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篇1

關(guān)鍵詞：損傷機(jī)理；兒童約束系統(tǒng)（CRS）； 有限元模型； 保護(hù)措施

中圖分類號：U461.91文獻(xiàn)標(biāo)文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文獻(xiàn)標(biāo)DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2012.01.003

Study on the Child Passenger Injury Mechanism and Protection Measures

Cao Libo， Zhang Ruifeng， Liu Yao

（State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body，Hunan University，Changsha，Hunan 410082，China）

Abstract：The anatomy of children's physical characteristics and injury mechanisms were analyzed. The development of the child head and chest FE models and the improvement of the child dummy model were introduced. Then, two new kinds of child restraint systems (CRS), multi-function system and integrated system, were proposed. Computational simulation results show that these two kinds of child restraint systems can provide effective protection for child occupants.

Keywords：injury mechanism；child restraint systems (CRS)；FE model；protection measures

根據(jù)中國公安部交通管理局的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，在2005年至2008年期間中國分別有6 082名、5 269名、4 766名、4 243名15歲以下的兒童在交通事故中喪生 [1]。盡管這些數(shù)字在每年總體交通事故傷亡中所占比例并不大，但在中國每個家庭只有一個孩子的政策下，孩子的傷亡對家庭來說是巨大災(zāi)難。因此，兒童乘員的安全問題越來越受到國家、社會和家庭的重視。而在美國，因為強(qiáng)制實施了兒童乘車安全法規(guī)，從1975年至2008年期間，兒童約束系統(tǒng)（Child Restraint Systems，CRS）至少挽救了8 959名兒童的生命，2008年只有1 347名14歲及以下的兒童因車禍死亡[2]。

目前，由于兒童生物力學(xué)試驗數(shù)據(jù)缺乏，研究人員通常通過對成人的數(shù)據(jù)進(jìn)行縮放來研究兒童的損傷機(jī)理及進(jìn)行數(shù)值分析[3]。然而，兒童和成人在身體結(jié)構(gòu)上存在顯著的差異，兒童并不是縮小版的成人，損傷機(jī)理也有所不同。成人使用的乘員約束系統(tǒng)不能對兒童起到有效的保護(hù)作用，甚至還可能對兒童造成傷害。因此，研究兒童乘員損傷機(jī)理及相關(guān)保護(hù)措施具有重要意義。

1 兒童生理解剖學(xué)特征

1.1 比例特征

兒童頭部大而重，體干長、腿短，這是與成人明顯不同的生理解剖學(xué)比例特征。

在不同的年齡階段，頭部占身體的比重有很大的差別。據(jù)有關(guān)資料顯示，嬰兒頭部重量約為其體重的一半，3歲和6歲的時候，頭部重量占其體重約為18%和16%，而成人頭部重量只占其體重的6%，如圖1所示[3]。 

從兒童頭部占身體長度的比例來看，不同的年齡也有很大的差別。新生兒的頭部占身長的1/4，而成人的頭部只占身長的1/7。圖2反映了典型時期兒童頭部與身體的比例關(guān)系。

體干長度占身體長度的比例也是隨年齡的增長而發(fā)生變化的。兒童出生時的體干長度占身長的比例約為70%，3歲時約為57%，女孩13歲或男孩15歲時約為50%。新生嬰兒身長的中點略高出肚臍，到2歲時在肚臍的下方，16歲時身長的中點接近恥骨[4]。

1.2 結(jié)構(gòu)特征

1.2.1 頭部

兒童的頭部形狀與成人的頭部形狀有很大差別，如圖4所示。兒童的面部較短，占整個頭部的面積較小；頭蓋骨在前后方向的長度明顯比成人的長；嬰兒的面部與頭蓋骨的面積比為1∶8，而成人為1∶2.5。嬰兒的前額高而突出，使面部藏在質(zhì)量較大的腦殼下方[4]。

嬰兒顱骨是由薄且富有彈性的骨頭拼接而成的，骨頭之間的連接非常靈活，整個顱骨非常柔軟，且腦組織發(fā)育尚不完全，占顱內(nèi)容積比例相對。嬰兒的顱骨是不完整的，存在未封閉的孔洞，即泉門。嬰兒出生兩個月內(nèi)后泉門封合，側(cè)泉門在5～6個月間開始封合，前泉門在1～2歲間封合。頭顱骨頭之間的骨縫封合到3歲才逐漸完成。對3歲兒童來說，泉門基本已封合，頭顱結(jié)構(gòu)由人字縫、縱分面骨縫、矢狀縫冠狀縫等構(gòu)成。

