文摘

在现实世界中崩溃,脑损伤是死亡的主要原因之一。使用孤立的人头有限元(FE)模型来研究脑损伤模式和指标已广泛采用一个简化的方法,因为它成本显著降低比整个人体模型计算资源。然而,这种简化的精密程度仍让人怀疑。本研究比较了这两种方法:(1)使用整个人体模型进行了雪橇模型,(2)使用一个孤立的头部模型与规定动作,研究脑损伤。•冯•米塞斯应力的分布(vm)、最大主应变(议员)和累积应变损伤测量(CSDM)被用来比较两个方法。结果表明,大脑的vm主要集中在降低大脑和小脑occipitotemporal地区接近。孤立的预测建模策略主管更高水平的国会议员和CSDM 5%,而不同之处在于CSDM 10%比较小。它表明,孤立的头部模型可能不相等地反映应变水平低于10%相比,整个人体模型。

1。介绍

1.1。脑损伤的有限元模型

受伤的头部创伤是一种主要类型的机动车事故。世界卫生组织估计的,头部损伤占一半的每年130万人死亡和5000万人受伤引起的交通事故在世界范围内(1]。有限元建模一直是发达的方法研究脑损伤。许多人类详细有限元模型已经开发,以探讨损伤机理和预测在现实世界崩溃的场景中受伤的风险(2- - - - - -4]。由于巨大的计算消耗的人体模型,一些独立模型提取整个人体模型。例如,孤立的安全模型从总额中提取人体模型主管(萨姆)已经被用于研究足球运动员的脑损伤5]。这个方法是可行的和高效的方法研究脑损伤机制通过复制头部运动。相比,然而,很少有研究之间的区别这两个详细有限元模拟策略:使用整个人体模型(1)和(2)使用孤立的头部模型相同的整个人体模型、头部运动与(1)作为输入。如果第二种方法被证明是一个等价的替代方法,有限元损伤分析和进一步的约束系统优化可能更容易使用这个合理的简化。否则,这种简化只能被视为一个近似与局限性,应小心使用。

1.2。测量脑损伤

上述定量比较的策略,需要选择合适的损伤测量。头部受伤的标准(嗝)第一次审查。它被引入作为失败/通过标准中指定的头部损伤在1972年联邦机动车安全标准208号(FMVSS 208)。在过去的十年中,嗝已广泛应用于评估尸体头部受伤的测试和模拟测试,因为它是一个很好的预测头骨骨折。然而,研究表明,持续的主人一个脑损伤的风险没有颅骨骨折将大于那些持续没有脑损伤的颅骨骨折(3.83%和0.05%,分别地。)6]。这意味着更多的要注意脑组织损伤(如脑震荡、挫伤、血肿等)在机动车额的影响。同时,事件率的统计数据表明,创伤性脑损伤(TBI)自1995年以来增加了应急部门和门诊部门访问(7]。

由于嗝的能力限制,应力和应变指标如vm,国会议员,和CSDM被用来研究颅内压力发展和分布(8- - - - - -10]。CSDM,旨在评估累积损伤的脑组织开发基于的理论过度轴突留在功能障碍。它被定义为大脑的体积百分比,超过指定的各种第一主应变阈值影响期间。因为它传达的信息过度元素进步,它可能预测比最大应力或应变水平在一个特定的时间点。此外,一些指标基础转动运动学也用来研究脑损伤的机制(11,12]。然而,这些评价方法只能用于头部运动学收购前的状况。

基于上述讨论,vm,国会议员,和CSDM将采用的测量比较两个不同的建模策略的详细反应前刚性屏障(美联储)测试和40%抵消变形障碍(ODB)测试,分别。萨姆将被视为一个很好的例子,全身人体模型与头部和大脑子模型进行验证。

2。方法

2.1。整个人体有限元模型

萨姆版本4 AM50验证人体有限元模型代表一个中型男性(175厘米和77公斤)包括复杂的人体器官和组织(2]。两种仿真策略进行基于萨姆。

萨姆坐在雪橇FE模型被用来重建碰撞实验中,美联储56公里/小时的测试,64公里/小时40% ODB测试。的雪橇FE模型车是由广州汽车集团股份有限公司,有限公司,从56公里/小时前对数据进行验证。雪橇模型复制完整的车祸的汽车运动学仿真,因此可用于集成整个萨姆损伤研究。与此同时,克制系统建模,以反映实际情况。牵开器的负载极限2.25 kN使用和销售的摩擦系数设置为0.2,根据约束系统设计在现实的碰撞测试。携带的雪橇模型约束萨姆整个人体模型如图1。

