由于可用于實驗的兒童尸體的缺乏，采用具有較高生物仿真度的胸部有限元模型是研究兒童胸部損傷機理的重要手段。在已驗證有效性的 6 歲兒童胸部有限元模型基礎上構建了等效肌肉模型和具有真實幾何形狀的肌肉模型，通過重構兒童胸部正碰尸體實驗分析肌肉生物仿真度對胸部損傷的影響。對比實驗結果表明，等效肌肉模型的胸部接觸力、胸部最大壓縮量和肋骨最大范梅塞斯應力稍大于真實肌肉模型；心臟和肺的最大主應變都略小于真實肌肉模型；真實肌肉模型曲線與尸體實驗通道的相關性要大于等效肌肉模型。通過以上對比，本文研究結果認為具有真實幾何形狀肌肉的兒童胸部有限元模型應該能更準確地反映胸部受到碰撞時的生物力學響應。
引用本文： 崔世海, 單蕾蕾, 李海巖, 呂文樂, 賀麗娟, 阮世捷. 肌肉生物仿真度對六歲兒童胸部碰撞生物力學響應的影響. 生物醫學工程學雜志, 2017, 34(1): 41-47. doi: 10.7507/1001-5515.201606045 復制
引言
意外傷害是導致我國兒童死亡的主要原因，其中胸部損傷是僅次于顱腦損傷導致兒童死亡的第二大主因，死亡率達 5%[1-2]。車禍是導致兒童胸部損傷的首要原因，其次是墜落傷[2]。兒童胸部遭受外部撞擊時，胸部產生較大變形容易產生肋骨骨折、肺挫傷、血氣胸等。研究兒童胸腹部損傷機理及其耐受極限對兒童的胸腹部保護和臨床應用都具有重要意義。兒童尸體實驗是研究兒童胸腹部損傷的重要手段，Ouyang 等[3]和 Kent 等[4-5]分別應用兒童尸體樣本對兒童胸部的生物力學響應特性和耐受極限進行了研究，但由于倫理原因兒童尸體樣本獲取極其困難，導致采用尸體進行實驗受到了極大的限制。隨著計算機技術的發展，通過構建高生物仿真度的人體有限元模型進行碰撞仿真分析成為研究兒童損傷機理的重要手段[6-8]。目前國內外關于構建具有真實解剖學結構的兒童胸部有限元模型方面文獻較少。Jiang 等[9]構建了具有詳細解剖特征的 10 歲兒童胸部有限元模型并驗證了其有效性，同時對靜態加載條件下的胸部損傷進行了分析，但該模型中沒有采用真實解剖學結構的肌肉組織，而是采用膜單元來代替肌肉模型。Lv 等[10]構建了具有詳細解剖學結構的 6 歲兒童胸腹部有限元模型并驗證了模型的有效性，對其進行了損傷分析。
在真實碰撞事故中，安全帶首先接觸胸部的皮膚，通過脂肪和肌肉將撞擊力傳遞到肋骨直至內臟各器官。肌肉受力極易產生變形，但肌肉在壓縮過程中會吸收部分能量，因此肌肉的變形對作用于骨骼和內臟的撞擊力起到了一定的緩沖作用。在解剖學中人體胸腹部肌肉是細致分開的，每塊肌肉對人體必要的生理活動起到了不同的作用。但在有限元模型中建立真實的肌肉模型較難，很多模型中采用等效肌肉近似代替真實肌肉模型，但等效肌肉為規則的肌肉模型，并不能在碰撞中以較高的仿真度模擬人體中不同肌肉之間的相互作用以及不同肌肉對人體損傷生物力學響應的影響，因此有必要具體分析真實肌肉和等效肌肉模型在碰撞中對兒童胸部損傷的影響。本研究利用具有真實幾何形狀肌肉和等效肌肉的胸部有限元模型討論肌肉生物仿真度對胸部碰撞生物力學響應的影響，探究構建具有真實解剖學結構胸腹部有限元模型在碰撞仿真模擬中的必要性。
1 材料與方法
1.1 模型構建
