乘员与安全气囊初始距离对轻度脑损伤的影响*

李海岩，李鑫杰，崔世海，贺丽娟，阮世捷，吕文乐

（天津科技大学，现代汽车安全技术国际联合研究中心，天津 300222）

前言

创伤性脑损伤（traumatic brain injury，TBI）是指头颅部位尤其是脑组织受到外力撞击时引起的脑部损伤。颅脑损伤在平时和战争均常见，仅次于四肢损伤，其导致的死亡率和伤残率在所有损伤中占据首位，因此颅脑创伤对社会和家庭所造成的危害尤为严重。轻度创伤性脑损伤（mTBI）是最常见的脑损伤类型，mTBI患者会出现头痛、疲劳、抑郁、焦虑、紧张和易怒等症状，以及认知功能受损。症状会在受伤后3个月内自愈，只有一小部分患者会患有持续性脑震荡后综合征（PCS）［1］。康复医学会头部损伤委员会特殊研究组将mTBI定义为由于创伤导致的脑功能生理紊乱，包括：意识丧失、事故前后的短时间失忆、事故发生时的精神状态变化（如眩晕、无方向感、精神紊乱）和暂时性或持续性神经功能缺损。但这些损伤的严重性都不会超过以下指标：丧失知觉（LOC）小于 30 min；格拉斯格昏迷指数（GCS）在 13－15之间；脑外伤后失忆（PTA）小于24 h［2］。在脑震荡国际会议上，脑震荡是指脑部由于受到创伤性外力作用，导致中枢神经系统功能障碍的复杂病理生理现象［3］。mTBI和脑震荡的定义和认定方法的多变性对其研究产生了很大的影响，这也限制了轻度创伤性脑损伤的流行病学研究。目前，关于这两个名词的定义一般认为：脑震荡主要是指功能上的损伤，轻度创伤性脑损伤主要是结构和功能损伤［4］。在运动医学中，通常将脑震荡归属于轻度创伤性脑损伤，本文中就遵循这一原则。颅脑损伤涉及脑组织中的白质和大脑半球，尤其是白质受冲击后会发生变形和破坏导致弥散性轴索损伤（DAI）。颅脑损伤后的病理学检查表明，损伤表现为白质中轴索肿胀或断裂［5］。尽管DAI的机理尚不明确，但普遍认为当脑组织受到加速或减速后，脑组织的变形会改变细胞膜的通透性，超过一定阈值时会产生DAI［6］，世界卫生组织指出近年来脑震荡等轻度创伤性脑损伤在呈上升趋势［7］。

伴随着计算机技术的不断发展和完善，有限元方法在研究头部脑损伤领域起重要作用。Kleiven［8］通过重建分析了58例国家美式橄榄球联盟（national football league，NFL）案例，将计算结果利用回归风险曲线进行统计分析，对轻度创伤性脑损伤的脑组织应变、应变率、von Mises应力、颅内压和灰质处压力等影响因子进行相关性分析，结果显示大脑灰质处压力有着较高的相关性，当大脑灰质处压力达到65.8 kPa时有50%概率会引发脑震荡。Shreiber等［9］提出脑组织von Mises应力达到6～11 kPa时会发生脑挫伤。Anderson等［10］通过研究羊的大脑损伤得出脑组织von Mises应力为8～16 kPa时会发生DAI。Kleiven［8］研究表明，胼胝体 von Mises应力达到8.4 kPa时有50%概率引发脑震荡。Willinger等［11］通过分析22例NFL案例得出，当脑组织von Mises应力达到18 kPa时有50%的概率会引发脑震荡。Zhang等［12］研究了体育比赛中美式橄榄球球员头部发生的损伤案例，得出脑剪切应力值达到6.0、7.8和10.0 kPa时，分别有25%、50%和80%的概率出现轻度脑损伤。Bain等［13］通过中枢神经系统白质损伤试验来探究轴索损伤的脑组织水平阈值，结果表明，在豚鼠体内造成轴突损伤白质的应变阈值为0.13，同时指出，采用不同的脑组织的材料参数下的应变值会发生改变。Galbraith等［14］用乌贼进行轴突损伤的研究，表明脑组织最大应变为0.10可导致轴突可逆损伤，这可作为乌贼脑震荡的近似和保守阈值。Takhounts等［15］给出了基于脑组织最大主应变（MPS）对应的简明创伤（AIS）等级颅脑损伤风险曲线，当脑组织最大主应变为0.45时，发生轻度脑损伤的概率为50%。