根據(jù)Sebastien Rotha的研究[5]，兒童頭顱的楊氏模量是隨年齡的不同而發(fā)生變化的。在6歲以前頭顱楊氏模量較小且增長率較大，6歲后楊氏模量開始緩慢增長，直到20歲以后基本達(dá)到穩(wěn)定。圖5表明了不同年齡階段兒童頭顱靜態(tài)楊氏模量的變化情況。

兒童大腦的幾何形狀也在不斷變化。圖6展示了6個月、20個月、3歲兒童和成年人大腦幾何形狀的演化情況。

1.2.2 頸部

頸部對兒童來說也是容易受傷的重要身體部位。幼兒的頸椎椎體中心和椎弓是由軟骨形成的棘突起、橫突起和成長軟骨板連接起來的。環(huán)椎和軸椎在4～6歲間是不完全結(jié)合的[4]。成人的長軟骨板與椎體融合，形成鉤狀突起和分成兩片的棘突起。兒童頸椎的椎間腔較大，椎間關(guān)節(jié)的角度也隨著年齡而變化。12歲時主要骨化過程完成并開始局部的第2次骨化，到成人時第2次骨化過程完成。

1.2.3 胸腔

新生兒的胸部橫剖面接近圓形，隨著年齡的增長，胸部的橫向直徑增大，橫剖面逐漸呈橢圓形。新生兒的胸部周長比頭部小，到1歲時就等于或略大于頭部周長。

嬰兒胸腔壁薄，胸廓相對表面積大，胸部肋骨接近水平，而且肋骨鈣質(zhì)少，骨性胸壁彈性好。胸部在突然遭受沖擊時，雖然不容易出現(xiàn)并發(fā)肋骨、胸骨骨折，但易造成支氣管斷裂和血氣胸。

1.2.4 骨盆

構(gòu)成兒童骨盆的髂骨、坐骨和恥骨之間由軟骨連接，且連接較松弛。七八歲時坐骨和恥骨骨化，12～14歲時Y狀軟骨骨化，18～22歲時骨盆完全骨化。碰撞過程中，在安全帶直接跨過兒童盆骨的情況下，很容易損傷兒童的髂骨、坐骨和恥骨等骨骼。圖7所示為兒童和成人的骨盆結(jié)構(gòu)比較。

1.2.5 四肢

兒童四肢的骨骼大部分是長骨。四肢的腕骨骨骼和踩骨骨骼在1～14歲間逐漸骨化；長骨在1～20歲間逐漸骨化；膝蓋骨完全骨化在青春期；肩腫骨在25歲左右才能完全發(fā)育成熟。

2 兒童損傷機(jī)理

兒童損傷主要可分為兩種形式，侵入損傷和非侵入損傷。侵入損傷一般由高速彈出物或是低速尖銳物體對兒童的撞擊導(dǎo)致。非侵入損傷是由鈍物與兒童有大面積的相撞導(dǎo)致。

頭部和頸椎是兒童受傷頻率最高同時也最易受到嚴(yán)重?fù)p傷的身體部位。兒童乘員的頭部較重，相對身體重心較高，頸部結(jié)構(gòu)柔弱、肌肉不發(fā)達(dá)，碰撞事故中因受到?jīng)_擊和慣性力矩的作用，頭部急速向前作拋物線運(yùn)動，容易與汽車內(nèi)部碰撞，發(fā)生顱腦外傷。頸椎在頭部的運(yùn)動下受到較大的拉力和彎矩作用，脊髓會受到拉伸―彎曲形式的傷害。

兒童乘員胸部受到安全帶的勒緊作用而產(chǎn)生過大壓縮量時，胸腔內(nèi)臟器官在壓力和剪切力作用下易受損傷，尤其是肺挫傷。另外，胸腔縱膈膜的移位易導(dǎo)致心臟變位、大動脈折曲及肺和食道受壓。