在本課題組前期研究基礎上，對 Lv 等[10]所構建的含有心臟、肺等解剖學結構的 6 歲兒童胸腹部有限元模型進一步細化，分別構建了具有真實幾何形狀的肌肉模型和等效肌肉模型。構建等效肌肉模型時，先根據電子計算機斷層掃描（computed tomography，CT）數據采用 3D 圖像生成及編輯處理軟件物質交互醫學影像控制系統（materialise's interactive medical image control system，Mimics）提取皮膚幾何模型，然后利用有限元網格劃分軟件 HyperMesh 在骨骼模型外構建一層殼單元，從殼單元向皮膚所在的幾何模型拉伸網格，生成肌肉六面體單元。構建具有真實幾何形狀的肌肉模型時要根據解剖學結構利用 Mimics 提取每塊肌肉的幾何模型，采用逆向工程軟件 Geomagic Studio 對幾何模型進行平滑處理并劃分曲面片，然后利用 Hyper-Mesh 軟件進行有限元網格劃分，得到具有真實幾何形狀的肌肉模型。如圖 1 所示，為不含肌肉、具有等效肌肉和具有真實幾何形狀肌肉的 3 種六歲兒童胸部有限元模型，其中具有真實幾何形狀肌肉的胸部有限元模型中的肌肉采用六面體單元，肌肉與骨骼之間的肌腱采用殼單元過渡，肌肉與肌肉之間的縫隙采用脂肪填充，仿真計算時相互之間定義接觸。無肌肉模型、等效肌肉模型和真實肌肉模型的網格數分別為 116 335、172 590、379 658 個，節點數分別為 108 019、160 199、287 216 個。有限元模型材料參數參考 Lv 等[10]所采用的材料參數。
圖1
無肌肉、具等效肌肉和具真實肌肉的六歲兒童胸部有限元模型
Figure1.
Finite element models of thorax of the 6-year-old child, with no muscles, with equivalent muscles, and with real geometric muscles, respectively
1.2 仿真設置
Ouyang 等[3]進行了兒童尸體胸部撞擊實驗，用直徑 5 cm、質量 2.5 kg 和直徑 7.5 cm、質量 3.5 kg 的撞錘以 6 m/s的速度撞擊不同年齡兒童尸體樣本的胸部，研究其胸部損傷機理。本研究參考 Ouyang 等[3]尸體實驗條件，構建了直徑 7.5 cm、質量 3.5 kg的剛性撞錘，應用基于動態顯式算法的有限元仿真軟件 Pam-Crash 對如圖 1 所示的 3 個模型進行碰撞仿真加載，撞錘速度為 6 m/s，撞錘軸線指向胸骨體中心，端面平行于胸骨體，整個碰撞求解時間為 40 ms。如圖 2 所示為具有真實肌肉的胸部有限元模型的碰撞仿真過程，其中當 t=13 ms時，胸部壓縮量達到最大，之后進入回彈階段。
圖2
兒童胸部有限元模型仿真過程
Figure2.
Simulation process of thorax finite element model
2 結果與討論
2.1 肌肉生物仿真度對胸部位移和接觸力的影響分析
如圖 3 所示，為不含肌肉、具有等效肌肉和真實肌肉的三種胸部模型在撞擊速度為 6 m/s下的壓縮量-接觸力曲線與尸體實驗通道的對比，從圖中可以看出不含肌肉的胸腹部模型的壓縮量-接觸力曲線大部分位于尸體實驗通道外，說明在構建有限元模型時必須考慮肌肉對其生物力學響應的影響。含有等效肌肉和真實肌肉的兩種模型的撞擊力-位移曲線都位于尸體實驗通道內，且二者變化趨勢基本吻合，但等效肌肉模型的最大接觸力和最大壓縮量都略大于真實肌肉模型（1 040 N>909 N，55 mm>51 mm）。真實肌肉有限元模型是按照真實人體胸部解剖學結構構建，肌肉與肌肉之間、肌肉與骨骼之間通過肌腱連接，并且在仿真求解時互相之間定義接觸，從模型構建角度來看，每塊真實肌肉之間必然存在微小的空隙，肌肉間的空隙應由脂肪來填充；而等效肌肉模型將所有肌肉作為一個整體，因而等效肌肉之間不存在空隙也不需要定義接觸，肌肉的密度高于脂肪的密度。此外，在仿真實驗中，真實肌肉模型定義的接觸在碰撞過程中也會產生相互作用，因此導致真實肌肉模型中的接觸力和位移略小于等效肌肉模型，從而會對實驗結果產生一定的影響。
圖3
3 種兒童胸部模型的撞擊力-壓縮量曲線
Figure3.
