基于真实行人交通事故的人体下肢损伤生物力学有限元分析研究

摘要

在行人-车辆碰撞事故中，因为没有外部保护措施而使得行人成为易受伤害群体，事故伤亡率极高。事故调查数据显示，行人下肢是最易受损伤的部位之一，下肢损伤约占受伤总数的32.8％。虽然下肢损伤极少是致命损伤，但是它们需要长时间的康复期甚至会造成永久性残疾。因此深入的了解行人下肢损伤生物力学特性对降低行人事故中的下肢损伤风险具有重要的现实意义。
　　本文的研究目的是利用行人交通事故数据进行下肢损伤流行病学的研究，并利用统计学方法找出影响下肢严重损伤的显著因素;同时利用所改进和验证的下肢有限元模型来预测下肢长骨骨折，根据其碰撞过程和输出参数来说明下肢长骨骨折的损伤机理和耐受限度;最后利用有限元方法研究下肢小腿骨（胫骨/腓骨）骨折对膝关节动态响应以及膝关节损伤严重度的影响。
　　为了实现本文的研究目的，首先基于GIDAS事故数据库中404例带有行人下肢损伤的事故案例，使用单因素方差分析以及Logistic回归分析，研究了汽车与行人碰撞事故中的碰撞速度，行人参数（年龄、身高以及体重）和汽车前部结构设计参数（上保险杠高度UBH，下保险杠高度LBH，保险杠伸出长度BL以及发动机罩前缘高度BLEH）对行人下肢AIS2+损伤，胫骨/腓骨骨折以及膝关节AIS2+损伤的影响。研究结果表明，碰撞速度和年龄是影响行人下肢AIS2+损伤的两个主要参数。车辆参数中的下保险杠高度和发动机罩前缘高度也是影响下肢AIS2+损伤的显著因素。车辆碰撞速度、行人年龄和下保险杠高度是影响行人胫骨/腓骨骨折的显著性因素，而行人年龄、体重以及发动机罩前缘高度是影响膝关节AIS2+损伤的显著性因素。该研究结果可以为城区道路限速以及汽车前部结构的改进提供指导性建议。
　　接着，本文基于一名欧洲50百分位成年男性下肢解剖学结构，利用软件Hypermesh10.0改进了一个能够反映行人下肢生理学特征的有限元模型。改进后的模型包括骨骼系统（骨盆、股骨、胫骨、腓骨、髌骨以及足骨）以及软组织系统（主要肌肉，皮肤、关节囊、关节软骨、关节韧带以及主要的肌腱组织）。并利用已发表的行人下肢生物力学实验结果对该模型的生物逼真度进行了验证，验证实验包括长骨（股骨、胫骨和腓骨）的准静态以及动态三点弯曲试验，大腿以及小腿的动态三点弯曲实验，膝关节的四点弯曲和三点弯剪实验，以及整个下肢模型的弯曲和剪切实验。验证结果表明，所建立的下肢有限元模型的仿真结果与所对应的尸体实验吻合较好，该模型具有较高的生物逼真度，可以用于后续的行人下肢损伤机理以及损伤预测的研究。
　　然后，在GIDAS事故数据库中选取了两起带有行人下肢损伤X扫描光片的事故案例，采用下肢有限元模型对真实交通事故中下肢长骨骨折进行了预测研究损伤机理分析。利用多体模型对所选取的事故案例进行了事故重建，来得到下肢碰撞的边界条件，比如，碰撞速度，碰撞位置以及碰撞方位。接着，建立了车辆与下肢碰撞的有限元模型来进行长骨骨折预测。最后对比仿真输出的损伤结果以及真实记录的损伤状况。结果显示，所建立的下肢有限元模型能够较好的反映出下肢长骨骨折的类型和较为精确的骨折位置。仿真中所得到的胫骨骨干，腓骨骨干以及股骨颈部位的耐受弯矩极限分别是304N.m，19.8N.m以及318.8N.m。该下肢模型能够重现真实交通事故中的下肢动力学响应过程，并可以用于预测下肢长骨骨折。
　　最后，通过对比分析小腿骨骨折与无骨折时的膝关节动态影响过程来说明小腿骨骨折对膝关节动力学响应的影响，并通过对比能够预测膝关节损伤的预测参数（膝关节剪切位移、弯曲角度以及韧带所承受的力）来研究小腿骨骨折对膝关节损伤的影响。结果显示，小腿骨骨折会严重影响膝关节的动态响应;并且小腿骨发生骨折后，膝关节的剪切位移和弯曲角度都会减小;小腿骨发生骨折后，MCL所承受的拉力要减少20％。这说明:在交通事故中，小腿骨发生骨折会减少膝关节的损伤风险。这要求在开发下肢冲击器时，需要设置小腿骨骨折。
　　综上所述，对交通事故案例进行统计分析可以找出影响下肢损伤的显著性因素，可以为汽车前部结构参数设计提供真实可靠的数据支撑。同时文中所建立的下肢有限元模型具有较高的生物仿真度，可以用于研究交通事故中的长骨骨折预测以及下肢损伤机理的研究。最后，通过分析可以得知小腿骨骨折会对膝关节的动力学响应以及损伤风险产生影响。