兒童的胸廓位置較高，肝臟和脾臟的大部分位于胸廓外，在外力壓迫下腹部的內(nèi)臟器官易受損傷。尤其是肝臟，容易受傷且傷后致死率高。兒童的大腸、小腸和膀胱都不完全處于骨盆內(nèi)部，這些器官也容易受傷。作用力過大也可能造成胃穿孔。

兒童骨盆未發(fā)育成熟的皮質(zhì)骨是多孔的，在碰撞側(cè)可產(chǎn)生塑性畸形、青枝骨折和恥骨骨折。兒童骨盆關(guān)節(jié)松弛，傷后容易產(chǎn)生單塊骨折，活躍的骨骺生長板損傷可引起晚期畸形。

兒童骨組織中的水分和有機(jī)物質(zhì)（骨膠元）多，而無機(jī)鹽（磷酸鈣、碳酸鈣）少，這些結(jié)構(gòu)特點使骨的彈性較好而堅固性較差，在彎矩的作用下，兒童骨雖不容易完全折斷，但易于發(fā)生彎曲和變形。

表1列出了在碰撞事故中兒童不同身體部位存在的損傷特點。

據(jù)統(tǒng)計，在正面碰撞過程中，身體各部位受傷頻率見表2。

兒童在不同年齡和體重的情況下保護(hù)要求也各有不同，見表3。

因此，汽車兒童安全座椅應(yīng)該能在以下狀況保護(hù)兒童的乘車安全：（1）正面碰撞或緊急制動時，能有效防止兒童身體過度向前運(yùn)動，避免頭部二次碰撞，也不能因為安全帶等的定位不佳而下潛。（2）側(cè)面碰撞時，靠背側(cè)翼和頭枕側(cè)翼能有效地保護(hù)兒童的軀干和頭部。（3）后碰撞時，靠背和頭枕能承托住兒童的軀干和頭部，避免兒童頸部損傷。（4）側(cè)翻時，安全座椅不能松脫，兒童身體不能脫離安全座椅。（5）兒童睡覺時，能保證兒童身體不會嚴(yán)重歪斜，以免碰撞時受到傷害。

3 兒童安全法規(guī)

目前全世界有超過40個國家出臺了相關(guān)的法規(guī)，強(qiáng)制規(guī)定兒童乘車必須使用汽車兒童安全座椅，主要包括：歐洲ECE R44/04標(biāo)準(zhǔn)、美國FMVSS213、加拿大CMVSS213、日本JIS、澳洲AS1754、英國BS3254等。其中，歐洲的ECE R44標(biāo)準(zhǔn)由于其全面和嚴(yán)格，被許多國家借鑒和采用。由中國汽車技術(shù)研究中心等單位制定的《機(jī)動車兒童乘員用約束系統(tǒng)》強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)通過相關(guān)部門審批，預(yù)計在2012年1月起正式實行。

4 兒童模型

近10年來，由于計算機(jī)水平和軟件能力的迅速提高，數(shù)值模擬技術(shù)取得很大的進(jìn)展。研究人員已經(jīng)開發(fā)出成年人的詳細(xì)人體模型來研究碰撞中的乘員損傷機(jī)理和損傷防護(hù)。然而，在全世界范圍內(nèi)，兒童模型的開發(fā)還非常有限。建立和改進(jìn)兒童有限元模型對開展深入的兒童損傷機(jī)理和防護(hù)措施研究具有重要的指導(dǎo)意義。

4.1兒童頭部有限元模型

為了評估兒童腦部和頭骨在交通事故中的損傷，湖南大學(xué)已經(jīng)與美國韋恩州立大學(xué)合作基于顱腦解剖學(xué)結(jié)構(gòu)建立系列的兒童頭部有限元模型，包括1.5歲、3歲、6歲和10歲的兒童模型。這些模型主要包括小腦、腦干、大腦、胼胝體、腦脊液、顱骨的骨密質(zhì)、骨疏質(zhì)、皮膚、下顎骨、面顱骨等結(jié)構(gòu)。圖8為3歲兒童頭部有限元模型，該模型已經(jīng)利用LS-DYNA軟件進(jìn)行數(shù)值計算，并將計算結(jié)果與事故損傷數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，驗證了模型的有效性，如圖9所示。

4.2 兒童胸部有限元模型

基于解剖學(xué)特征建立的兒童胸部有限元模型包括肋骨、軟肋骨、胸骨、皮膚、內(nèi)臟器官和軟組織等結(jié)構(gòu)特征。圖10為10歲兒童胸部有限元模型。

