% 和 68.66%；仿真实验 S6-6-1 和 S6-6-2 的肺部最大第一主应变分别为 66.89% 和 70.85%。

其次，心脏第一主应变结果如下：仿真实验 S3-3-1 和 S3-3-2 的心脏最大第一主应变分别为 28.61% 和 31.94%；仿真实验 S3-6-1 和 S3-6-2 的心脏最大第一主应变分别为 28.26% 和 30.2%；仿真实验 S6-3-1 和 S6-3-2 的心脏最大第一主应变分别为 50.89% 和 53.59%；仿真实验 S6-6-1 和 S6-6-2 的心脏最大第一主应变分别为 50.24% 和 53.51%。

3. 讨论

3.1. 仿真实验结果与尸体实验结果对比

仿真实验 S3-3-1 与仿真实验 S6-6-2 分别重构了 Ouyang 等^[5]低年龄组和高年龄组的尸体实验。在胸部碰撞过程中，肺部和心脏的损伤主要是由于挤压导致的。关于肺部的损伤，Gayzik 等^[16]研究指出肺部损伤的第一主应变的损伤阈值约为 28.4%。Yamada 等^[17]研究表明，当心脏第一主应变达到 30% 左右时，0～9 岁儿童心脏组织开始出现挫伤，达到 62.69% 时，心肌开始出现破裂伤，故将心脏发生一般性挫伤和破裂伤的第一主应变损伤容忍极限值定为 30% 和 62%。如图 3 所示，在本文的仿真实验中，S3-3-1 和 S6-6-2 两组仿真实验肺部最大第一主应变分别为 40.65% 和 70.85%，超出肺部第一主应变的损伤阈值，分别出现轻微右肺挫伤（无损伤）与气胸现象，与尸检结果一致，进一步验证了模型的有效性；而心脏最大第一主应变分别为 28.61% 和 53.51%，可见碰撞中 3 岁儿童心脏没有受到损伤，而 6 岁儿童心脏可能出现一般性挫伤，虽然尸检中没有给出心脏损伤的相关数据，但有限元模型可以在一定程度上研究和表征心脏损伤机理。

3.2. 撞锤大小对不同年龄儿童胸部碰撞损伤响应分析

当 3 岁组和 6 岁组儿童胸腹部模型使用 1 号撞锤时，胸部变形量的峰值均略微小于模型使用 2 号撞锤时胸部变形量的峰值，且达到峰值时刻相同；当 3 岁组和 6 岁组儿童胸腹部模型使用 1 号撞锤时胸部接触力的峰值均小于模型使用 2 号撞锤时胸部接触力的峰值，且达到峰值时刻也相同。

以上结果说明，当改变撞锤大小时，3 岁组儿童胸腹部模型中胸部变形量峰值变化量与 6 岁组儿童模型中的胸部变形量峰值变化量大致相同，但胸部接触力峰值变化量远大于 6 岁组儿童模型。当采用 2 号撞锤时，由于 3 岁组儿童胸腹部模型质量及尺寸均小于 6 岁组儿童模型，对碰撞的承受能力较弱，故胸部接触力峰值的变化量更大，对撞锤的改变更敏感。

当 3 岁组和 6 岁组儿童胸腹部模型使用 1 号撞锤时肺部和心脏的最大第一主应变均小于模型使用 2 号撞锤时肺部和心脏的最大第一主应变。撞锤撞击胸部时，胸部肋骨发生变形，对肺部和心脏挤压，导致内脏损伤。当使用 2 号撞锤时，3 岁组和 6 岁组儿童模型胸部变形增大，撞击力增大，肺部和心脏最大第一主应变也增大，即模型受到的冲击作用更大时，胸部变形程度增大，且胸部接触力增大。实验结果说明，胸部压缩变形程度增大，肋骨对内脏的挤压作用更明显，导致肺部和心脏的最大第一主应变增大。

3.3. 胸部组织材料参数对不同年龄儿童胸部损伤响应分析

当 3 岁组和 6 岁组儿童模型采用 3 岁组儿童材料参数时，胸部接触力的峰值略小于同一模型采用 6 岁组儿童材料参数时的胸部接触力峰值，这是因为 3 岁组儿童密质骨弹性模量小于 6 岁组儿童。撞击条件相同时，使用 6 岁组儿童模型材料参数的模型密质骨的弹性模量增大，胸腔的柔韧性相对较差，发生同等变形所需要的接触力更大，从而导致胸部变形量峰值略微减小，胸部接触力增大。

当 3 岁组和 6 岁组儿童模型均采用相同的 3 岁组儿童材料参数时，肺部最大第一主应变略小于采用 6 岁组儿童材料参数时肺部最大第一主应变；而心脏最大第一主应变略大于采用 6 岁组儿童材料参数时的心脏最大第一主应变。与采用 3 岁组儿童材料参数相比，当采用 6 岁组儿童材料参数时，胸部接触力增大导致肋骨对肺部的挤压作用更明显，肺部最大第一主应变略微增大，而采用 6 岁组儿童材料参数时，由于胸部变形量略微减小，心脏最大第一主应变略微减小。

