基于已驗證有效的 3 歲組和 6 歲組兒童乘員胸腹部有限元模型，本文重構了兒童尸體胸部撞擊實驗。通過合理設計有限元仿真實驗方案，探討了撞錘大小、胸部組織材料參數和胸部解剖學結構特征參數等因素對 3 歲、6 歲兩組兒童胸部碰撞響應的影響。研究結果表明，針對不同大小的撞錘沖擊時，3 歲組兒童胸部接觸力峰值變化量遠大于 6 歲組，對撞錘改變的響應更敏感；而針對胸部組織材料參數的不同，由于本研究中 3 歲組和 6 歲組兒童胸部組織材料參數差異較小，其對胸部損傷響應的影響不明顯；針對胸部解剖學結構特征參數而言，3 歲組和 6 歲組兒童胸部因內臟大小、位置等幾何解剖學結構的不同，導致碰撞時肋骨變形對內臟擠壓位置和擠壓程度不同，從而其胸部損傷有明顯不同。因此通過本文的研究結果可以得出以下結論，根據兒童解剖學結構特征構建高生物仿真度的有限元模型對研究其胸部損傷機理具有重要意義。
引用本文： 崔世海, 韓旭, 李海巖, 呂文樂, 賀麗娟, 阮世捷. 基于有限元模型的不同年齡兒童胸部碰撞損傷研究. 生物醫學工程學雜志, 2018, 35(5): 713-719. doi: 10.7507/1001-5515.201712041 復制
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引言
據統計，2010 年中國交通事故造成 2 690 名兒童（1～15 歲）死亡、14 733 名兒童受傷[1]。在交通事故中，兒童的胸腹部損傷的發生率高達 45%，僅次于顱腦損傷，是交通事故中兒童死亡的主要原因之一[2]。肋骨骨折和內臟損傷是交通事故中胸部最常見的兩種損傷類型。據統計，在交通事故引起的胸部損傷中，成人肋骨骨折的風險大概為 61%～90%[3]，而對于兒童來說，由于肋骨在兒童時期柔韌性較好，在交通事故中不容易出現肋骨骨折損傷，同時肋骨對胸腹部內臟的保護能力與成人相比較弱，故在沒有發生肋骨骨折的情況下，兒童的胸部可能已經出現內臟器官的軟組織挫傷及破裂現象[4]。兒童胸部的內臟損傷主要包括心臟損傷和肺部損傷兩種，與胸部肋骨的壓縮變形存在密切關系。因此，胸部肋骨及內臟各結構組織的生理結構特征差異對胸部碰撞損傷具有重要的影響。
尸體實驗是研究兒童胸部碰撞損傷機理的重要方法。Ouyang 等[5]通過 4 例低年齡組（2～3 歲）和 5 例高年齡組（5～12 歲）的兒童尸體胸部正碰實驗研究了兒童胸部損傷機理。由于兒童尸體實驗具有樣本獲取困難，實驗重復性差等因素的限制，近年來通過構建人體有限元模型成為研究人體損傷的一種有效方法。Mizuno 等[6]通過縮放 50 百分位成人乘員的模型獲得了 3 歲兒童乘員的有限元模型，但是兒童并不是成人的縮小版，通過縮放獲得的兒童有限元模型并不能真實反映其生理結構及特征。蔣彬輝[7]構建了具有詳細解剖學結構的 10 歲兒童胸部有限元模型，并對該模型進行了靜態加載實驗以驗證模型有效性及對胸部損傷情況的分析。Lv 等[8]構建了 6 歲兒童胸腹部有限元模型，并參照尸體實驗驗證其有效性。崔世海等[9-10]構建了 6 歲兒童乘員胸腹部有限元模型，在驗證模型有效性基礎上，探討了肌肉對兒童胸部碰撞生物力學響應的影響。
現有研究中多基于單一年齡的兒童有限元模型進行胸部損傷機理探討，缺少不同年齡兒童胸部損傷機理的對比研究。基于 Ouyang 等[5]尸體實驗，本研究將 3 歲組和 6 歲組分別作為低齡組和高齡組代表，采用有限元方法系統探討了撞錘大小、胸部組織材料參數和胸部解剖學結構特征等因素對不同年齡兒童胸腹部碰撞損傷的影響，分析兒童胸部損傷機理的差異。從解剖學特征而言，雖然 3 歲和 6 歲兒童的胸部相似，但仍具有一定的差異。Burdi 等[11]指出隨著年齡的增長，橫向的半徑逐漸增大，使得胸部的截面轉變為橢圓形。除此之外，胸部內臟器官的相對大小在發育過程中也發生了變化。Franklyn 等[12]指出，與 6 歲兒童相比，3 歲兒童心臟所占的比例較大，而肺部相對較小。從胸部組織材料參數而言，3 歲兒童胸腔的柔韌性較好，隨著年齡的增長，肋骨逐漸骨化變硬；內臟等軟組織材料參數隨年齡變化的關系無法很好地確定[13]，故本研究中的組織材料參數變化主要指的是兒童胸部的骨骼參數。基于以上原因，本文研究內容或對兒童有限元模型的建模和應用具有一定參考價值，對理解不同年齡兒童胸部損傷機理具有指導意義，可為兒童安全座椅的設計提供理論依據。
1 材料和方法
1.1 兒童胸腹部有限元模型概述
如圖 1 所示為天津科技大學同一課題組構建的具有真實解剖學結構的 3 歲和 6 歲兒童胸腹部有限元模型[9, 14-15]。該模型基于志愿者的電子計算機斷層掃描圖像（computed tomography, CT）數據所構建，以六面體單元為主，3 歲組和 6 歲組兒童乘員胸腹部模型的單元數量分別為 231 071 和 236 507，均包括了較完整的骨骼組織、肌肉組織、內臟器官、韌帶、皮膚和脂肪等。在幾何參數方面，3 歲組和 6 歲組兒童模型的胸腔厚度分別為 147 mm 和 172 mm，胸腔寬度分別為 191 mm 和 210 mm。3 歲組和 6 歲組兒童模型中內臟等軟組織的材料參數相同，均來自于上述參考文獻，兩個年齡組兒童胸腹部模型的骨骼材料參數如表 1 所示。
表1
3 歲組和 6 歲組兒童胸腹部模型材料參數
Table1.