Thoracic Force-displacement curves of three finite element models
根據仿真實驗結果，應用統計、分析數據軟件 MINITAB 分析了具有等效肌肉、真實肌肉有限元模型實驗結果與文獻[3]中尸體實驗結果通道的相關性。結果表明，等效肌肉模型接觸力-位移曲線與尸體實驗通道上下邊界結果的相關系數分別為 0.694 和 0.670，而真實肌肉模型接觸力-位移曲線與尸體實驗通道上下邊界結果的相關系數分別為 0.863 和 0.850，可以看出真實肌肉模型與尸體實驗通道的相關性要大于等效肌肉模型。
因此，相對于以具有等效肌肉的胸部模型進行計算的結果而言，采用具有真實肌肉的兒童胸部模型仿真得到的結果與兒童尸體實驗結果更為接近，其生物仿真度較高。
2.2 肌肉生物仿真度對肋骨損傷的影響
如圖 4 所示，為撞錘以 6 m/s的速度撞擊胸部時胸腔肋骨的范梅塞斯應力云圖，3 種胸部模型的最大等效應力集中在左 2、3 肋，可見此處出現骨折的概率較大。不含肌肉的模型的最大等效應力出現在第 6 ms，最大值為 55.8 MPa，等效肌肉和真實肌肉模型的最大等效應力分別出現在第 17 ms 和 16 ms，最大值分別為 70.7 MPa 和 64.8 MPa。6 歲兒童肋骨的屈服應力極限為 71.655 MPa[10]，根據仿真計算得到的最大應力可知碰撞中兒童肋骨不會出現骨折現象，尸體實驗尸檢結果也表明兒童肋骨未出現骨折現象[3]。碰撞中，無肌肉模型在受到撞錘撞擊時未經過肌肉和脂肪的緩沖直接與胸骨和肋軟骨接觸，接觸力經肋軟骨橫向傳遞到左、右肋骨，由于缺少肋間肌、胸大肌以及前鋸肌的約束，肋骨出現較大幅度的移動；而等效肌肉和真實肌肉模型肋骨由于肌肉的約束作用，無法產生較大幅度的移動，僅通過變形來抵抗接觸力，所以無肌肉模型的肋骨最大等效應力小于有肌肉模型。對比等效肌肉與真實肌肉胸部模型的仿真結果發現，等效肌肉模型肋骨的最大等效應力略大于真實肌肉模型，這是由于等效肌肉與肋骨的共節點連接，較大程度上限制了肋骨的運動。由此可知，采用胸部有限元模型進行碰撞仿真時，建模時采用真實肌肉還是等效肌肉確實對肋骨的生物力學響應結果有影響。
圖4
3 種胸部模型的肋骨范梅塞斯應力云圖
Figure4.
Von-mises stress contour of ribs of three finite element models
2.3 肌肉生物仿真度對內臟損傷的影響
在肺的損傷研究中，Stitzel 等[11]利用試驗與仿真相結合的辦法指出在有限元模型中，利用第一主應變能較好地預測肺部的高顯影損傷，并給出預測高顯影損傷的第一主應變容忍極限值約為 28.4%。如圖 5、圖 6 所示是撞擊速度為 6 m/s時 3 種胸部模型的左肺和右肺的應變云圖。無肌肉模型、等效肌肉模型和真實肌肉模型的左肺最大第一主應變分別為 66.3%、53.6%、57.7%，右肺第一主應變分別為 60.3%、46.7%、57.0%，可以看出沒有肌肉和脂肪緩沖的無肌肉模型在受撞擊后肺部的第一主應變的值最大，受損傷程度最嚴重，等效肌肉模型中肺的最大第一應變值明顯低于真實肌肉模型，這主要是由于等效肌肉建模時將肌肉和脂肪作為一個整體，在撞擊時其對撞擊的緩沖程度大于真實肌肉。3 種模型計算得到的最大第一主應變值均遠超過肺部損傷閾值（28.4%），可判斷肺部均出現嚴重挫傷，在 Ouyang 等[3]胸部尸體實驗中也檢測到了不同程度的氣胸或胸腺出血損傷。肺部損傷主要集中在肺部外表面與肋骨和肋軟骨接觸的部分、與心臟擠壓的肺部下葉內表面以及有支氣管出入的肺門部位。肺部不同位置的損傷具有不同的損傷機理：肺部外表面與肋骨、肋軟骨接觸的部分及肺部下葉內表面的肺挫傷，主要是由于碰撞導致胸腔變形使胸腔容積驟然改變，所產生的壓力或壓力波通過胸壁傳遞到肺部組織，造成肺部的挫傷；與支氣管、肺血管相連的肺門處產生損傷，主要是由于肺部受到碰撞擠壓時，肺部的變形速度遠高于支氣管和肺血管的變形速度，使得兩者間產生較大的相對速度，導致肺部受到支氣管等的拖拽，造成肺門部分的肺部組織挫傷。文獻[3]中，兒童尸體實驗尸檢結果中檢測到了不同程度的氣胸或胸腺出血損傷，可以看到仿真結果與尸體實驗結果一致。
圖5
3 種胸部模型的左肺第一主應變云圖
Figure5.
