由于可用于实验的儿童尸体的缺乏，采用具有较高生物仿真度的胸部有限元模型是研究儿童胸部损伤机理的重要手段。在已验证有效性的 6 岁儿童胸部有限元模型基础上构建了等效肌肉模型和具有真实几何形状的肌肉模型，通过重构儿童胸部正碰尸体实验分析肌肉生物仿真度对胸部损伤的影响。对比实验结果表明，等效肌肉模型的胸部接触力、胸部最大压缩量和肋骨最大范梅塞斯应力稍大于真实肌肉模型；心脏和肺的最大主应变都略小于真实肌肉模型；真实肌肉模型曲线与尸体实验通道的相关性要大于等效肌肉模型。通过以上对比，本文研究结果认为具有真实几何形状肌肉的儿童胸部有限元模型应该能更准确地反映胸部受到碰撞时的生物力学响应。
引用本文： 崔世海, 单蕾蕾, 李海岩, 吕文乐, 贺丽娟, 阮世捷. 肌肉生物仿真度对六岁儿童胸部碰撞生物力学响应的影响. 生物医学工程学杂志, 2017, 34(1): 41-47. doi: 10.7507/1001-5515.201606045 复制
引言
意外伤害是导致我国儿童死亡的主要原因，其中胸部损伤是仅次于颅脑损伤导致儿童死亡的第二大主因，死亡率达 5%[1-2]。车祸是导致儿童胸部损伤的首要原因，其次是坠落伤[2]。儿童胸部遭受外部撞击时，胸部产生较大变形容易产生肋骨骨折、肺挫伤、血气胸等。研究儿童胸腹部损伤机理及其耐受极限对儿童的胸腹部保护和临床应用都具有重要意义。儿童尸体实验是研究儿童胸腹部损伤的重要手段，Ouyang 等[3]和 Kent 等[4-5]分别应用儿童尸体样本对儿童胸部的生物力学响应特性和耐受极限进行了研究，但由于伦理原因儿童尸体样本获取极其困难，导致采用尸体进行实验受到了极大的限制。随着计算机技术的发展，通过构建高生物仿真度的人体有限元模型进行碰撞仿真分析成为研究儿童损伤机理的重要手段[6-8]。目前国内外关于构建具有真实解剖学结构的儿童胸部有限元模型方面文献较少。Jiang 等[9]构建了具有详细解剖特征的 10 岁儿童胸部有限元模型并验证了其有效性，同时对静态加载条件下的胸部损伤进行了分析，但该模型中没有采用真实解剖学结构的肌肉组织，而是采用膜单元来代替肌肉模型。Lv 等[10]构建了具有详细解剖学结构的 6 岁儿童胸腹部有限元模型并验证了模型的有效性，对其进行了损伤分析。
在真实碰撞事故中，安全带首先接触胸部的皮肤，通过脂肪和肌肉将撞击力传递到肋骨直至内脏各器官。肌肉受力极易产生变形，但肌肉在压缩过程中会吸收部分能量，因此肌肉的变形对作用于骨骼和内脏的撞击力起到了一定的缓冲作用。在解剖学中人体胸腹部肌肉是细致分开的，每块肌肉对人体必要的生理活动起到了不同的作用。但在有限元模型中建立真实的肌肉模型较难，很多模型中采用等效肌肉近似代替真实肌肉模型，但等效肌肉为规则的肌肉模型，并不能在碰撞中以较高的仿真度模拟人体中不同肌肉之间的相互作用以及不同肌肉对人体损伤生物力学响应的影响，因此有必要具体分析真实肌肉和等效肌肉模型在碰撞中对儿童胸部损伤的影响。本研究利用具有真实几何形状肌肉和等效肌肉的胸部有限元模型讨论肌肉生物仿真度对胸部碰撞生物力学响应的影响，探究构建具有真实解剖学结构胸腹部有限元模型在碰撞仿真模拟中的必要性。
1 材料与方法
1.1 模型构建