Materials properties of pediatric thorax and abdomen model in 3-year-old and 6-year-old groups
1.2 仿真實驗條件設置
Ouyang 等[5]采用不同大小的撞錘以 6 m/s 的速度對 4 例低年齡組（2～3 歲）和 5 例高年齡組（5～12 歲）的兒童尸體胸部進行了正面碰撞實驗。參照該文獻的碰撞尸體實驗條件，本文分別構建了直徑為 50 mm，質量為 2.5 kg 的 1 號撞錘；直徑為 75 mm，質量為 3.5 kg 的 2 號撞錘，對代表低年齡組的 3 歲組兒童胸部有限元模型和代表高年齡組的 6 歲組兒童胸部有限元模型分別進行了碰撞仿真，撞錘平行于胸骨柄位置，如圖 1 所示。
圖1
3 歲和 6 歲兒童胸腹部模型碰撞仿真設置
Figure1.
Impact simulation setup using pediatric thorax and abdomen finite element models in 3-year-old and 6-year-old groups
為了綜合研究撞錘大小、兒童胸部組織材料參數和胸部解剖學幾何結構特征參數等因素在碰撞發生時對胸部損傷的影響，設置了 8 組仿真實驗，如表 2 所示。其中，仿真實驗 S3-3-1 和 S3-3-2 分別為 3 歲組兒童胸腹部模型采用 3 歲組兒童材料參數，分別采用小撞錘和大撞錘進行撞擊實驗；仿真實驗 S3-6-1 和 S3-6-2 分別為 3 歲組兒童胸腹部模型采用 6 歲組兒童材料參數，分別采用小撞錘和大撞錘進行撞擊實驗，設置該組實驗目的是為了排除解剖學結構差異，與具有 3 歲組材料參數的 3 歲組兒童模型的碰撞結果進行對比，研究材料參數對胸部響應的影響；仿真實驗 S6-3-1 和 S6-3-2 分別為 6 歲組兒童胸腹部模型采用 3 歲組兒童材料參數，分別采用小撞錘和大撞錘進行撞擊實驗，研究目的同上；仿真實驗 S6-6-1 和 S6-6-2 分別為 6 歲組兒童胸腹部模型采用 6 歲組兒童材料參數，分別采用小撞錘和大撞錘進行撞擊實驗。
表2
3 歲組和 6 歲組兒童碰撞仿真實驗方案
Table2.
The experiment set of impact simulation for 3-year-old and 6-year-old groups
2 結果
2.1 胸部變形量和胸部接觸力結果
不同仿真實驗中兒童模型胸部變形量和胸部接觸力結果，如圖 2 所示。
首先，胸部變形量的結果可見：仿真實驗 S3-3-1 和 S3-3-2 的胸部變形量峰值分別為 44.3 mm 和 45.6 mm，出現時間均為 9 ms；仿真實驗 S3-6-1 和 S3-6-2 的胸部變形量的峰值分別為 41.4 mm 和 42.5 mm，出現時間均為 8.5 ms；仿真實驗 S6-3-1 和 S6-3-2 的胸部變形量分別為 56.0 mm 和 56.7 mm，出現時間為 14 ms；仿真實驗 S6-6-1 和 S6-6-2 的胸部變形量峰值分別為 55.5 mm 和 56.2 mm，出現時間均為 14 ms。
其次，胸部接觸力的結果可見：仿真實驗 S3-3-1 和 S3-3-2 的胸部接觸力峰值分別為 753.1 N 和 1834.3 N，出現時間均為 9.5 ms；仿真實驗 S3-6-1 和 S3-6-2 的胸部接觸力的峰值分別為 766.6 N 和 1899.4 N，出現時間均為 9 ms；仿真實驗 S-6-3-1 和 S6-3-2 的胸部接觸力的峰值分別為 721.4 N 和 1041.1 N，出現時間均為 7 ms；仿真實驗 S6-6-1 和 S6-6-2 的胸部接觸力峰值分別為 732.9 N 和 1112.4 N，出現時間均為 7 ms。
圖2
不同碰撞仿真實驗中兒童胸部碰撞響應曲線
Figure2.