First principal strain contour of the left lung of three models
圖6
3 種胸部模型的右肺第一主應變云圖
Figure6.
First principal strain contour of the right lung of three models
Yamada 等[12]的研究表明，0~9 歲兒童心肌的極限拉伸應變為 62.6%±6.9%，當第一主應變達到 30%時心肌組織便開始出現挫傷，因此將心臟發生一般性挫傷的第一主應變損傷容忍極限值定為 30%。如圖 7 所示 3 種胸部模型心臟的應變云圖。無肌肉模型、等效肌肉模型、真實肌肉模型的心臟最大第一主應變分別為 50.5%、35.8%、40.2%，可知無肌肉和脂肪緩沖的胸部模型的心臟最大主應變明顯高于等效肌肉和真實肌肉模型，等效肌肉模型的心臟最大第一主應變低于真實肌肉模型，這也主要是由于等效肌肉模型對撞擊的緩沖大于真實肌肉模型導致的。采用等效肌肉模型和真實肌肉模型仿真獲得的心臟最大第一主應變值相近且稍高于損傷閾值（30%），可見碰撞會致使心臟出現輕微挫傷，而未產生破裂傷。從圖 7 中可以看出心臟損傷的位置集中在與椎骨接觸的心臟外表面。文獻[3]中并沒有報告心臟是否損傷，但采用胸部有限元模型進行仿真可以預測碰撞中心臟的損傷狀況。
圖7
3 種胸部模型的心臟第一主應變云圖
Figure7.
First principal strain contour of the heart of three models
對等效肌肉胸部模型和真實肌肉胸部模型碰撞時內臟的時間-應變曲線研究表明，等效肌肉模型中，心臟、左肺、右肺達到失效值的時間分別為 6.8 ms、7.4 ms、4.4 ms，而真實肌肉模型中心臟、左肺、右肺達到失效值的時間分別為 6.4 ms、6.9 ms、4.2 ms，可以看出，等效肌肉有限元模型的心臟和左、右肺達到失效的時間稍遲于真實肌肉有限元模型，這主要是由于等效肌肉模型之間沒有空隙，在受到撞擊時等效肌肉的緩沖作用要大于真實肌肉。
采用胸部有限元模型進行碰撞仿真時等效肌肉和真實肌肉對碰撞中內臟的生物力學響應影響是不同的，由于真實肌肉模型具有更高的生物仿真度，其仿真結果應該更可靠。
3 結論
本文構建了具有真實肌肉和等效肌肉的六歲兒童胸腹部有限元模型，應用該模型分析了肌肉的生物仿真度對胸部碰撞生物力學響應的影響，采用等效肌肉的胸部模型仿真得到的內臟最大第一主應變值小于真實肌肉模型，而且從等效肌肉和真實肌肉胸部模型的接觸力-變形曲線仿真結果與尸體實驗結果通道的相關性來看，具有真實肌肉模型的仿真結果與通道的相關性要大于等效肌肉模型。等效肌肉雖然整齊有序，但難以代表真實肌肉的幾何形狀以及每條肌肉起到的作用，真實肌肉模型具有更高的生物仿真度，應該能夠更準確地表征胸部的生物力學響應，并可用于研究兒童胸部的損傷機理。在胸部有限元建模中構建具有真實幾何形狀肌肉的模型是很有必要的。
人體中的肌肉在受到刺激時會產生主動收縮現象，本文中構建的肌肉模型雖然具備了真實肌肉的幾何形狀，但現有的肌肉力學模型無法準確表征肌肉的主動收縮現象，因此今后的研究中應進一步探討如何在保證肌肉真實幾何形狀的條件下又能準確表征肌肉的主動收縮現象。
引言