在本课题组前期研究基础上，对 Lv 等[10]所构建的含有心脏、肺等解剖学结构的 6 岁儿童胸腹部有限元模型进一步细化，分别构建了具有真实几何形状的肌肉模型和等效肌肉模型。构建等效肌肉模型时，先根据电子计算机断层扫描（computed tomography，CT）数据采用 3D 图像生成及编辑处理软件物质交互医学影像控制系统（materialise's interactive medical image control system，Mimics）提取皮肤几何模型，然后利用有限元网格划分软件 HyperMesh 在骨骼模型外构建一层壳单元，从壳单元向皮肤所在的几何模型拉伸网格，生成肌肉六面体单元。构建具有真实几何形状的肌肉模型时要根据解剖学结构利用 Mimics 提取每块肌肉的几何模型，采用逆向工程软件 Geomagic Studio 对几何模型进行平滑处理并划分曲面片，然后利用 Hyper-Mesh 软件进行有限元网格划分，得到具有真实几何形状的肌肉模型。如图 1 所示，为不含肌肉、具有等效肌肉和具有真实几何形状肌肉的 3 种六岁儿童胸部有限元模型，其中具有真实几何形状肌肉的胸部有限元模型中的肌肉采用六面体单元，肌肉与骨骼之间的肌腱采用壳单元过渡，肌肉与肌肉之间的缝隙采用脂肪填充，仿真计算时相互之间定义接触。无肌肉模型、等效肌肉模型和真实肌肉模型的网格数分别为 116 335、172 590、379 658 个，节点数分别为 108 019、160 199、287 216 个。有限元模型材料参数参考 Lv 等[10]所采用的材料参数。
图1
无肌肉、具等效肌肉和具真实肌肉的六岁儿童胸部有限元模型
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 仿真设置
Ouyang 等[3]进行了儿童尸体胸部撞击实验，用直径 5 cm、质量 2.5 kg 和直径 7.5 cm、质量 3.5 kg 的撞锤以 6 m/s的速度撞击不同年龄儿童尸体样本的胸部，研究其胸部损伤机理。本研究参考 Ouyang 等[3]尸体实验条件，构建了直径 7.5 cm、质量 3.5 kg的刚性撞锤，应用基于动态显式算法的有限元仿真软件 Pam-Crash 对如图 1 所示的 3 个模型进行碰撞仿真加载，撞锤速度为 6 m/s，撞锤轴线指向胸骨体中心，端面平行于胸骨体，整个碰撞求解时间为 40 ms。如图 2 所示为具有真实肌肉的胸部有限元模型的碰撞仿真过程，其中当 t=13 ms时，胸部压缩量达到最大，之后进入回弹阶段。
图2
儿童胸部有限元模型仿真过程
Figure2.
Simulation process of thorax finite element model
2 结果与讨论
2.1 肌肉生物仿真度对胸部位移和接触力的影响分析
如图 3 所示，为不含肌肉、具有等效肌肉和真实肌肉的三种胸部模型在撞击速度为 6 m/s下的压缩量-接触力曲线与尸体实验通道的对比，从图中可以看出不含肌肉的胸腹部模型的压缩量-接触力曲线大部分位于尸体实验通道外，说明在构建有限元模型时必须考虑肌肉对其生物力学响应的影响。含有等效肌肉和真实肌肉的两种模型的撞击力-位移曲线都位于尸体实验通道内，且二者变化趋势基本吻合，但等效肌肉模型的最大接触力和最大压缩量都略大于真实肌肉模型（1 040 N>909 N，55 mm>51 mm）。真实肌肉有限元模型是按照真实人体胸部解剖学结构构建，肌肉与肌肉之间、肌肉与骨骼之间通过肌腱连接，并且在仿真求解时互相之间定义接触，从模型构建角度来看，每块真实肌肉之间必然存在微小的空隙，肌肉间的空隙应由脂肪来填充；而等效肌肉模型将所有肌肉作为一个整体，因而等效肌肉之间不存在空隙也不需要定义接触，肌肉的密度高于脂肪的密度。此外，在仿真实验中，真实肌肉模型定义的接触在碰撞过程中也会产生相互作用，因此导致真实肌肉模型中的接触力和位移略小于等效肌肉模型，从而会对实验结果产生一定的影响。
图3
3 种儿童胸部模型的撞击力-压缩量曲线
Figure3.