现阶段由于乘员的个体差异，乘员在乘车时即使合理使用安全带也会因调整座椅位置和角度而导致头部与安全气囊的正常距离发生改变，出现离位的情况。因此，本研究基于已构建且经过有效性验证的我国50百分位头部有限元模型，模拟在使用安全带工况下，头部与安全气囊不同距离时头部运动学特征，对比其力学指标，探究颅脑响应参数的变化。

1 材料与方法

图1 具有详细解剖学结构我国假人50百分位头部有限元模型

1.1 50百分位成人头部模型和安全气囊模型

研究采用Zhao等［16］构建且经过有效性验证的具有详细解剖学结构的成人50百分位头部有限元模型，如图1所示。该模型包括灰质、白质、胼胝体、3层脑脊液、脑膜、脑室和脑干等较完整的解剖学结构。其包含113 276个单元，质量为4.3 kg，长度为178.899 mm，宽度为142.955 mm。安全气囊采用崔世海等［17］试验中使用的模型。

1.2 仿真试验条件设置

参考Meyer等［18］的试验设置，头部与安全气囊质心上下距离42 mm。崔世海等［17］通过仿真离位状态下6岁儿童与安全气囊的碰撞，提出正常情况下未引爆的气囊和头部的最小安全距离约为300 mm。为探究乘员在使用安全带工况下安全气囊和头部的碰撞过程，并考虑不同个体调整座椅存在离位的情况，模拟不同距离时的头部与安全气囊的接触过程。将安全气囊响应前的质心与乘员头部距离 d（图 2）设置为 260、270、280、290、300和310 mm共6种尺寸，使用LS-DYNA软件进行仿真，计算时间为120 ms。

图2 头部的面部与安全气囊的距离示意图

2 仿真结果

2.1 仿真过程

图3为头部不同时刻的运动学响应过程。其中头部是无约束的状态，由于安全气囊的拉带长度是一定的，随着头部与安全气囊距离的减小，颅脑响应参数会发生不同程度的变化。

图3 不同时刻头部运动学响应

2.2 HIC15值

当前各国安全法规中普遍将头部损伤准则（head injury criterion，HIC）作为一项评价头部损伤的重要指标，其表达式为

式中：a为头部质心合成加速度，g；t2－t1为HIC取得最大值时的时间间隔，在实际应用中一般选取的时间间隔为15 ms。

目前，大多数国家将HIC15的损伤值700定为成人和6岁以上儿童头部冲击伤害阈值［19］。表1为不同距离时仿真结果的头部HIC15值。

表1 头部与安全气囊的不同距离时HIC15值

2.3 脑灰质处压力

图4为不同初始距离时碰撞后的脑灰质处最大压力云图。当距离为 260、270、280、290、300和310 mm时脑灰质处最大压力值分别为112.20、94.04、71.74、61.16、54.58和 45.94 kPa。

2.4 脑组织von Mises应力

图5为头部与安全气囊不同距离时碰撞后的脑组织von Mises应力随时间的变化。当距离为260、270、280、290、300和 310 mm时脑组织 von Mises应力对应的最大值为 24.22、20.55、19.03、13.01、8.32和4.13 kPa。

2.5 脑剪切应力

图6为头部与安全气囊不同距离时碰撞后的脑剪切应力随时间的变化。当距离为260、270、280、290、300和310 mm时脑剪切应力最大值为13.62、11.77、9.31、7.50、4.83和 2.74 kPa。

3 讨论

由表1可见，当距离为260和270 mm时，HIC15值远大于损伤阈值700，当距离为280 mm时，HIC15值接近于损伤阈值，而当距离等于或大于290 mm时HIC15值小于损伤阈值。总之头部与安全气囊的距离减小，HIC15值变大。