Response curve of pediatric thorax impact in different simulations
2.2 肺部及心臟的第一主應變結果
不同碰撞仿真實驗中兒童肺部及心臟的第一主應變結果，如圖 3 所示。
首先，肺部第一主應變結果如下：仿真實驗 S3-3-1 和 S3-3-2 的肺部最大第一主應變分別為 40.65% 和 45.39%；仿真實驗 S3-6-1 和 S3-6-2 的肺部最大第一主應變分別為 42.68% 和 46.56%；仿真實驗 S6-3-1 和 S6-3-2 的肺部最大第一主應變分別為 65.37% 和 68.66%；仿真實驗 S6-6-1 和 S6-6-2 的肺部最大第一主應變分別為 66.89% 和 70.85%。
其次，心臟第一主應變結果如下：仿真實驗 S3-3-1 和 S3-3-2 的心臟最大第一主應變分別為 28.61% 和 31.94%；仿真實驗 S3-6-1 和 S3-6-2 的心臟最大第一主應變分別為 28.26% 和 30.2%；仿真實驗 S6-3-1 和 S6-3-2 的心臟最大第一主應變分別為 50.89% 和 53.59%；仿真實驗 S6-6-1 和 S6-6-2 的心臟最大第一主應變分別為 50.24% 和 53.51%。
圖3
不同碰撞仿真實驗的兒童肺部和心臟最大第一主應變
Figure3.
The maximum first principal strain of lung and heart in different simulations
3 討論
3.1 仿真實驗結果與尸體實驗結果對比
仿真實驗 S3-3-1 與仿真實驗 S6-6-2 分別重構了 Ouyang 等[5]低年齡組和高年齡組的尸體實驗。在胸部碰撞過程中，肺部和心臟的損傷主要是由于擠壓導致的。關于肺部的損傷，Gayzik 等[16]研究指出肺部損傷的第一主應變的損傷閾值約為 28.4%。Yamada 等[17]研究表明，當心臟第一主應變達到 30% 左右時，0～9 歲兒童心臟組織開始出現挫傷，達到 62.69% 時，心肌開始出現破裂傷，故將心臟發生一般性挫傷和破裂傷的第一主應變損傷容忍極限值定為 30% 和 62%。如圖 3 所示，在本文的仿真實驗中，S3-3-1 和 S6-6-2 兩組仿真實驗肺部最大第一主應變分別為 40.65% 和 70.85%，超出肺部第一主應變的損傷閾值，分別出現輕微右肺挫傷（無損傷）與氣胸現象，與尸檢結果一致，進一步驗證了模型的有效性；而心臟最大第一主應變分別為 28.61% 和 53.51%，可見碰撞中 3 歲兒童心臟沒有受到損傷，而 6 歲兒童心臟可能出現一般性挫傷，雖然尸檢中沒有給出心臟損傷的相關數據，但有限元模型可以在一定程度上研究和表征心臟損傷機理。
3.2 撞錘大小對不同年齡兒童胸部碰撞損傷響應分析
當 3 歲組和 6 歲組兒童胸腹部模型使用 1 號撞錘時，胸部變形量的峰值均略微小于模型使用 2 號撞錘時胸部變形量的峰值，且達到峰值時刻相同；當 3 歲組和 6 歲組兒童胸腹部模型使用 1 號撞錘時胸部接觸力的峰值均小于模型使用 2 號撞錘時胸部接觸力的峰值，且達到峰值時刻也相同。
以上結果說明，當改變撞錘大小時，3 歲組兒童胸腹部模型中胸部變形量峰值變化量與 6 歲組兒童模型中的胸部變形量峰值變化量大致相同，但胸部接觸力峰值變化量遠大于 6 歲組兒童模型。當采用 2 號撞錘時，由于 3 歲組兒童胸腹部模型質量及尺寸均小于 6 歲組兒童模型，對碰撞的承受能力較弱，故胸部接觸力峰值的變化量更大，對撞錘的改變更敏感。
當 3 歲組和 6 歲組兒童胸腹部模型使用 1 號撞錘時肺部和心臟的最大第一主應變均小于模型使用 2 號撞錘時肺部和心臟的最大第一主應變。撞錘撞擊胸部時，胸部肋骨發生變形，對肺部和心臟擠壓，導致內臟損傷。當使用 2 號撞錘時，3 歲組和 6 歲組兒童模型胸部變形增大，撞擊力增大，肺部和心臟最大第一主應變也增大，即模型受到的沖擊作用更大時，胸部變形程度增大，且胸部接觸力增大。實驗結果說明，胸部壓縮變形程度增大，肋骨對內臟的擠壓作用更明顯，導致肺部和心臟的最大第一主應變增大。
