10岁儿童头部有限元模型的建立及验证
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晰的松质骨和皮质骨的边界，因此参考 Motherway 等提出的处理方法［10］，参照具有 3 层结构颅骨的力 学特性，将模型中的 3 层颅骨单元赋予相同的材料。 文献检索表明，目前全世界仅有 5 项研究利用儿童 尸体样本测试儿童头部组织的力学材料特性（ Davis 等，2012［11］； Prange 等，2004［12］； Margulies 等， 2000［13］； Weber 等， 1985［14］； McPherson 等， 1980［15］） ，其中仅有 Davis 等的研究对象为 6 周岁的 非婴幼儿。由于缺少专门研究 10 岁儿童颅骨力学 性能的实验，模型中颅骨的材料属性是通过缩放的 方法得到（ 见表 3） ，缩放区间根据文献［11］及文献 ［16］确定。
33 卷
型实验、动 物 模 型 实 验、志 愿 者 实 验 及 尸 体 模 型 实 验。机械模型实验具有较好的重复性，也便于实验 数据的测量。但是机械模型的生物逼真度有限，难 以代替生物实验。动物实验可以观察到由于承受 载荷而引起的组织破坏及病理生理学变化，但动物 与人在解剖结构和组织材料特性上存在较大的差 异，且在发育速度上也存在很大的区别。因此在利 用动物实验来研究儿童损伤时，除了需要处理动物 与人体在解剖结构和材料特性上的差异外，还须关 联动物与人在发育速度上的关系。志愿者实验是 获得最真实人体生物力学响应数据的方法，但在实 验过程中志愿者存在一定的损伤风险，这使得志愿 者实验广受批评和制约。尸体具有与活体相同的 解剖结构，是 开 展 损 伤 生 物 力 学 研 究 较 好 的 替 代 品。但由于 社 会、伦 理 和 法 律 等 方 面 的 限 制，尸 体 标本的获得受到了很大的限制，特别是儿童尸体实 验更是难以开展［3］。
33 卷 1 期 2014 年 2 月
中国生物医学工程学报 Chinese Journal of Biomedical Engineering
Vol． 33 No． 1 February 2014
10 岁儿童头部有限元模型的建立及验证
曹立波 周 舟 蒋彬辉* 张冠军
（ 湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长Байду номын сангаас 410082）
Development and Validation of the FE Model for a 10-Year-Old Child Head
CAO Li-Bo ZHOU Zhou JIANG Bin-Hui* ZHANG Guan-Jun
Abstract： In this study，the software ANSYS ICEM CFD and HYPEＲMESH was used to develop a finite element （ FE） model for 10-year-old child head with detailed anatomical characteristics． The MADYMO models of crash dummies were used to simulate the dynamic responses of an injured child in a typical falling accident from three different heights，and the motion parameters of orientation and velocity of the child head at the moment of impact were calculated． These parameters were input into the 10-year-old child head finite element model to simulate the head response during the fall impact and analyze the injury-related biomechanics parameters． Ｒesults showed that the location of maximum von-mises stress and maximum von-mises strain in the skull matched well with the impact site located on the right side of the occipital，but within their limits of tolerance． The intracranial pressure could accurately predict the injury level，while the von-mises stress could approximately recognize the traumatic location． The accident reconstruction results indicate that the constructed model has a good biofidelity and can be used for the further study of the child head injury mechanism．