2.2。孤立的人类头上的有限元模型

孤立的人头FE模型提取萨姆(见图2)。它的大脑由六面体的固体元素代表大脑、小脑、脑干独特的白色和灰色的母亲,和脑脊髓液(CSF)。尸体的头部模型验证测试平移和转动的影响(13,14]。头颈子模型的详细验证萨姆可以发现在文献[15]。

头骨刚体有限元模型被修改为应用在六个自由度的运动(自由度),这种方法通常采用脑损伤有限元研究[12,16,17]。平移和旋转运动学测量重力的中心(CG)的使用约束插值法(18]。这种方法将收购的运动学依赖节点(例如,CG)周围的独立插值的节点。随后,线性加速度和角速度测量在雪橇模拟(使用整个人体模型)模拟使用孤立的头部模型的输入为规定的边界条件简化重建(数据3和4)。

2.3。脑损伤指标

vm和国会议员的空间分布进行了分析。大脑的vm和国会议员将反映内部应力/应变浓度和脆弱点通过使用每个建模策略。因为一些其他地区没有最高的应变水平可能被忽视,因为应力/应变水平下降到正常损坏后,累积测量CSDM将覆盖额外的信息。动物实验(19]显示轴突运输损失可能发生在菌株水平的15%和18%。雪橇的人研究了模拟与安全气囊部署的通常;因此,不合理的期望严重的脑损伤。在这项研究中,5%和10%的低应变阈值被选出的CSDM演示两种碰撞情况下的差异,尽管低风险与这些有关的致命损伤应变水平。

身体和大脑反应整个萨姆模拟,大脑反应分离萨姆头可以相比。模拟的逻辑图如图5。

3所示。结果

这两种建模策略的差异在于不同的边界条件。脖子会转移来自身体的负荷在使用整个萨姆脑干,渠道的传输负载,不会在孤立的建模策略主管工作。因此,大脑主要是讨论在接下来的两个部分。

3.1。虚拟机分配

图6介绍了时间的历史最大vm在大脑。这表明最大vm在整个人体模型都是高于孤立头模型。美联储的vm得到模拟(黑色曲线)在50毫秒之后开始迅速增加,达到自己的最大价值,女士在80年和88年分别。红色曲线代表的vm ODB模拟开始增加约70毫秒,同时达到最大值在108 ms,而孤立的头部模型的最大值比整晚美联储人体模型模拟。

图7显示了美联储的vm的分布模拟。最大的虚拟机在不同情况下使用不同的建模策略是6.4 kPa和3.9 kPa,分别。大型vm occipitotemporal整个人体模型集中的地区接近小脑。vm的分布格局在孤立的头部模型类似于整个人体模型。然而,vm的大小低于整个人体模型。

图8显示了虚拟机的分布在108 ms ODB模拟。两种建模策略的最大vm 5.3 kPa和3.9 kPa,分别。最大的vm集中在大脑和occipitotemporal地区越低,这是类似于美联储的模拟结果。vm的大小在ODB模拟低于美联储在模拟。这是由于较低的纵向(美联储设在)减速ODB崩溃而崩溃。

发现虚拟机的分布在不同的碰撞模拟接近。最大的虚拟机在整个人体模型都高于在孤立的头部模型无论不同碰撞模拟。和occipitotemporal vm主要集中的地区。

3.2。议员分布

图9礼物的时间历史的议员大脑通过使用不同的建模策略。显然表明,孤立的议员头部模型所代表的黑色曲线高于整个人体模型。议员达到最大值的ODB模拟同时,美联储在模拟,孤立的头部模型达到最大值后比整个人体模型,同样的趋势与vm。

在美联储的模拟中,萨姆的影响安全气囊的中心正常然后反弹回来。图10美联储是右脑的议员分布模拟。两种建模策略的议员是0.15和0.22,分别。这表明国会议员出现在附近的景点胼胝体和大议员之间的地区主要集中在两个一半大脑小脑和occipitotemporal地区近。

图11显示了右脑的议员们分布在108 ms ODB模拟。这两个模拟的议员是0.12和0.23,分别。分布区域非常类似于美联储的模拟。和议员们主要集中在occipitotemporal地区接近小脑。

美联储的模拟,只有大型旋转侧方向(设在)不管别人的小旋转,而在ODB模拟,头部旋转垂直方向(设在)后积极影响安全气囊。大应变上大脑可能是由于头部转动的设在和设在自这两个相对运动将导致更严重的接触力的两个大脑的一半。