3.3 胸部組織材料參數對不同年齡兒童胸部損傷響應分析
當 3 歲組和 6 歲組兒童模型采用 3 歲組兒童材料參數時，胸部接觸力的峰值略小于同一模型采用 6 歲組兒童材料參數時的胸部接觸力峰值，這是因為 3 歲組兒童密質骨彈性模量小于 6 歲組兒童。撞擊條件相同時，使用 6 歲組兒童模型材料參數的模型密質骨的彈性模量增大，胸腔的柔韌性相對較差，發生同等變形所需要的接觸力更大，從而導致胸部變形量峰值略微減小，胸部接觸力增大。
當 3 歲組和 6 歲組兒童模型均采用相同的 3 歲組兒童材料參數時，肺部最大第一主應變略小于采用 6 歲組兒童材料參數時肺部最大第一主應變；而心臟最大第一主應變略大于采用 6 歲組兒童材料參數時的心臟最大第一主應變。與采用 3 歲組兒童材料參數相比，當采用 6 歲組兒童材料參數時，胸部接觸力增大導致肋骨對肺部的擠壓作用更明顯，肺部最大第一主應變略微增大，而采用 6 歲組兒童材料參數時，由于胸部變形量略微減小，心臟最大第一主應變略微減小。
3.4 解剖學結構參數對不同年齡兒童胸部碰撞響應分析
當 3 歲組兒童和 6 歲組兒童胸部有限元模型采用相同年齡組兒童的胸部組織材料參數時，由于幾何解剖學結構特征的不同，在相同的撞擊條件下，3 歲組兒童胸腹部模型的胸部變形量的峰值明顯小于 6 歲組兒童模型胸部變形量的峰值，且峰值出現的時刻提前 5 ms 左右。在幾何結構特征不同而胸部組織材料參數相同的情況下，3 歲組兒童模型的胸部接觸力的峰值均大于 6 歲組兒童模型胸部接觸力的峰值，且胸部接觸力峰值出現的時刻滯后 2 ms 左右，胸部接觸力和胸部變形具有相同的變化規律。在胸部組織材料參數相同而幾何解剖學結構特征不同時，由于 3 歲組兒童模型質量尺寸均小于 6 歲組兒童模型，在相同撞擊條件下，3 歲組兒童模型的慣性較小，背部較早出現變形，3 歲組兒童模型的胸部壓縮量提前達到峰值，且峰值減小；在使用 1 號撞錘時，幾何結構特征的改變對胸部接觸力峰值變化量影響較小，而采用 2 號撞錘時，幾何結構特征的改變對胸部接觸力峰值的影響較明顯。
當采用相同的胸腹部組織材料參數時，由于解剖學特征不同，相同撞擊條件下，3 歲組兒童模型的肺部最大第一主應變小于 6 歲組兒童模型的肺部最大第一主應變，而且 3 歲組兒童模型肺部最大第一主應變提前出現；3 歲組兒童心臟最大第一主應變也小于 6 歲組兒童模型心臟最大第一主應變，而且 3 歲組兒童心臟最大第一主應變提前出現。
由于仿真實驗 S3-3-1 和 S6-6-2 重構了 Ouyang 等[5]尸體實驗，并且尸體實驗結果給出了肺部損傷結果，因此本文選用 S3-3-1 和 S6-6-2 兩組仿真實驗結果說明了由于解剖學結構的改變對兒童胸部內臟肺部和心臟的影響。
如圖 4、圖 5 所示，給出了肺部和心臟的最大第一主應變圖，可見 3 歲組兒童和 6 歲組兒童胸腹部模型的肺部和心臟最大第一主應變的出現位置不同。與 6 歲組兒童相比，3 歲組兒童的心臟相對較大，而肺部相對較小，肋骨對肺部直接擠壓作用較弱，肺部對心臟的擠壓作用更明顯；6 歲組兒童肺部損傷主要是由于肋骨變形對肺部有較明顯的直接擠壓作用，而心臟的最大第一主應變則是由于心臟與椎骨接觸的位置出現應力集中而導致的。因此，3 歲組兒童和 6 歲組兒童由于解剖學幾何結構特征的不同導致在碰撞時其內臟損傷的程度和位置不同，解剖幾何結構特征參數對兒童乘員碰撞損傷具有明顯的影響。
圖4
仿真實驗中肺部第一主應變云圖
Figure4.
The first principal strain contour of lung in different simulations
圖5
仿真實驗心臟第一主應變云圖
Figure5.