摘 要： 运用 ANSYS ICEM CFD 以及 HYPEＲMESH 软件对 10 岁儿童头部几何模型进行合理的网格划分，获得具 有高度解剖学细节的 10 岁儿童头部有限元模型。利用 MADYMO 软件自带的假人，模拟一起典型跌落事故中，受 伤儿童从 3 个不同高度跌落时人体的动力学响应过程，并计算头部与地面碰撞接触瞬间的方位和速度等运动学参 数。然后将这些参数输入到 10 岁儿童头部有限元模型中，模拟头部与地面的碰撞过程，并分析与损伤相关的生物 力学参数。结果表明，颅骨的最大应力和最大应变分布在枕骨右侧，与碰撞点的位置较为吻合，但均未超过颅骨的 耐受极限。利用颅内压力可较好地预测脑组织的损伤程度，而利用脑组织的 von-mises 应力可较好地判断脑组织 的损伤位置。事故重建的结果表明，该模型具有较好的生物逼真度，可以用于儿童头部损伤生物力学的研究。 关键词： 头部损伤； 有限元模型； 事故重建； 10 岁儿童 中图分类号 Ｒ318 文献标志码 A 文章编号 0258-8021（ 2014） 01-0063-08
图 1 10 岁儿童头部有限元模型 Fig． 1 FE model of the 10 year-old child
表 1 头部几何尺寸 Tab． 1 Geomiteric parameters of the head
头部几何参数
头围 / cm
头宽 / cm
头长 / cm
颅容量 / cm3
模型（ 10 岁）
52. 8
14. 7
18. 7
1 369
人体测量学 数据（ 9 ～ 10 岁）
偏差 /%
53. 5 － 1. 3
14. 4 2. 0
18. 7 0
1 384 － 1. 0
建模过程中，脑镰、脑幕、硬脑膜以及一些接触 面等采用壳单元模拟，其余组织均采用 6 面体单元 模拟。由于 目 前 还 没 有 完 全 合 适 的 颅—脑 边 界 条
1期
曹立波，等： 10 岁儿童头部有限元模型的建立及验证
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件的接触算法［9］，所以该模型的脑组织通过构建一 层脑脊液单元与颅骨连接，且网格连续。
为了确保模型计算过程中，颅骨以及颅内软组 织的应力应变不会由于网格质量差而导致较大偏 差，在模型 网 格 划 分 时 对 网 格 质 量 进 行 了 控 制，见 表 2。实体单元中雅克比小于 0. 7 的单元仅占总单 元数的 2% 。
虽然这些模型对儿童颅脑损伤的研究起到了 很大的帮助，但它们都集中分布在 3 ～ 6 岁区间，难 以用于其他年龄段儿童头部损伤的研究。因此，本 研究构建了一个具有详细解剖学特征的 10 岁儿童 头部有限元 模 型，通 过 对 典 型 跌 落 事 故 的 重 建，保 证所建立的模型具有足够的生物逼真度。
Key words： head injury； finite element model； accident reconstruction； 10-year-old child
引言
随着我国乘用车逐步进入家庭，儿童乘员的数 量也在不断增加。通过对交通事故中儿童受伤情 况的调查研究发现，道路交通事故导致的儿童伤害 和死 亡 率，在 1985 ～ 1999 年 的 15 年 间 增 长 了
模型包括 195 290 个节点，23 346 个壳单元和 174 910个 6 面体单元。参照 Dekaban 等在统计儿 童头部测量学数据时描述的方法［8］，测量头部模型 中枕后隆突点到眉间点距离为头长、经过耳部上缘 水平的最大宽度为头宽、经眉弓上方突出部绕经枕 后结节一 周 的 长 度 为 头 围、颅 腔 的 容 量 为 颅 容 量， 并与 Dekaban 等统计的人体测量学统计数据进行了 对比，结果如表 1 所示： 其几何尺寸偏差小于 2% 。 表明该模型基本能够反映 10 岁儿童头部的几何特 点，可用于进一步的有限元建模。
doi： 10. 3969 / j． issn． 0258-8021. 2014. 01. 010 收稿日期： 2013-08-20，录用日期： 2013-12-23 基金项目： 国家自然科学基金（ 11172099） * 通信作者。E-mail： jjhhzz123@ 126． com
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中国生物医学工程学报