孤立的头部模型得到更低的vm和更高的议员根据上面所示的结果。虚拟机是一种等效应力的计算三个主要压力。更高的议员通常意味着更高的第一主应力,而vm和议员之间的价值差异表明,第二/第三主应力根据第二/第三主应变可能对vm的值也有很大的影响。

3.3。CSDM

图12显示了时间的历史CSDM 5%通过使用不同的建模策略。黑色曲线代表美联储的两种建模方法模拟在80 ms之后开始迅速增加以及整个模拟,20 ms的比红色的曲线。整个人体的终极CSDM 5%值模型和孤立的头部模型计算美联储的模拟是24.9%和54.6%,分别。和最终的ODB CSDM 5%值模拟由红色曲线分别为41.1%和65.2%,分别。

美联储孤立的头部模型输入与萨姆运动学仿真达到最大CSDM 5%的54.6%,高于29.7%,在整个人体建模策略,而孤立的ODB头模型模拟达到最大CSDM 5%的65.2%,也超过24.1%,从整个人体建模策略。CSDM 5%值通过使用孤立的建模策略高于整个人体模型,在两个碰撞的情况下美联储和ODB。

图13显示了时间的历史CSDM 10%使用不同的建模策略。CSDM 10%的趋势曲线曲线类似于CSDM 5%。美联储整个人体模型模拟达到最大CSDM 10%的1.4%,而最大CSDM 10%的两个孤立的头部模型相应的1.7%。ODB模拟,整个人体模型和孤立的头部模型达到最大CSDM 10%的5.1%和5.3%,分别。

输出使用孤立的头部造型策略也是最高的。然而,两种造型策略之间的差异在两个碰撞的情况下只下降了0.2% - -0.3%。CSDM 5%的趋势相比,发现应变主要元素的差异在5%和10%之间。这也意味着元素应变大于10%不会完全不同。自从CSDM差异集中值低于10%,这表明使用孤立的建模策略研究脑损伤可能预测压力水平高于整个人体建模策略。

4所示。讨论

本研究使用两个模型,整个身体人类与规定的运动模型和孤立的头部模型,预测在额叶脑损伤的影响。前的方法复制真实的事故现场。然而,大量的元素(主要来自整个人体模型)需要较长的计算时间和更多的计算资源。使用孤立的头部模型的方法已被广泛用于研究脑损伤指标多半作为替代方法。它可以反映出头部的运动的好处它的简单和节省时间的。定量分析了错误在上述模拟研究。

有三个可能的原因可能导致这种差异。首先,切断的脑干脊髓使边界不完全相同。通常能找到自由表面在孤立的头简化模型。在现实的情况下,这个顺序使大脑有一个软枕骨大孔附近的边界,这是很难模仿的孤立的建模策略。第二,数据处理可能产生错误引起的输出速度和仿真时间的步骤。整个身体的运动输出模拟的准确性取决于输出的频率。这个错误可能会进一步成为孤立的头部模型输入错误。第三,头骨的简化为刚性的一部分而不是弹性/塑料骨材料在整个人体模型也很重要。这种效应小是由于大脑的弹性大区别组织和邻近的头骨。然而,局部应力可能受此影响硬边界在孤立的建模策略。 Further investigation could be conducted by parametric studies.

由于皮带的保护和安全气囊,影响情况下美联储(ODB)不会对使用者造成太多的脑损伤。所以它只能导致低水平污点在影响和可能需要应用更严重影响载荷更好地解决这种差异。

5。结论

以下三个特定的调查结论可以从大脑反应模拟头影响使用全身人体模型和孤立的头部有限元模型:(我)的最大虚拟机隔离头模型2.5 kPa和1.4 kPa低于使用全身模型模拟。和应力分布模式是相似的,主要集中在降低大脑和小脑occipitotemporal地区接近。(2)孤立的议员头部模型高于整个人体模型无论是在美联储模拟或ODB模拟。(3)孤立的头部模型预测美联储CSDM 5%模拟值高24.1%和29.5%的高价值CSDM 5% ODB比整个人体模型模拟。但CSDM 10%水平的差异较小。(iv)应变两种建模策略之间的区别主要在于CSDM水平低于10%,自装载条件不是很强烈的在这个研究。(v)基于本研究的发现,它建议,高度准确的分析研究脑损伤或脑干周围的地区,建议全身人体模型。简化的孤立的头部模型可以用于总体伤害趋势仔细讨论与局限性。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究是由中国自然科学基金会(没有。51205225)。作者要感谢Altair工程公司和利弗莫尔软件技术公司提供的教育许可他们的软件。感谢是由于丰田汽车提供了萨姆。此外,作者也欣赏广州汽车集团有限公司汽车工程研究院,有限公司,为本研究提供汽车有限元模型。