The first principal strain contour of heart in different simulations
4 結論
本研究采用 3 歲組和 6 歲組兒童胸腹部有限元模型重構兒童胸部尸體碰撞實驗，研究了撞錘大小、胸部組織材料參數和胸部解剖學幾何結構特征參數對胸部生物力學響應的影響，得出以下結論：
（1）在采用同一年齡組兒童胸腹部模型時，撞錘大小對胸部損傷影響不大。當撞錘增大時，3 歲組兒童和 6 歲組兒童有限元模型胸部變形量的峰值均增大，胸部撞擊力增大，肺部和心臟最大第一主應變增大，其中 3 歲組兒童胸部接觸力響應對撞錘大小的改變更敏感。
（2）在相同實驗加載條件下，3 歲組和 6 歲組兒童的胸部組織材料參數對模型胸部損傷影響不明顯。由本研究所選用材料參數的年齡組別之間差距較小，沒有明顯地表現出不同年齡組別之間材料參數對胸部損傷的影響。在后續研究中，應加大所選材料參數的年齡組別之間的差距，進一步探討不同年齡組別的材料參數對胸部碰撞損傷響應的影響。
（3）在相同實驗加載條件下，3 歲組和 6 歲組兒童的解剖學幾何結構特征對兒童的胸部損傷影響較大。由于兒童胸部解剖學幾何結構特征的不同，3 歲組兒童和 6 歲組兒童肺部和心臟的最大第一主應變出現損傷的位置存在較大差異。因此，在進行兒童胸腹部損傷研究時應盡量采用具有真實解剖學幾何結構特征的有限元模型以保證仿真實驗的有效性。在后續研究中，可以將成人的胸腹部有限元模型加入仿真實驗的對比，進一步明確解剖學幾何結構特征對胸部損傷的影響。
引言
據統計，2010 年中國交通事故造成 2 690 名兒童（1～15 歲）死亡、14 733 名兒童受傷[1]。在交通事故中，兒童的胸腹部損傷的發生率高達 45%，僅次于顱腦損傷，是交通事故中兒童死亡的主要原因之一[2]。肋骨骨折和內臟損傷是交通事故中胸部最常見的兩種損傷類型。據統計，在交通事故引起的胸部損傷中，成人肋骨骨折的風險大概為 61%～90%[3]，而對于兒童來說，由于肋骨在兒童時期柔韌性較好，在交通事故中不容易出現肋骨骨折損傷，同時肋骨對胸腹部內臟的保護能力與成人相比較弱，故在沒有發生肋骨骨折的情況下，兒童的胸部可能已經出現內臟器官的軟組織挫傷及破裂現象[4]。兒童胸部的內臟損傷主要包括心臟損傷和肺部損傷兩種，與胸部肋骨的壓縮變形存在密切關系。因此，胸部肋骨及內臟各結構組織的生理結構特征差異對胸部碰撞損傷具有重要的影響。
尸體實驗是研究兒童胸部碰撞損傷機理的重要方法。Ouyang 等[5]通過 4 例低年齡組（2～3 歲）和 5 例高年齡組（5～12 歲）的兒童尸體胸部正碰實驗研究了兒童胸部損傷機理。由于兒童尸體實驗具有樣本獲取困難，實驗重復性差等因素的限制，近年來通過構建人體有限元模型成為研究人體損傷的一種有效方法。Mizuno 等[6]通過縮放 50 百分位成人乘員的模型獲得了 3 歲兒童乘員的有限元模型，但是兒童并不是成人的縮小版，通過縮放獲得的兒童有限元模型并不能真實反映其生理結構及特征。蔣彬輝[7]構建了具有詳細解剖學結構的 10 歲兒童胸部有限元模型，并對該模型進行了靜態加載實驗以驗證模型有效性及對胸部損傷情況的分析。Lv 等[8]構建了 6 歲兒童胸腹部有限元模型，并參照尸體實驗驗證其有效性。崔世海等[9-10]構建了 6 歲兒童乘員胸腹部有限元模型，在驗證模型有效性基礎上，探討了肌肉對兒童胸部碰撞生物力學響應的影響。
現有研究中多基于單一年齡的兒童有限元模型進行胸部損傷機理探討，缺少不同年齡兒童胸部損傷機理的對比研究。基于 Ouyang 等[5]尸體實驗，本研究將 3 歲組和 6 歲組分別作為低齡組和高齡組代表，采用有限元方法系統探討了撞錘大小、胸部組織材料參數和胸部解剖學結構特征等因素對不同年齡兒童胸腹部碰撞損傷的影響，分析兒童胸部損傷機理的差異。從解剖學特征而言，雖然 3 歲和 6 歲兒童的胸部相似，但仍具有一定的差異。Burdi 等[11]指出隨著年齡的增長，橫向的半徑逐漸增大，使得胸部的截面轉變為橢圓形。除此之外，胸部內臟器官的相對大小在發育過程中也發生了變化。Franklyn 等[12]指出，與 6 歲兒童相比，3 歲兒童心臟所占的比例較大，而肺部相對較小。從胸部組織材料參數而言，3 歲兒童胸腔的柔韌性較好，隨著年齡的增長，肋骨逐漸骨化變硬；內臟等軟組織材料參數隨年齡變化的關系無法很好地確定[13]，故本研究中的組織材料參數變化主要指的是兒童胸部的骨骼參數。基于以上原因，本文研究內容或對兒童有限元模型的建模和應用具有一定參考價值，對理解不同年齡兒童胸部損傷機理具有指導意義，可為兒童安全座椅的設計提供理論依據。
1 材料和方法
1.1 兒童胸腹部有限元模型概述
如圖 1 所示為天津科技大學同一課題組構建的具有真實解剖學結構的 3 歲和 6 歲兒童胸腹部有限元模型[9, 14-15]。該模型基于志愿者的電子計算機斷層掃描圖像（computed tomography, CT）數據所構建，以六面體單元為主，3 歲組和 6 歲組兒童乘員胸腹部模型的單元數量分別為 231 071 和 236 507，均包括了較完整的骨骼組織、肌肉組織、內臟器官、韌帶、皮膚和脂肪等。在幾何參數方面，3 歲組和 6 歲組兒童模型的胸腔厚度分別為 147 mm 和 172 mm，胸腔寬度分別為 191 mm 和 210 mm。3 歲組和 6 歲組兒童模型中內臟等軟組織的材料參數相同，均來自于上述參考文獻，兩個年齡組兒童胸腹部模型的骨骼材料參數如表 1 所示。
表1
3 歲組和 6 歲組兒童胸腹部模型材料參數
Table1.