近年来，随着计算机技术和软件能力的不断提 高，数字化 仿 真 技 术 取 得 很 大 的 进 展，有 限 元 模 型 逐渐成为研究儿童头部损伤的重要手段。有限元 模型可重复 使 用，并 且 能 用 于 颅 脑 应 力、应 变 及 其 他各种相关特征参数的研究。然而，由于缺乏儿童 颅脑的材料属性和损伤极限数据，已经建立的非婴 幼儿 的 儿 童 头 部 有 限 元 模 型 非 常 有 限。2007 年 Ｒoth 等建立了 3 岁儿童头部模型，用以研究真实事 故中 儿 童 跌 倒 导 致 的 神 经 损 伤 阀 值［4］。2012 年 Ｒuan 等构建了一个比较详细的 6 岁儿童头部有限 元模型，模 型 的 仿 真 结 果 经 过 有 效 性 分 析 和 与 Nahum 尸体实验数据［5］对比，证明该模型可用于儿 童颅脑损伤的基础研究［6］。此外，本课题组在 2013 年建立了一个 3 岁儿童头部模型，该模型基本能够 预测 3 岁儿童头部骨折，可用于颅骨骨折损伤机理 和耐受限度的研究［7］。
1 有限元模型与研究方法
1. 1 头部有限元模型的建立 模型的解剖学数据，来源于美国密歇根儿童医
院一名年龄为 10 岁的儿童病人临床 CT 和 MＲI 扫
描数据。该儿童性别男，身高为 137 cm，且临床诊 断记录显示无颅脑损伤。临床数据的最小精度为 256 像素 × 256 像素，扫描间距为 2 mm。其后，采用 Mimics（ 13. 0，Materialize，Leuven，Belgium） 软件对 组织结构进行识别，通过阀值化操作控制各组织的 清晰度，获得 10 岁儿童头部的 CAD 模型。在此基 础 上，采 用 ANSYS ICEM CFD / HEXA （ 12. 0， ANSYS，Canonsburg PA，USA） 以 及 HYPEＲMESH （ 10. 0，Altair，Troy MI，USA） 软件，对几何模型进 行前处理和 网 格 划 分，建 立 了 相 对 完 整 的、具 有 详 细解剖学特征的 10 岁儿童头部有限元模型。整个 模型包 括 头 皮、颅 骨、面 骨、下 颌 骨、脑 镰、脑 幕、脑 脊液（ 集合软脑膜和蛛网膜） 、硬脑膜、大脑、小脑、 脑干和胼胝体等结构，如图 1 所示。
表 2 模型网格划分的单元质量控制 Tab． 2 Mesh quality of the FE model
质量控制参数 翘曲度 雅克比 长宽比
控制值 ＜ 49. 74
＞ 0. 4 ＜ 18. 0
质量控制参数 歪曲率
最大内角 最小内角
控制值 ＜ 63. 58 ＜ 155. 8° ＞ 25. 01°
1. 2 头部模型材料参数 由于临床医学数据精度较低，因此难以获得清
81%［1］，青少 年 头 部 撞 击 损 伤 的 发 生 率 更 是 高 达 38. 76%［2］。儿童时期所遭受的头部损伤可能导致 持续一生 的 精 神 损 害，造 成 严 重 的 社 会 和 经 济 损 失。因而，儿童颅脑损伤机理的研究及相关防护装 置的开发，成为近期的研究热点。
头部损伤生物力学的主要研究手段，有机械模
33 卷
型实验、动 物 模 型 实 验、志 愿 者 实 验 及 尸 体 模 型 实 验。机械模型实验具有较好的重复性，也便于实验 数据的测量。但是机械模型的生物逼真度有限，难 以代替生物实验。动物实验可以观察到由于承受 载荷而引起的组织破坏及病理生理学变化，但动物 与人在解剖结构和组织材料特性上存在较大的差 异，且在发育速度上也存在很大的区别。因此在利 用动物实验来研究儿童损伤时，除了需要处理动物 与人体在解剖结构和材料特性上的差异外，还须关 联动物与人在发育速度上的关系。志愿者实验是 获得最真实人体生物力学响应数据的方法，但在实 验过程中志愿者存在一定的损伤风险，这使得志愿 者实验广受批评和制约。尸体具有与活体相同的 解剖结构，是 开 展 损 伤 生 物 力 学 研 究 较 好 的 替 代 品。但由于 社 会、伦 理 和 法 律 等 方 面 的 限 制，尸 体 标本的获得受到了很大的限制，特别是儿童尸体实 验更是难以开展［3］。
33 卷 1 期 2014 年 2 月
中国生物医学工程学报 Chinese Journal of Biomedical Engineering
Vol． 33 No． 1 February 2014
10 岁儿童头部有限元模型的建立及验证
曹立波 周 舟 蒋彬辉* 张冠军
（ 湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长Байду номын сангаас 410082）
Development and Validation of the FE Model for a 10-Year-Old Child Head
CAO Li-Bo ZHOU Zhou JIANG Bin-Hui* ZHANG Guan-Jun
