杜现平;张冠军;曹立波;胡跃
【摘 要】在已开发的中国人体50百分位男性小腿有限元模型的基础上,加入脚部模型和与踝关节动力学特性相关的11条踝关节韧带和11束肌肉有限元模型,以进行踝关节动力学特性的研究和肌肉主动力的模拟.采用单点积分壳单元模拟踝关节韧带,其余韧带采用梁单元模拟.基于乘员小腿的碰撞损伤载荷特点,采用两种小腿轴向冲击试验,对小腿模型进行了验证.结果显示,小腿轴向冲击动力学特性曲线与试验吻合较好,说明模型具有较高的生物逼真度.在此基础上,利用模型,对胫骨指数(TI)与修正胫骨指数(RTI)的损伤预测能力进行评估,对比了中国人体与欧美人体的差异.结果表明,尽管RTI改善了小腿的骨折损伤的预测能力,但对于中国50百分位男性小腿,RTI仍然低估了其损伤程度,需进行相应修正. 【期刊名称】《汽车工程》
【年(卷),期】2016(038)011
【总页数】7页(P1324-1330)
【关键词】中国人体;小腿模型验证;胫骨指数;修正胫骨指数;欧美人体
【作 者】杜现平;张冠军;曹立波;胡跃
【作者单位】湖南大学,汽车车身先进设计制造国家重点实验室,长沙410082;湖南大学,汽车车身先进设计制造国家重点实验室,长沙410082;湖南大学,汽车车身先进设计制造国家重点实验室,长沙410082;中南大学湘雅三医院放射科,长沙410013
【正文语种】中 文
下肢损伤是汽车碰撞事故中人体中度损伤(abbreviated injury scale(AIS)2, AAAM)中频率最高的损伤形式[1]。尽管下肢损伤一般不会产生致命性的伤害，但也是导致永久残疾最主要的原因之一[2]。其中，脚部及踝关节损伤占所有下肢损伤的30%～40%[3]，Pilon骨折作为其中最严重的损伤形式，是导致下肢残疾的最主要的原因[4]。作为各国NCAP测试中重要的评判指标，降低下肢损伤也一直是各汽车厂商的研究重点。
由于尸体实验的个体差异性较大(尺寸，材料，年龄等)，实验的载荷较为简单，对于研究汽车碰撞工况下的踝关节及小腿的损伤机理作用有限[5]。在过去的几十年中，有限元模型
因其可重复使用、成本低等特点，被广泛地用于下肢损伤的研究[6]。
近些年，国外已开发了一些小腿和踝关节模型，用于小腿及踝关节损伤机理的研究。文献[7]中采用背屈实验对建立的可变形跗骨及刚性跗骨的脚部模型进行对比，结果显示：相比于刚性跗骨，可变形跗骨模型的动力学特性与实验结果吻合更好。文献[8]中建立了乘员下肢模型，对踝关节和小腿进行了较为全面的验证，并对小腿的损伤准则进行了研究；后来文献[4]中又在此基础上，建立了具有各向异性和非弹性皮质骨本构模型的小腿模型，提升模型的精度，对踝关节的损伤进行了参数化研究。文献[9]中建立了踝关节有限元模型，采用壳单元模拟踝关节韧带，提高韧带模拟精度，并采用轴向冲击实验进行验证，研究了应力在踝关节面及韧带的分布。文献[10]中建立了包含脚部的小腿模型，并进行了轴向冲击、内外旋等验证，探讨了乘员踝关节损伤特性和损伤机理。国内也有对于下肢有限元模型的研究，但是针对踝关节和小腿损伤的研究较少[11-14]。
这些模型在交通事故损伤分析中的应用，很大程度上提升了人们对于下肢损伤特性和损伤机理的理解，为汽车安全性设计及相关法规的制定提供了借鉴。但是，这些模型均是基于欧美人体尺寸及实验数据建立的[15]，与中国人体存在较大差异；基于中国人体的有限元