Materials properties of pediatric thorax and abdomen model in 3-year-old and 6-year-old groups
1.2 仿真實驗條件設置
Ouyang 等[5]采用不同大小的撞錘以 6 m/s 的速度對 4 例低年齡組（2～3 歲）和 5 例高年齡組（5～12 歲）的兒童尸體胸部進行了正面碰撞實驗。參照該文獻的碰撞尸體實驗條件，本文分別構建了直徑為 50 mm，質量為 2.5 kg 的 1 號撞錘；直徑為 75 mm，質量為 3.5 kg 的 2 號撞錘，對代表低年齡組的 3 歲組兒童胸部有限元模型和代表高年齡組的 6 歲組兒童胸部有限元模型分別進行了碰撞仿真，撞錘平行于胸骨柄位置，如圖 1 所示。
圖1
3 歲和 6 歲兒童胸腹部模型碰撞仿真設置
Figure1.
Impact simulation setup using pediatric thorax and abdomen finite element models in 3-year-old and 6-year-old groups
為了綜合研究撞錘大小、兒童胸部組織材料參數和胸部解剖學幾何結構特征參數等因素在碰撞發生時對胸部損傷的影響，設置了 8 組仿真實驗，如表 2 所示。其中，仿真實驗 S3-3-1 和 S3-3-2 分別為 3 歲組兒童胸腹部模型采用 3 歲組兒童材料參數，分別采用小撞錘和大撞錘進行撞擊實驗；仿真實驗 S3-6-1 和 S3-6-2 分別為 3 歲組兒童胸腹部模型采用 6 歲組兒童材料參數，分別采用小撞錘和大撞錘進行撞擊實驗，設置該組實驗目的是為了排除解剖學結構差異，與具有 3 歲組材料參數的 3 歲組兒童模型的碰撞結果進行對比，研究材料參數對胸部響應的影響；仿真實驗 S6-3-1 和 S6-3-2 分別為 6 歲組兒童胸腹部模型采用 3 歲組兒童材料參數，分別采用小撞錘和大撞錘進行撞擊實驗，研究目的同上；仿真實驗 S6-6-1 和 S6-6-2 分別為 6 歲組兒童胸腹部模型采用 6 歲組兒童材料參數，分別采用小撞錘和大撞錘進行撞擊實驗。
表2
3 歲組和 6 歲組兒童碰撞仿真實驗方案
Table2.
The experiment set of impact simulation for 3-year-old and 6-year-old groups
2 結果
2.1 胸部變形量和胸部接觸力結果
不同仿真實驗中兒童模型胸部變形量和胸部接觸力結果，如圖 2 所示。
首先，胸部變形量的結果可見：仿真實驗 S3-3-1 和 S3-3-2 的胸部變形量峰值分別為 44.3 mm 和 45.6 mm，出現時間均為 9 ms；仿真實驗 S3-6-1 和 S3-6-2 的胸部變形量的峰值分別為 41.4 mm 和 42.5 mm，出現時間均為 8.5 ms；仿真實驗 S6-3-1 和 S6-3-2 的胸部變形量分別為 56.0 mm 和 56.7 mm，出現時間為 14 ms；仿真實驗 S6-6-1 和 S6-6-2 的胸部變形量峰值分別為 55.5 mm 和 56.2 mm，出現時間均為 14 ms。
其次，胸部接觸力的結果可見：仿真實驗 S3-3-1 和 S3-3-2 的胸部接觸力峰值分別為 753.1 N 和 1834.3 N，出現時間均為 9.5 ms；仿真實驗 S3-6-1 和 S3-6-2 的胸部接觸力的峰值分別為 766.6 N 和 1899.4 N，出現時間均為 9 ms；仿真實驗 S-6-3-1 和 S6-3-2 的胸部接觸力的峰值分別為 721.4 N 和 1041.1 N，出現時間均為 7 ms；仿真實驗 S6-6-1 和 S6-6-2 的胸部接觸力峰值分別為 732.9 N 和 1112.4 N，出現時間均為 7 ms。
圖2
不同碰撞仿真實驗中兒童胸部碰撞響應曲線
Figure2.