Abstract： In this study，the software ANSYS ICEM CFD and HYPEＲMESH was used to develop a finite element （ FE） model for 10-year-old child head with detailed anatomical characteristics． The MADYMO models of crash dummies were used to simulate the dynamic responses of an injured child in a typical falling accident from three different heights，and the motion parameters of orientation and velocity of the child head at the moment of impact were calculated． These parameters were input into the 10-year-old child head finite element model to simulate the head response during the fall impact and analyze the injury-related biomechanics parameters． Ｒesults showed that the location of maximum von-mises stress and maximum von-mises strain in the skull matched well with the impact site located on the right side of the occipital，but within their limits of tolerance． The intracranial pressure could accurately predict the injury level，while the von-mises stress could approximately recognize the traumatic location． The accident reconstruction results indicate that the constructed model has a good biofidelity and can be used for the further study of the child head injury mechanism．
摘 要： 运用 ANSYS ICEM CFD 以及 HYPEＲMESH 软件对 10 岁儿童头部几何模型进行合理的网格划分，获得具 有高度解剖学细节的 10 岁儿童头部有限元模型。利用 MADYMO 软件自带的假人，模拟一起典型跌落事故中，受 伤儿童从 3 个不同高度跌落时人体的动力学响应过程，并计算头部与地面碰撞接触瞬间的方位和速度等运动学参 数。然后将这些参数输入到 10 岁儿童头部有限元模型中，模拟头部与地面的碰撞过程，并分析与损伤相关的生物 力学参数。结果表明，颅骨的最大应力和最大应变分布在枕骨右侧，与碰撞点的位置较为吻合，但均未超过颅骨的 耐受极限。利用颅内压力可较好地预测脑组织的损伤程度，而利用脑组织的 von-mises 应力可较好地判断脑组织 的损伤位置。事故重建的结果表明，该模型具有较好的生物逼真度，可以用于儿童头部损伤生物力学的研究。 关键词： 头部损伤； 有限元模型； 事故重建； 10 岁儿童 中图分类号 Ｒ318 文献标志码 A 文章编号 0258-8021（ 2014） 01-0063-08
图 1 10 岁儿童头部有限元模型 Fig． 1 FE model of the 10 year-old child
表 1 头部几何尺寸 Tab． 1 Geomiteric parameters of the head
头部几何参数
头围 / cm
头宽 / cm
头长 / cm
颅容量 / cm3
模型（ 10 岁）
52. 8
14. 7
18. 7
1 369
人体测量学 数据（ 9 ～ 10 岁）
偏差 /%
53. 5 － 1. 3
14. 4 2. 0
18. 7 0
1 384 － 1. 0
建模过程中，脑镰、脑幕、硬脑膜以及一些接触 面等采用壳单元模拟，其余组织均采用 6 面体单元 模拟。由于 目 前 还 没 有 完 全 合 适 的 颅—脑 边 界 条
1期
曹立波，等： 10 岁儿童头部有限元模型的建立及验证
65
件的接触算法［9］，所以该模型的脑组织通过构建一 层脑脊液单元与颅骨连接，且网格连续。
为了确保模型计算过程中，颅骨以及颅内软组 织的应力应变不会由于网格质量差而导致较大偏 差，在模型 网 格 划 分 时 对 网 格 质 量 进 行 了 控 制，见 表 2。实体单元中雅克比小于 0. 7 的单元仅占总单 元数的 2% 。