模型对适应中国人体的交通事故损伤机理分析、汽车安全性设计及相关标准制定具有重要的作用。
另外，随着损伤生物力学研究的进展，肌肉主动力对交通事故中人体动力学响应和损伤的影响逐渐得到重视。但现有模型对于肌肉主动力的模拟大多采用一维Hill模型单元连接肌肉起止点进行主动力的模拟[8,16]，这不仅不能模拟肌肉之间的相互作用，而且肌肉力的作用方向与真实情况也存在差异。
因此，本文中在已建立的小腿有限元模型的基础上，依据解剖学结构，增加脚部模型，建立了具有精细肌肉束和踝关节韧带的小腿有限元模型。采用相关的实验对模型的动力学特性进行验证，并对小腿骨折相关的损伤参数TI与RTI进行了评估，对比了中国与欧美人体小腿骨折损伤特性的差异。
小腿模型的几何信息，通过一个接近中国50百分位男性的成年患者(血管疾病，身高：173.1cm，体质量：69.7kg)螺旋CT及MRI扫描(层距1mm)获得。
1.1 小腿模型
在前期研究中，已建立了小腿有限元模型，模型包含44 640个节点、36 115个实体单元和2 634个壳单元，如图1所示[14]。
针对交通事故中行人和乘员下肢载荷的特点，对所建立的小腿有限元模型进行了相应的验证，主要包括胫骨、腓骨和小腿的准静态及动态三点弯曲验证、小腿轴向冲击验证。结果表明，所建立的小腿有限元模型具有较高的仿真精度及生物逼真度。
1.2 足部与踝关节模型
踝关节与脚部关节是精细复杂的运动关节组合，其动力学响应很大程度上决定了交通事故和体育运动中小腿的损伤特性和损伤程度。踝关节是典型的铰关节，主要运动是跖屈(范围30°～50°)和背屈(范围20°～30°)，通过与脚部其他关节的配合，实现其他的运动形式(内翻、外翻、外展和内收)。同时，脚部关节韧带相对于其他韧带更加强健，脚部单个关节的活动度较小，关节面之间的配合很大程度上决定了脚部整体的活动度和损伤特性[17]。因此，踝关节和脚部各关节骨的几何建模和关节配合精度决定了所建立的模型的生物逼真度。本文中对所建立的脚部模型，对照解剖学图谱进行表面光顺修复，保证脚部各关节面的配合关系和精度。
1.2.1 足部和踝关节网格模型
通过MRI图像，对照解剖学图谱中各肌肉的形态及起止点，主要提取了小腿11束与踝关节动力学特性相关的肌肉，包括：腓肠肌内侧头、腓肠肌外侧头、比目鱼肌、胫骨后肌、拇长屈肌、趾长屈肌、胫骨前肌、拇长伸肌、趾长伸肌、腓骨长肌和腓骨短肌[18]，并对11束肌肉之间的相互配合关系进行修正，防止肌肉之间的穿透等问题。对脚部和小腿其余的皮肤等软组织进行几何提取和几何修复，保证与其余模型的配合关系，如图2所示。
采用六面体为主对获得的几何模型进行网格划分，控制网格质量(99%以上网格jacobian>0.5，skew<60，aspect<5，warpage<60，30<angle<150)。
采用GB10000—88中对脚长和脚宽的定义和数据，将脚部模型缩放至中国50百分位男性脚部模型[19]，如表1所示。采用之前建立小腿模型所采用的基准尺寸，对肌肉模型进行缩放。
将缩放后的肌肉束及脚部网格模型，导入到Hypermesh中进行模型的组装。定义股骨为单层壳单元，保证完整的下肢动力学响应。采用单层实体单元模拟腿部皮肤；在肌肉表面生