Response curve of pediatric thorax impact in different simulations
2.2 肺部及心臟的第一主應變結果
不同碰撞仿真實驗中兒童肺部及心臟的第一主應變結果，如圖 3 所示。
首先，肺部第一主應變結果如下：仿真實驗 S3-3-1 和 S3-3-2 的肺部最大第一主應變分別為 40.65% 和 45.39%；仿真實驗 S3-6-1 和 S3-6-2 的肺部最大第一主應變分別為 42.68% 和 46.56%；仿真實驗 S6-3-1 和 S6-3-2 的肺部最大第一主應變分別為 65.37% 和 68.66%；仿真實驗 S6-6-1 和 S6-6-2 的肺部最大第一主應變分別為 66.89% 和 70.85%。
其次，心臟第一主應變結果如下：仿真實驗 S3-3-1 和 S3-3-2 的心臟最大第一主應變分別為 28.61% 和 31.94%；仿真實驗 S3-6-1 和 S3-6-2 的心臟最大第一主應變分別為 28.26% 和 30.2%；仿真實驗 S6-3-1 和 S6-3-2 的心臟最大第一主應變分別為 50.89% 和 53.59%；仿真實驗 S6-6-1 和 S6-6-2 的心臟最大第一主應變分別為 50.24% 和 53.51%。
圖3
不同碰撞仿真實驗的兒童肺部和心臟最大第一主應變
Figure3.
The maximum first principal strain of lung and heart in different simulations
3 討論
3.1 仿真實驗結果與尸體實驗結果對比
仿真實驗 S3-3-1 與仿真實驗 S6-6-2 分別重構了 Ouyang 等[5]低年齡組和高年齡組的尸體實驗。在胸部碰撞過程中，肺部和心臟的損傷主要是由于擠壓導致的。關于肺部的損傷，Gayzik 等[16]研究指出肺部損傷的第一主應變的損傷閾值約為 28.4%。Yamada 等[17]研究表明，當心臟第一主應變達到 30% 左右時，0～9 歲兒童心臟組織開始出現挫傷，達到 62.69% 時，心肌開始出現破裂傷，故將心臟發生一般性挫傷和破裂傷的第一主應變損傷容忍極限值定為 30% 和 62%。如圖 3 所示，在本文的仿真實驗中，S3-3-1 和 S6-6-2 兩組仿真實驗肺部最大第一主應變分別為 40.65% 和 70.85%，超出肺部第一主應變的損傷閾值，分別出現輕微右肺挫傷（無損傷）與氣胸現象，與尸檢結果一致，進一步驗證了模型的有效性；而心臟最大第一主應變分別為 28.61% 和 53.51%，可見碰撞中 3 歲兒童心臟沒有受到損傷，而 6 歲兒童心臟可能出現一般性挫傷，雖然尸檢中沒有給出心臟損傷的相關數據，但有限元模型可以在一定程度上研究和表征心臟損傷機理。
3.2 撞錘大小對不同年齡兒童胸部碰撞損傷響應分析
當 3 歲組和 6 歲組兒童胸腹部模型使用 1 號撞錘時，胸部變形量的峰值均略微小于模型使用 2 號撞錘時胸部變形量的峰值，且達到峰值時刻相同；當 3 歲組和 6 歲組兒童胸腹部模型使用 1 號撞錘時胸部接觸力的峰值均小于模型使用 2 號撞錘時胸部接觸力的峰值，且達到峰值時刻也相同。
以上結果說明，當改變撞錘大小時，3 歲組兒童胸腹部模型中胸部變形量峰值變化量與 6 歲組兒童模型中的胸部變形量峰值變化量大致相同，但胸部接觸力峰值變化量遠大于 6 歲組兒童模型。當采用 2 號撞錘時，由于 3 歲組兒童胸腹部模型質量及尺寸均小于 6 歲組兒童模型，對碰撞的承受能力較弱，故胸部接觸力峰值的變化量更大，對撞錘的改變更敏感。
當 3 歲組和 6 歲組兒童胸腹部模型使用 1 號撞錘時肺部和心臟的最大第一主應變均小于模型使用 2 號撞錘時肺部和心臟的最大第一主應變。撞錘撞擊胸部時，胸部肋骨發生變形，對肺部和心臟擠壓，導致內臟損傷。當使用 2 號撞錘時，3 歲組和 6 歲組兒童模型胸部變形增大，撞擊力增大，肺部和心臟最大第一主應變也增大，即模型受到的沖擊作用更大時，胸部變形程度增大，且胸部接觸力增大。實驗結果說明，胸部壓縮變形程度增大，肋骨對內臟的擠壓作用更明顯，導致肺部和心臟的最大第一主應變增大。
3.3 胸部組織材料參數對不同年齡兒童胸部損傷響應分析
當 3 歲組和 6 歲組兒童模型采用 3 歲組兒童材料參數時，胸部接觸力的峰值略小于同一模型采用 6 歲組兒童材料參數時的胸部接觸力峰值，這是因為 3 歲組兒童密質骨彈性模量小于 6 歲組兒童。撞擊條件相同時，使用 6 歲組兒童模型材料參數的模型密質骨的彈性模量增大，胸腔的柔韌性相對較差，發生同等變形所需要的接觸力更大，從而導致胸部變形量峰值略微減小，胸部接觸力增大。