意外傷害是導致我國兒童死亡的主要原因，其中胸部損傷是僅次于顱腦損傷導致兒童死亡的第二大主因，死亡率達 5%[1-2]。車禍是導致兒童胸部損傷的首要原因，其次是墜落傷[2]。兒童胸部遭受外部撞擊時，胸部產生較大變形容易產生肋骨骨折、肺挫傷、血氣胸等。研究兒童胸腹部損傷機理及其耐受極限對兒童的胸腹部保護和臨床應用都具有重要意義。兒童尸體實驗是研究兒童胸腹部損傷的重要手段，Ouyang 等[3]和 Kent 等[4-5]分別應用兒童尸體樣本對兒童胸部的生物力學響應特性和耐受極限進行了研究，但由于倫理原因兒童尸體樣本獲取極其困難，導致采用尸體進行實驗受到了極大的限制。隨著計算機技術的發展，通過構建高生物仿真度的人體有限元模型進行碰撞仿真分析成為研究兒童損傷機理的重要手段[6-8]。目前國內外關于構建具有真實解剖學結構的兒童胸部有限元模型方面文獻較少。Jiang 等[9]構建了具有詳細解剖特征的 10 歲兒童胸部有限元模型并驗證了其有效性，同時對靜態加載條件下的胸部損傷進行了分析，但該模型中沒有采用真實解剖學結構的肌肉組織，而是采用膜單元來代替肌肉模型。Lv 等[10]構建了具有詳細解剖學結構的 6 歲兒童胸腹部有限元模型并驗證了模型的有效性，對其進行了損傷分析。
在真實碰撞事故中，安全帶首先接觸胸部的皮膚，通過脂肪和肌肉將撞擊力傳遞到肋骨直至內臟各器官。肌肉受力極易產生變形，但肌肉在壓縮過程中會吸收部分能量，因此肌肉的變形對作用于骨骼和內臟的撞擊力起到了一定的緩沖作用。在解剖學中人體胸腹部肌肉是細致分開的，每塊肌肉對人體必要的生理活動起到了不同的作用。但在有限元模型中建立真實的肌肉模型較難，很多模型中采用等效肌肉近似代替真實肌肉模型，但等效肌肉為規則的肌肉模型，并不能在碰撞中以較高的仿真度模擬人體中不同肌肉之間的相互作用以及不同肌肉對人體損傷生物力學響應的影響，因此有必要具體分析真實肌肉和等效肌肉模型在碰撞中對兒童胸部損傷的影響。本研究利用具有真實幾何形狀肌肉和等效肌肉的胸部有限元模型討論肌肉生物仿真度對胸部碰撞生物力學響應的影響，探究構建具有真實解剖學結構胸腹部有限元模型在碰撞仿真模擬中的必要性。
1 材料與方法
1.1 模型構建
在本課題組前期研究基礎上，對 Lv 等[10]所構建的含有心臟、肺等解剖學結構的 6 歲兒童胸腹部有限元模型進一步細化，分別構建了具有真實幾何形狀的肌肉模型和等效肌肉模型。構建等效肌肉模型時，先根據電子計算機斷層掃描（computed tomography，CT）數據采用 3D 圖像生成及編輯處理軟件物質交互醫學影像控制系統（materialise's interactive medical image control system，Mimics）提取皮膚幾何模型，然后利用有限元網格劃分軟件 HyperMesh 在骨骼模型外構建一層殼單元，從殼單元向皮膚所在的幾何模型拉伸網格，生成肌肉六面體單元。構建具有真實幾何形狀的肌肉模型時要根據解剖學結構利用 Mimics 提取每塊肌肉的幾何模型，采用逆向工程軟件 Geomagic Studio 對幾何模型進行平滑處理并劃分曲面片，然后利用 Hyper-Mesh 軟件進行有限元網格劃分，得到具有真實幾何形狀的肌肉模型。如圖 1 所示，為不含肌肉、具有等效肌肉和具有真實幾何形狀肌肉的 3 種六歲兒童胸部有限元模型，其中具有真實幾何形狀肌肉的胸部有限元模型中的肌肉采用六面體單元，肌肉與骨骼之間的肌腱采用殼單元過渡，肌肉與肌肉之間的縫隙采用脂肪填充，仿真計算時相互之間定義接觸。無肌肉模型、等效肌肉模型和真實肌肉模型的網格數分別為 116 335、172 590、379 658 個，節點數分別為 108 019、160 199、287 216 個。有限元模型材料參數參考 Lv 等[10]所采用的材料參數。
圖1
無肌肉、具等效肌肉和具真實肌肉的六歲兒童胸部有限元模型
Figure1.