3.4. 解剖学结构参数对不同年龄儿童胸部碰撞响应分析

当 3 岁组儿童和 6 岁组儿童胸部有限元模型采用相同年龄组儿童的胸部组织材料参数时，由于几何解剖学结构特征的不同，在相同的撞击条件下，3 岁组儿童胸腹部模型的胸部变形量的峰值明显小于 6 岁组儿童模型胸部变形量的峰值，且峰值出现的时刻提前 5 ms 左右。在几何结构特征不同而胸部组织材料参数相同的情况下，3 岁组儿童模型的胸部接触力的峰值均大于 6 岁组儿童模型胸部接触力的峰值，且胸部接触力峰值出现的时刻滞后 2 ms 左右，胸部接触力和胸部变形具有相同的变化规律。在胸部组织材料参数相同而几何解剖学结构特征不同时，由于 3 岁组儿童模型质量尺寸均小于 6 岁组儿童模型，在相同撞击条件下，3 岁组儿童模型的惯性较小，背部较早出现变形，3 岁组儿童模型的胸部压缩量提前达到峰值，且峰值减小；在使用 1 号撞锤时，几何结构特征的改变对胸部接触力峰值变化量影响较小，而采用 2 号撞锤时，几何结构特征的改变对胸部接触力峰值的影响较明显。

当采用相同的胸腹部组织材料参数时，由于解剖学特征不同，相同撞击条件下，3 岁组儿童模型的肺部最大第一主应变小于 6 岁组儿童模型的肺部最大第一主应变，而且 3 岁组儿童模型肺部最大第一主应变提前出现；3 岁组儿童心脏最大第一主应变也小于 6 岁组儿童模型心脏最大第一主应变，而且 3 岁组儿童心脏最大第一主应变提前出现。

由于仿真实验 S3-3-1 和 S6-6-2 重构了 Ouyang 等^[5]尸体实验，并且尸体实验结果给出了肺部损伤结果，因此本文选用 S3-3-1 和 S6-6-2 两组仿真实验结果说明了由于解剖学结构的改变对儿童胸部内脏肺部和心脏的影响。

如图 4、图 5 所示，给出了肺部和心脏的最大第一主应变图，可见 3 岁组儿童和 6 岁组儿童胸腹部模型的肺部和心脏最大第一主应变的出现位置不同。与 6 岁组儿童相比，3 岁组儿童的心脏相对较大，而肺部相对较小，肋骨对肺部直接挤压作用较弱，肺部对心脏的挤压作用更明显；6 岁组儿童肺部损伤主要是由于肋骨变形对肺部有较明显的直接挤压作用，而心脏的最大第一主应变则是由于心脏与椎骨接触的位置出现应力集中而导致的。因此，3 岁组儿童和 6 岁组儿童由于解剖学几何结构特征的不同导致在碰撞时其内脏损伤的程度和位置不同，解剖几何结构特征参数对儿童乘员碰撞损伤具有明显的影响。

图 4.

The first principal strain contour of lung in different simulations

仿真实验中肺部第一主应变云图

图 5.

The first principal strain contour of heart in different simulations

仿真实验心脏第一主应变云图

4. 结论

本研究采用 3 岁组和 6 岁组儿童胸腹部有限元模型重构儿童胸部尸体碰撞实验，研究了撞锤大小、胸部组织材料参数和胸部解剖学几何结构特征参数对胸部生物力学响应的影响，得出以下结论：

（1）在采用同一年龄组儿童胸腹部模型时，撞锤大小对胸部损伤影响不大。当撞锤增大时，3 岁组儿童和 6 岁组儿童有限元模型胸部变形量的峰值均增大，胸部撞击力增大，肺部和心脏最大第一主应变增大，其中 3 岁组儿童胸部接触力响应对撞锤大小的改变更敏感。

（2）在相同实验加载条件下，3 岁组和 6 岁组儿童的胸部组织材料参数对模型胸部损伤影响不明显。由本研究所选用材料参数的年龄组别之间差距较小，没有明显地表现出不同年龄组别之间材料参数对胸部损伤的影响。在后续研究中，应加大所选材料参数的年龄组别之间的差距，进一步探讨不同年龄组别的材料参数对胸部碰撞损伤响应的影响。

（3）在相同实验加载条件下，3 岁组和 6 岁组儿童的解剖学几何结构特征对儿童的胸部损伤影响较大。由于儿童胸部解剖学几何结构特征的不同，3 岁组儿童和 6 岁组儿童肺部和心脏的最大第一主应变出现损伤的位置存在较大差异。因此，在进行儿童胸腹部损伤研究时应尽量采用具有真实解剖学几何结构特征的有限元模型以保证仿真实验的有效性。在后续研究中，可以将成人的胸腹部有限元模型加入仿真实验的对比，进一步明确解剖学几何结构特征对胸部损伤的影响。

Funding Statement

国家自然科学基金资助项目（81371360，81471274）