當 3 歲組和 6 歲組兒童模型均采用相同的 3 歲組兒童材料參數時，肺部最大第一主應變略小于采用 6 歲組兒童材料參數時肺部最大第一主應變；而心臟最大第一主應變略大于采用 6 歲組兒童材料參數時的心臟最大第一主應變。與采用 3 歲組兒童材料參數相比，當采用 6 歲組兒童材料參數時，胸部接觸力增大導致肋骨對肺部的擠壓作用更明顯，肺部最大第一主應變略微增大，而采用 6 歲組兒童材料參數時，由于胸部變形量略微減小，心臟最大第一主應變略微減小。
3.4 解剖學結構參數對不同年齡兒童胸部碰撞響應分析
當 3 歲組兒童和 6 歲組兒童胸部有限元模型采用相同年齡組兒童的胸部組織材料參數時，由于幾何解剖學結構特征的不同，在相同的撞擊條件下，3 歲組兒童胸腹部模型的胸部變形量的峰值明顯小于 6 歲組兒童模型胸部變形量的峰值，且峰值出現的時刻提前 5 ms 左右。在幾何結構特征不同而胸部組織材料參數相同的情況下，3 歲組兒童模型的胸部接觸力的峰值均大于 6 歲組兒童模型胸部接觸力的峰值，且胸部接觸力峰值出現的時刻滯后 2 ms 左右，胸部接觸力和胸部變形具有相同的變化規律。在胸部組織材料參數相同而幾何解剖學結構特征不同時，由于 3 歲組兒童模型質量尺寸均小于 6 歲組兒童模型，在相同撞擊條件下，3 歲組兒童模型的慣性較小，背部較早出現變形，3 歲組兒童模型的胸部壓縮量提前達到峰值，且峰值減小；在使用 1 號撞錘時，幾何結構特征的改變對胸部接觸力峰值變化量影響較小，而采用 2 號撞錘時，幾何結構特征的改變對胸部接觸力峰值的影響較明顯。
當采用相同的胸腹部組織材料參數時，由于解剖學特征不同，相同撞擊條件下，3 歲組兒童模型的肺部最大第一主應變小于 6 歲組兒童模型的肺部最大第一主應變，而且 3 歲組兒童模型肺部最大第一主應變提前出現；3 歲組兒童心臟最大第一主應變也小于 6 歲組兒童模型心臟最大第一主應變，而且 3 歲組兒童心臟最大第一主應變提前出現。
由于仿真實驗 S3-3-1 和 S6-6-2 重構了 Ouyang 等[5]尸體實驗，并且尸體實驗結果給出了肺部損傷結果，因此本文選用 S3-3-1 和 S6-6-2 兩組仿真實驗結果說明了由于解剖學結構的改變對兒童胸部內臟肺部和心臟的影響。
如圖 4、圖 5 所示，給出了肺部和心臟的最大第一主應變圖，可見 3 歲組兒童和 6 歲組兒童胸腹部模型的肺部和心臟最大第一主應變的出現位置不同。與 6 歲組兒童相比，3 歲組兒童的心臟相對較大，而肺部相對較小，肋骨對肺部直接擠壓作用較弱，肺部對心臟的擠壓作用更明顯；6 歲組兒童肺部損傷主要是由于肋骨變形對肺部有較明顯的直接擠壓作用，而心臟的最大第一主應變則是由于心臟與椎骨接觸的位置出現應力集中而導致的。因此，3 歲組兒童和 6 歲組兒童由于解剖學幾何結構特征的不同導致在碰撞時其內臟損傷的程度和位置不同，解剖幾何結構特征參數對兒童乘員碰撞損傷具有明顯的影響。
圖4
仿真實驗中肺部第一主應變云圖
Figure4.
The first principal strain contour of lung in different simulations
圖5
仿真實驗心臟第一主應變云圖
Figure5.
The first principal strain contour of heart in different simulations
4 結論
本研究采用 3 歲組和 6 歲組兒童胸腹部有限元模型重構兒童胸部尸體碰撞實驗，研究了撞錘大小、胸部組織材料參數和胸部解剖學幾何結構特征參數對胸部生物力學響應的影響，得出以下結論：
（1）在采用同一年齡組兒童胸腹部模型時，撞錘大小對胸部損傷影響不大。當撞錘增大時，3 歲組兒童和 6 歲組兒童有限元模型胸部變形量的峰值均增大，胸部撞擊力增大，肺部和心臟最大第一主應變增大，其中 3 歲組兒童胸部接觸力響應對撞錘大小的改變更敏感。
（2）在相同實驗加載條件下，3 歲組和 6 歲組兒童的胸部組織材料參數對模型胸部損傷影響不明顯。由本研究所選用材料參數的年齡組別之間差距較小，沒有明顯地表現出不同年齡組別之間材料參數對胸部損傷的影響。在后續研究中，應加大所選材料參數的年齡組別之間的差距，進一步探討不同年齡組別的材料參數對胸部碰撞損傷響應的影響。
（3）在相同實驗加載條件下，3 歲組和 6 歲組兒童的解剖學幾何結構特征對兒童的胸部損傷影響較大。由于兒童胸部解剖學幾何結構特征的不同，3 歲組兒童和 6 歲組兒童肺部和心臟的最大第一主應變出現損傷的位置存在較大差異。因此，在進行兒童胸腹部損傷研究時應盡量采用具有真實解剖學幾何結構特征的有限元模型以保證仿真實驗的有效性。在后續研究中，可以將成人的胸腹部有限元模型加入仿真實驗的對比，進一步明確解剖學幾何結構特征對胸部損傷的影響。