虽然这些模型对儿童颅脑损伤的研究起到了 很大的帮助，但它们都集中分布在 3 ～ 6 岁区间，难 以用于其他年龄段儿童头部损伤的研究。因此，本 研究构建了一个具有详细解剖学特征的 10 岁儿童 头部有限元 模 型，通 过 对 典 型 跌 落 事 故 的 重 建，保 证所建立的模型具有足够的生物逼真度。
Key words： head injury； finite element model； accident reconstruction； 10-year-old child
引言
随着我国乘用车逐步进入家庭，儿童乘员的数 量也在不断增加。通过对交通事故中儿童受伤情 况的调查研究发现，道路交通事故导致的儿童伤害 和死 亡 率，在 1985 ～ 1999 年 的 15 年 间 增 长 了
模型包括 195 290 个节点，23 346 个壳单元和 174 910个 6 面体单元。参照 Dekaban 等在统计儿 童头部测量学数据时描述的方法［8］，测量头部模型 中枕后隆突点到眉间点距离为头长、经过耳部上缘 水平的最大宽度为头宽、经眉弓上方突出部绕经枕 后结节一 周 的 长 度 为 头 围、颅 腔 的 容 量 为 颅 容 量， 并与 Dekaban 等统计的人体测量学统计数据进行了 对比，结果如表 1 所示： 其几何尺寸偏差小于 2% 。 表明该模型基本能够反映 10 岁儿童头部的几何特 点，可用于进一步的有限元建模。
doi： 10. 3969 / j． issn． 0258-8021. 2014. 01. 010 收稿日期： 2013-08-20，录用日期： 2013-12-23 基金项目： 国家自然科学基金（ 11172099） * 通信作者。E-mail： jjhhzz123@ 126． com
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中国生物医学工程学报
近年来，随着计算机技术和软件能力的不断提 高，数字化 仿 真 技 术 取 得 很 大 的 进 展，有 限 元 模 型 逐渐成为研究儿童头部损伤的重要手段。有限元 模型可重复 使 用，并 且 能 用 于 颅 脑 应 力、应 变 及 其 他各种相关特征参数的研究。然而，由于缺乏儿童 颅脑的材料属性和损伤极限数据，已经建立的非婴 幼儿 的 儿 童 头 部 有 限 元 模 型 非 常 有 限。2007 年 Ｒoth 等建立了 3 岁儿童头部模型，用以研究真实事 故中 儿 童 跌 倒 导 致 的 神 经 损 伤 阀 值［4］。2012 年 Ｒuan 等构建了一个比较详细的 6 岁儿童头部有限 元模型，模 型 的 仿 真 结 果 经 过 有 效 性 分 析 和 与 Nahum 尸体实验数据［5］对比，证明该模型可用于儿 童颅脑损伤的基础研究［6］。此外，本课题组在 2013 年建立了一个 3 岁儿童头部模型，该模型基本能够 预测 3 岁儿童头部骨折，可用于颅骨骨折损伤机理 和耐受限度的研究［7］。
1 有限元模型与研究方法
1. 1 头部有限元模型的建立 模型的解剖学数据，来源于美国密歇根儿童医
院一名年龄为 10 岁的儿童病人临床 CT 和 MＲI 扫
描数据。该儿童性别男，身高为 137 cm，且临床诊 断记录显示无颅脑损伤。临床数据的最小精度为 256 像素 × 256 像素，扫描间距为 2 mm。其后，采用 Mimics（ 13. 0，Materialize，Leuven，Belgium） 软件对 组织结构进行识别，通过阀值化操作控制各组织的 清晰度，获得 10 岁儿童头部的 CAD 模型。在此基 础 上，采 用 ANSYS ICEM CFD / HEXA （ 12. 0， ANSYS，Canonsburg PA，USA） 以 及 HYPEＲMESH （ 10. 0，Altair，Troy MI，USA） 软件，对几何模型进 行前处理和 网 格 划 分，建 立 了 相 对 完 整 的、具 有 详 细解剖学特征的 10 岁儿童头部有限元模型。整个 模型包 括 头 皮、颅 骨、面 骨、下 颌 骨、脑 镰、脑 幕、脑 脊液（ 集合软脑膜和蛛网膜） 、硬脑膜、大脑、小脑、 脑干和胼胝体等结构，如图 1 所示。
表 2 模型网格划分的单元质量控制 Tab． 2 Mesh quality of the FE model
质量控制参数 翘曲度 雅克比 长宽比
控制值 ＜ 49. 74
＞ 0. 4 ＜ 18. 0
质量控制参数 歪曲率
最大内角 最小内角
控制值 ＜ 63. 58 ＜ 155. 8° ＞ 25. 01°
1. 2 头部模型材料参数 由于临床医学数据精度较低，因此难以获得清
81%［1］，青少 年 头 部 撞 击 损 伤 的 发 生 率 更 是 高 达 38. 76%［2］。儿童时期所遭受的头部损伤可能导致 持续一生 的 精 神 损 害，造 成 严 重 的 社 会 和 经 济 损 失。因而，儿童颅脑损伤机理的研究及相关防护装 置的开发，成为近期的研究热点。
头部损伤生物力学的主要研究手段，有机械模