目录

声明

摘要

插图索引

附表索引

注释表

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 国内外行人下肢安全以及生物力学研究现状

1．2．1 行人交通事故数据库及行人下肢流行病学的研究

1．2．2 行人下肢损伤生物力学研究

1．2．3 行人下肢模型

1．2．4 行人下肢防护法规

1．2．5 行人下肢安全防护方法的研究

1．3 国内行人下肢安全研究现状

1．4 本文研究目的及主要工作

第2章 行人下肢解剖学结构及损伤生物力学的研究

2．1 人体下肢解剖学结构介绍

2．1．1 骨骼系统

2．1．2 膝关节

2．2 下肢的生理运动学介绍

2．3 行人下肢损伤生物力学

2．3．1 碰撞中行人下肢的运动学响应和损伤类型介绍

2．3．2 行人下肢各部位的损伤机理和耐受限度

2．4 行人下肢损伤定级标准

2．5 本章小结

第3章 基于GIDAS事故数据库的下肢损伤风险研究

3．1 GIDAS事故数据库以及样本筛选

3．1．1 GIDAS事故数据库简介

3．1．2 案例筛选

3．2 研究方法

3．2．1 碰撞速度的确定

3．2．2 分析参数

3．2．3 单因素方差分析

3．2．4 二项分类Logistic回归分析

3．3 计算结果

3．3．1 整体样本分析

3．3．2 行人下肢AIS2+样本分析

3．3．3 单因素方差分析结果

3．3．4 影响下肢AIS2+损伤的参数统计学分析结果

3．3．5 预测参数与行人下肢AIS2+损伤风险之间的Logistic回归模型

3．3．6 预测参数与胫骨／腓骨骨折风险之间的Logistic回归模型

3．3．7 预测参数与膝关节AIS2+风险之间的Logistic回归模型

3．4 结果分析

3．4．1 碰撞速度分析

3．4．2 行人参数分析

3．4．3 车辆参数分析

3．5 本研究的不足以及局限性

3．6 本章小结

第4章 行人下肢有限元模型的改进和验证

4．1 行人下肢有限元建模的发展历史

4．1．1 不可变形骨骼以及机械铰链式膝关节类模型

4．1．2 可变形骨骼以及带有简化韧带的模型

4．1．3 可变形骨骼以及带有复杂膝关节韧带的模型

4．2 行人下肢有限元模型建模方面的改进

4．2．1 下肢骨骼模型

4．2．2 下肢关节模型

4．2．3 肌肉和皮肤模型

4．3 网格质量控制

4．4 下肢模型的材料设置

4．4．1 骨骼

4．4．2 下肢软组织

4．5 建立后的行人下肢有限元模型

4．6 下肢模型的全面验证

4．6．1 下肢长骨模型的验证

4．6．2 大腿和小腿模型的验证

4．6．3 膝关节

4．6．4 行人下肢模型的横向剪切以及横向弯曲实验验证

4．7 本章小结

第5章 交通事故中下肢长骨骨折预测

5．1 下肢长骨骨折研究背景介绍

5．2 研究方法介绍

5．2．1 事故样本选择

5．2．2 行人和车辆的多体模型贪绍

5．2．3 多体模型事故重建

5．2．4 基于下肢有限元模型的损伤重建

5．3 事故重建和损伤重建结果

5．3．1 行人碰撞多体模型重建结果

5．3．2 多体模型事故重建的损伤输出

5．3．3 有限元模型的长骨骨折预测

5．4 讨论

5．5 本章小结

第6章 交通事故中小腿骨骨折对膝关节损伤的影响

6．1 研究背景介绍

6．2 小腿骨骨折对膝关节动态响应的影响

6．3 小腿骨骨折对膝关节主要韧带损伤的影响

6．3．1 小腿骨骨折对MCL和LCL损伤的影响

6．3．2 小腿骨骨折对ACL和PCL损伤的影响

6．4 讨论

6．5 本章小结

总结与展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

攻读学位期间参与的科研项目

致谢