Finite element models of thorax of the 6-year-old child, with no muscles, with equivalent muscles, and with real geometric muscles, respectively
1.2 仿真設置
Ouyang 等[3]進行了兒童尸體胸部撞擊實驗，用直徑 5 cm、質量 2.5 kg 和直徑 7.5 cm、質量 3.5 kg 的撞錘以 6 m/s的速度撞擊不同年齡兒童尸體樣本的胸部，研究其胸部損傷機理。本研究參考 Ouyang 等[3]尸體實驗條件，構建了直徑 7.5 cm、質量 3.5 kg的剛性撞錘，應用基于動態顯式算法的有限元仿真軟件 Pam-Crash 對如圖 1 所示的 3 個模型進行碰撞仿真加載，撞錘速度為 6 m/s，撞錘軸線指向胸骨體中心，端面平行于胸骨體，整個碰撞求解時間為 40 ms。如圖 2 所示為具有真實肌肉的胸部有限元模型的碰撞仿真過程，其中當 t=13 ms時，胸部壓縮量達到最大，之后進入回彈階段。
圖2
兒童胸部有限元模型仿真過程
Figure2.
Simulation process of thorax finite element model
2 結果與討論
2.1 肌肉生物仿真度對胸部位移和接觸力的影響分析
如圖 3 所示，為不含肌肉、具有等效肌肉和真實肌肉的三種胸部模型在撞擊速度為 6 m/s下的壓縮量-接觸力曲線與尸體實驗通道的對比，從圖中可以看出不含肌肉的胸腹部模型的壓縮量-接觸力曲線大部分位于尸體實驗通道外，說明在構建有限元模型時必須考慮肌肉對其生物力學響應的影響。含有等效肌肉和真實肌肉的兩種模型的撞擊力-位移曲線都位于尸體實驗通道內，且二者變化趨勢基本吻合，但等效肌肉模型的最大接觸力和最大壓縮量都略大于真實肌肉模型（1 040 N>909 N，55 mm>51 mm）。真實肌肉有限元模型是按照真實人體胸部解剖學結構構建，肌肉與肌肉之間、肌肉與骨骼之間通過肌腱連接，并且在仿真求解時互相之間定義接觸，從模型構建角度來看，每塊真實肌肉之間必然存在微小的空隙，肌肉間的空隙應由脂肪來填充；而等效肌肉模型將所有肌肉作為一個整體，因而等效肌肉之間不存在空隙也不需要定義接觸，肌肉的密度高于脂肪的密度。此外，在仿真實驗中，真實肌肉模型定義的接觸在碰撞過程中也會產生相互作用，因此導致真實肌肉模型中的接觸力和位移略小于等效肌肉模型，從而會對實驗結果產生一定的影響。
圖3
3 種兒童胸部模型的撞擊力-壓縮量曲線
Figure3.