当头部与安全气囊距离不同时，由于安全气囊的拉带长度一定，随着头部与安全气囊距离的减小，头部受到安全气囊的线性冲击力变大。图7为Kleiven［8］通过重建分析58例NFL，将计算结果利用回归风险曲线进行统计分析得出的脑震荡概率与脑灰质处最大压力关系图。将仿真结果利用插值法计算得出组别中灰质处压力为112.20、94.04、71.74、61.16、54.58和45.94 kPa时所对应的脑震荡的概率近似为98%、90%、63%、43%、28%和15%。

图4 不同初始距离时碰撞后脑灰质处压力云图

图5 不同距离时脑组织von Mises应力随时间的变化

图6 不同接触距离时脑组织剪切应力随时间的变化

由图5可见，当头部与安全气囊距离不同时，脑组织von Mises应力波峰主要集中在30 ms左右。由于颈部没有约束，头部与安全气囊不同距离碰撞后，头部在受到安全气囊展开后不同的线性冲击力下会发生不同程度的旋转，导致小脑干处发生了不同程度的扭曲。当距离为280～290 mm区间内时脑组织von Mises应力更容易接近Willinger等［11］提出的50%概率会引发脑震荡的von Mises应力18 kPa的阈值。

对比图6和图5可见，脑剪切应力随时间变化趋势基本与脑组织von Mises应力变化趋势相同，且最大值均出现在小脑干处，与Zhang等［12］试验结果一致。脑干是中枢神经系统中位于脊髓和间脑的结构，通过对剪切应力云图分析脑剪切应力越大，小脑干的扭曲变形程度越大，对应颅脑损伤程度也越高。当头部与安全气囊的距离减小，头部受到的线性冲击力变大，因而更容易发生旋转，而旋转过程中由于脑组织各本构结构之间负荷的惯性不同，角速度和旋转加速度会不同程度导致脑组织发生扭曲和移位，进而引发弥漫性轴索损伤。当初始距离为260、270、280、290、300和310 mm时，脑剪切应力最大值分别为 13.62、11.77、9.31、7.50、4.83和 2.74 kPa。与Zhang等［12］的研究成果相对照，距离为290 mm时脑剪切应力7.50 kPa已低于50%概率会引起轻度脑损伤的阈值7.8 kPa。

通过仿真对比不同距离时头部与安全气囊的碰撞过程，来模拟乘员在使用安全带的工况下，头部与安全气囊的距离不同时两者碰撞后颅脑的响应变化。如表2所示，随着距离的减小，头部受到的线性冲击力变大，头部颅脑响应参数如灰质压力、脑组织von Mises应力和脑剪切应力值等均会增大，导致头部出现不同程度的损伤。当乘员头部与安全气囊的距离为310 mm时，颅脑响应参数、HIC15值、灰质处压力、脑组织von Mises应力和脑剪切应力均处于最小值，而当距离大于等于290 mm时脑组织颅脑响应参数均低于50%概率引发轻度创伤性脑损伤的阈值。

图7 脑灰质处压力与脑震荡损伤概率的Logistic回归图

表2 头部与安全气囊不同距离时碰撞后颅脑响应参数与损伤阈值

4 结论

采用成人50百分位有限元头部模型，模拟乘员合理使用安全带情况下改变座椅位置或座椅角度导致头部与安全气囊不同距离时碰撞后头部生物力学各项指标的响应变化，得出以下结论。

（1）随着头部与安全气囊距离的减小，头部受到的线性冲击力和颅脑的各项生物响应的最大值均变大，且颅脑损伤程度增高。

（2）当头部与安全气囊距离小于290 mm时，脑组织各项响应参数如脑灰质处压力、脑组织von Mises应力、脑剪切应力均大于50%概率引发轻度创伤性脑损伤的阈值。

（3）头部与安全气囊距离大于等于290 mm时，颅脑各项的生物响应值均低于50%概率引发轻度创伤性脑损伤的阈值。为保护乘员安全，建议乘员应保持头部与安全气囊的距离在290 mm以上。