成1mm厚壳单元，模拟肌肉间膜的作用；关节表面采用双积分点壳单元模拟关节表面软骨的作用；采用单点积分壳单元(不受弯)模拟与踝关节动力学特性相关的11条韧带，其余关节韧带采用一维梁单元模拟。
采用一维梁单元连接肌肉束与骨骼表面；肌肉间膜与肌肉共节点，肌肉之间、肌肉与皮肤之间、肌肉与长骨之间通过节点绑定进行连接；采用四面体单元实现小腿皮肤与脚部的皮肤软组织过渡，其余部件之间定义接触，所建立的小腿有限元模型如图3所示。
1.2.2 小腿材料模型
基于LS-Dyna(971,LSTC, Livermore, CA)选用合适的材料模型模拟脚部材料，采用弹塑性材料模拟脚部骨骼皮质骨和松质骨材料，材料参数在已有模型的材料参数范围内选取。采用弹性材料模拟关节软骨的作用，由于脚前部骨骼损伤几率较小，且本模型现仅用于小腿损伤研究，因此定义脚前部和股骨为刚性材料，材料参数如表2所示。通过前期小腿模型动态验证[14]，肌肉(Viscoelastic)和皮肤材料(Elastic)模型与参数的有效性得到验证，因此材料模型和参数与前期模型的肌肉及皮肤材料参数相同。采用弹塑性材料模拟踝关节韧带的材料特性，依据文献[4]中的模型数据，定义韧带的材料参数，如表3所示，其余一维梁单
元韧带的响应特性通过曲线进行控制。
在前期模型验证的基础上，针对模型的应用环境和载荷工况对加入脚部模型后的下肢模型进行整体的验证[14]。
2.1 小腿轴向冲击损伤特性
在交通事故正面碰撞中，踝关节损伤大多发生在乘员。踝关节骨折是踝关节损伤中最为严重的损伤之一，是导致长期功能缺失和残疾的最常见的损伤形式。
汽车正面碰撞过程中，由汽车地板和踏板的入侵，导致乘员脚部受到胫骨轴向冲击挤压载荷的作用。轴向载荷推动距骨挤压胫骨和腓骨的下部，引起踝关节骨折，主要包括：内侧髁骨和胫骨与腓骨下端的骨折[20]。冲击挤压载荷的冲击速率和持续时间很大程度上决定了损伤程度。其中，在较高能量的冲击载荷情况下(车速较高导致的入侵速率较高)，导致的胫腓骨下端的粉碎性骨折(Pilon骨折)是最严重的一种骨折形式。这种骨折困难，且很难完全恢复，汽车碰撞是这种骨折最主要的成因[20]。因此，小腿模型在轴向载荷作用下的动力学响应，对于模型模拟小腿轴向冲击载荷损伤特性，改进汽车结构，降低小腿损伤程度具有重要的作用。
因此，基于此种乘员损伤小腿载荷工况，依据文献[21]和文献[22]中的实验对小腿模型的轴向冲击特性进行了验证(以下称为Yoganandan冲击实验验证[21]和Kitagawa冲击实验验证[22])。
2.2 Yoganandan冲击实验验证
1995年，文献[21]中进行了小腿整体的动态轴向冲击仿真，验证了小腿整体的轴向冲击动力学响应，实验设置如图4所示。
根据实验设置，建立了相应的仿真模型，如图5所示。将胫骨平台端面节点固联到刚性方形盒子内部，模拟实验中对小腿近心端的浇注。限制刚性方盒除了Z向平动之外的其它自由度，在盒子上定义质量节点，使模型整体的质量为16kg。调整小腿模型，通过预模拟调整脚底平面与小腿轴向角度约为90°。冲击器整体质量为24.5kg，前部为25mm厚的橡胶层，与其后刚性底板共节点连接，刚性底板厚度为10mm，其后共节点连接质量块(模拟试验中的摆锤)。调整冲击器位置，使摆锤的质量中心线通过胫骨远心端1/3处，并与胫骨轴向平行。设置前部橡胶模型与脚底软组织的接触，分别定义冲击器Z方向的初始平动速度为2.23和3.35m/s两种工况。