Thoracic Force-displacement curves of three finite element models
根據仿真實驗結果，應用統計、分析數據軟件 MINITAB 分析了具有等效肌肉、真實肌肉有限元模型實驗結果與文獻[3]中尸體實驗結果通道的相關性。結果表明，等效肌肉模型接觸力-位移曲線與尸體實驗通道上下邊界結果的相關系數分別為 0.694 和 0.670，而真實肌肉模型接觸力-位移曲線與尸體實驗通道上下邊界結果的相關系數分別為 0.863 和 0.850，可以看出真實肌肉模型與尸體實驗通道的相關性要大于等效肌肉模型。
因此，相對于以具有等效肌肉的胸部模型進行計算的結果而言，采用具有真實肌肉的兒童胸部模型仿真得到的結果與兒童尸體實驗結果更為接近，其生物仿真度較高。
2.2 肌肉生物仿真度對肋骨損傷的影響
如圖 4 所示，為撞錘以 6 m/s的速度撞擊胸部時胸腔肋骨的范梅塞斯應力云圖，3 種胸部模型的最大等效應力集中在左 2、3 肋，可見此處出現骨折的概率較大。不含肌肉的模型的最大等效應力出現在第 6 ms，最大值為 55.8 MPa，等效肌肉和真實肌肉模型的最大等效應力分別出現在第 17 ms 和 16 ms，最大值分別為 70.7 MPa 和 64.8 MPa。6 歲兒童肋骨的屈服應力極限為 71.655 MPa[10]，根據仿真計算得到的最大應力可知碰撞中兒童肋骨不會出現骨折現象，尸體實驗尸檢結果也表明兒童肋骨未出現骨折現象[3]。碰撞中，無肌肉模型在受到撞錘撞擊時未經過肌肉和脂肪的緩沖直接與胸骨和肋軟骨接觸，接觸力經肋軟骨橫向傳遞到左、右肋骨，由于缺少肋間肌、胸大肌以及前鋸肌的約束，肋骨出現較大幅度的移動；而等效肌肉和真實肌肉模型肋骨由于肌肉的約束作用，無法產生較大幅度的移動，僅通過變形來抵抗接觸力，所以無肌肉模型的肋骨最大等效應力小于有肌肉模型。對比等效肌肉與真實肌肉胸部模型的仿真結果發現，等效肌肉模型肋骨的最大等效應力略大于真實肌肉模型，這是由于等效肌肉與肋骨的共節點連接，較大程度上限制了肋骨的運動。由此可知，采用胸部有限元模型進行碰撞仿真時，建模時采用真實肌肉還是等效肌肉確實對肋骨的生物力學響應結果有影響。
圖4
3 種胸部模型的肋骨范梅塞斯應力云圖
Figure4.
Von-mises stress contour of ribs of three finite element models
2.3 肌肉生物仿真度對內臟損傷的影響
在肺的損傷研究中，Stitzel 等[11]利用試驗與仿真相結合的辦法指出在有限元模型中，利用第一主應變能較好地預測肺部的高顯影損傷，并給出預測高顯影損傷的第一主應變容忍極限值約為 28.4%。如圖 5、圖 6 所示是撞擊速度為 6 m/s時 3 種胸部模型的左肺和右肺的應變云圖。無肌肉模型、等效肌肉模型和真實肌肉模型的左肺最大第一主應變分別為 66.3%、53.6%、57.7%，右肺第一主應變分別為 60.3%、46.7%、57.0%，可以看出沒有肌肉和脂肪緩沖的無肌肉模型在受撞擊后肺部的第一主應變的值最大，受損傷程度最嚴重，等效肌肉模型中肺的最大第一應變值明顯低于真實肌肉模型，這主要是由于等效肌肉建模時將肌肉和脂肪作為一個整體，在撞擊時其對撞擊的緩沖程度大于真實肌肉。3 種模型計算得到的最大第一主應變值均遠超過肺部損傷閾值（28.4%），可判斷肺部均出現嚴重挫傷，在 Ouyang 等[3]胸部尸體實驗中也檢測到了不同程度的氣胸或胸腺出血損傷。肺部損傷主要集中在肺部外表面與肋骨和肋軟骨接觸的部分、與心臟擠壓的肺部下葉內表面以及有支氣管出入的肺門部位。肺部不同位置的損傷具有不同的損傷機理：肺部外表面與肋骨、肋軟骨接觸的部分及肺部下葉內表面的肺挫傷，主要是由于碰撞導致胸腔變形使胸腔容積驟然改變，所產生的壓力或壓力波通過胸壁傳遞到肺部組織，造成肺部的挫傷；與支氣管、肺血管相連的肺門處產生損傷，主要是由于肺部受到碰撞擠壓時，肺部的變形速度遠高于支氣管和肺血管的變形速度，使得兩者間產生較大的相對速度，導致肺部受到支氣管等的拖拽，造成肺門部分的肺部組織挫傷。文獻[3]中，兒童尸體實驗尸檢結果中檢測到了不同程度的氣胸或胸腺出血損傷，可以看到仿真結果與尸體實驗結果一致。
圖5
3 種胸部模型的左肺第一主應變云圖
Figure5.