該模型通過仿真得到胸部力―變形曲線，如圖11所示。將仿真結(jié)果與通過人工擠壓心肺試驗得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，部分驗證了模型的有效性，如圖12所示。

4.3 改進(jìn)的兒童多剛體有限元模型

MADYMO軟件中提供的兒童多剛體模型是成人多剛體模型的縮放模型。盆骨和脊椎的生物逼真度較差，使用這些模型進(jìn)行碰撞仿真的結(jié)果不能如實反映兒童的真實動力學(xué)響應(yīng)和損傷情況。

為了提高M(jìn)ADYMO兒童多剛體模型的生物逼真度，湖南大學(xué)和美國密西根大學(xué)合作改進(jìn)了6歲兒童假人多剛體模型，如圖13和圖14所示。該模型增加了3個小平面網(wǎng)格模擬骨盆、腹部和脊椎，并在脊椎上面增加了一個自由鉸，使其獲得更高的生物逼真度[6]。

采用改進(jìn)后的兒童假人對兩起事故案例Ⅰ、Ⅱ進(jìn)行了重建，如圖15所示。結(jié)果表明，改進(jìn)后的模型能夠更加準(zhǔn)確地反映兒童在碰撞過程中的真實運(yùn)動狀態(tài)，仿真得到的損傷參數(shù)也與碰撞事故中的兒童真實損傷情況吻合。

5 新型兒童安全座椅

兒童安全座椅可以在汽車碰撞過程中將兒童束縛在座椅上，通過將碰撞過程中兒童受到的沖擊力分散到兒童身體上最耐撞的部分（如背部、四肢、骨盆、胸部等），避免中央神經(jīng)系統(tǒng)（大腦和脊髓）及重要的內(nèi)臟器官受到傷害，從而起到保護(hù)兒童的作用。

5.1 多功能兒童安全座椅

針對中國家庭購買兒童安全座椅的意愿還不夠強(qiáng)烈的現(xiàn)狀，將兒童安全座椅與手推車結(jié)合的多功能兒童安全手推車是一種促進(jìn)兒童安全座椅使用的方案，如圖16所示。 作為手推車功能使用時，兒童安全座椅可以與手推車支架很好地配合，達(dá)到常規(guī)手推車的功能要求。在車輛上使用時，多功能兒童安全座椅可以與配有ISOFIX的裝置前向和后向安裝，也可與普通的成人安全帶配合安裝。

5.2 集成式兒童安全座椅

集成式兒童安全座椅是未來兒童安全座椅的發(fā)展趨勢。圖17所示的集成式兒童安全座椅集成在汽車后排座椅的中部。該座椅能夠根據(jù)兒童的身高自動調(diào)節(jié)，使座椅處于一個對兒童最佳的保護(hù)狀態(tài)。

圖18為采用P6假人利用MADYMO軟件對座椅進(jìn)行正面碰撞仿真的情況。

表4給出了50 km/h碰撞速度下兒童乘員損傷參數(shù)的峰值以及法規(guī)參考值，主要有HIC15，頭部3 ms合成加速度aH，胸部3 ms合成加速度aT，胸部垂直加速度aTZ，頸部沿Z軸方向的力FZ以及頸部繞Y軸方向的力矩MY，所有的損傷參數(shù)均比法規(guī)值要小，表明該集成式兒童約束系統(tǒng)在正面碰撞中能對兒童起到有效的保護(hù)作用。

6 結(jié)論

盡管國外在兒童安全保護(hù)方面的研究已經(jīng)有較長的歷史，兒童安全法規(guī)也已經(jīng)實施，這些對于改善兒童乘車安全起到了較大作用，但是，由于各方面的原因，兒童生物力學(xué)試驗數(shù)據(jù)缺乏，兒童損傷機(jī)理方面的研究仍然進(jìn)展緩慢，這在一定程度上影響了兒童保護(hù)措施的進(jìn)一步改進(jìn)。因此，結(jié)合中國的實際情況，進(jìn)一步深入開展兒童生物力學(xué)特性及損傷機(jī)理研究，建立系列兒童模型和兒童假人模型，具有重要的理論意義和實用價值。

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