First principal strain contour of the left lung of three models
圖6
3 種胸部模型的右肺第一主應變云圖
Figure6.
First principal strain contour of the right lung of three models
Yamada 等[12]的研究表明，0~9 歲兒童心肌的極限拉伸應變為 62.6%±6.9%，當第一主應變達到 30%時心肌組織便開始出現挫傷，因此將心臟發生一般性挫傷的第一主應變損傷容忍極限值定為 30%。如圖 7 所示 3 種胸部模型心臟的應變云圖。無肌肉模型、等效肌肉模型、真實肌肉模型的心臟最大第一主應變分別為 50.5%、35.8%、40.2%，可知無肌肉和脂肪緩沖的胸部模型的心臟最大主應變明顯高于等效肌肉和真實肌肉模型，等效肌肉模型的心臟最大第一主應變低于真實肌肉模型，這也主要是由于等效肌肉模型對撞擊的緩沖大于真實肌肉模型導致的。采用等效肌肉模型和真實肌肉模型仿真獲得的心臟最大第一主應變值相近且稍高于損傷閾值（30%），可見碰撞會致使心臟出現輕微挫傷，而未產生破裂傷。從圖 7 中可以看出心臟損傷的位置集中在與椎骨接觸的心臟外表面。文獻[3]中并沒有報告心臟是否損傷，但采用胸部有限元模型進行仿真可以預測碰撞中心臟的損傷狀況。
圖7
3 種胸部模型的心臟第一主應變云圖
Figure7.
First principal strain contour of the heart of three models
對等效肌肉胸部模型和真實肌肉胸部模型碰撞時內臟的時間-應變曲線研究表明，等效肌肉模型中，心臟、左肺、右肺達到失效值的時間分別為 6.8 ms、7.4 ms、4.4 ms，而真實肌肉模型中心臟、左肺、右肺達到失效值的時間分別為 6.4 ms、6.9 ms、4.2 ms，可以看出，等效肌肉有限元模型的心臟和左、右肺達到失效的時間稍遲于真實肌肉有限元模型，這主要是由于等效肌肉模型之間沒有空隙，在受到撞擊時等效肌肉的緩沖作用要大于真實肌肉。
采用胸部有限元模型進行碰撞仿真時等效肌肉和真實肌肉對碰撞中內臟的生物力學響應影響是不同的，由于真實肌肉模型具有更高的生物仿真度，其仿真結果應該更可靠。
3 結論
本文構建了具有真實肌肉和等效肌肉的六歲兒童胸腹部有限元模型，應用該模型分析了肌肉的生物仿真度對胸部碰撞生物力學響應的影響，采用等效肌肉的胸部模型仿真得到的內臟最大第一主應變值小于真實肌肉模型，而且從等效肌肉和真實肌肉胸部模型的接觸力-變形曲線仿真結果與尸體實驗結果通道的相關性來看，具有真實肌肉模型的仿真結果與通道的相關性要大于等效肌肉模型。等效肌肉雖然整齊有序，但難以代表真實肌肉的幾何形狀以及每條肌肉起到的作用，真實肌肉模型具有更高的生物仿真度，應該能夠更準確地表征胸部的生物力學響應，并可用于研究兒童胸部的損傷機理。在胸部有限元建模中構建具有真實幾何形狀肌肉的模型是很有必要的。
人體中的肌肉在受到刺激時會產生主動收縮現象，本文中構建的肌肉模型雖然具備了真實肌肉的幾何形狀，但現有的肌肉力學模型無法準確表征肌肉的主動收縮現象，因此今后的研究中應進一步探討如何在保證肌肉真實幾何形狀的條件下又能準確表征肌肉的主動收縮現象。