Thoracic Force-displacement curves of three finite element models
根据仿真实验结果，应用统计、分析数据软件 MINITAB 分析了具有等效肌肉、真实肌肉有限元模型实验结果与文献[3]中尸体实验结果通道的相关性。结果表明，等效肌肉模型接触力-位移曲线与尸体实验通道上下边界结果的相关系数分别为 0.694 和 0.670，而真实肌肉模型接触力-位移曲线与尸体实验通道上下边界结果的相关系数分别为 0.863 和 0.850，可以看出真实肌肉模型与尸体实验通道的相关性要大于等效肌肉模型。
因此，相对于以具有等效肌肉的胸部模型进行计算的结果而言，采用具有真实肌肉的儿童胸部模型仿真得到的结果与儿童尸体实验结果更为接近，其生物仿真度较高。
2.2 肌肉生物仿真度对肋骨损伤的影响
如图 4 所示，为撞锤以 6 m/s的速度撞击胸部时胸腔肋骨的范梅塞斯应力云图，3 种胸部模型的最大等效应力集中在左 2、3 肋，可见此处出现骨折的概率较大。不含肌肉的模型的最大等效应力出现在第 6 ms，最大值为 55.8 MPa，等效肌肉和真实肌肉模型的最大等效应力分别出现在第 17 ms 和 16 ms，最大值分别为 70.7 MPa 和 64.8 MPa。6 岁儿童肋骨的屈服应力极限为 71.655 MPa[10]，根据仿真计算得到的最大应力可知碰撞中儿童肋骨不会出现骨折现象，尸体实验尸检结果也表明儿童肋骨未出现骨折现象[3]。碰撞中，无肌肉模型在受到撞锤撞击时未经过肌肉和脂肪的缓冲直接与胸骨和肋软骨接触，接触力经肋软骨横向传递到左、右肋骨，由于缺少肋间肌、胸大肌以及前锯肌的约束，肋骨出现较大幅度的移动；而等效肌肉和真实肌肉模型肋骨由于肌肉的约束作用，无法产生较大幅度的移动，仅通过变形来抵抗接触力，所以无肌肉模型的肋骨最大等效应力小于有肌肉模型。对比等效肌肉与真实肌肉胸部模型的仿真结果发现，等效肌肉模型肋骨的最大等效应力略大于真实肌肉模型，这是由于等效肌肉与肋骨的共节点连接，较大程度上限制了肋骨的运动。由此可知，采用胸部有限元模型进行碰撞仿真时，建模时采用真实肌肉还是等效肌肉确实对肋骨的生物力学响应结果有影响。
图4
3 种胸部模型的肋骨范梅塞斯应力云图
Figure4.
Von-mises stress contour of ribs of three finite element models
2.3 肌肉生物仿真度对内脏损伤的影响
在肺的损伤研究中，Stitzel 等[11]利用试验与仿真相结合的办法指出在有限元模型中，利用第一主应变能较好地预测肺部的高显影损伤，并给出预测高显影损伤的第一主应变容忍极限值约为 28.4%。如图 5、图 6 所示是撞击速度为 6 m/s时 3 种胸部模型的左肺和右肺的应变云图。无肌肉模型、等效肌肉模型和真实肌肉模型的左肺最大第一主应变分别为 66.3%、53.6%、57.7%，右肺第一主应变分别为 60.3%、46.7%、57.0%，可以看出没有肌肉和脂肪缓冲的无肌肉模型在受撞击后肺部的第一主应变的值最大，受损伤程度最严重，等效肌肉模型中肺的最大第一应变值明显低于真实肌肉模型，这主要是由于等效肌肉建模时将肌肉和脂肪作为一个整体，在撞击时其对撞击的缓冲程度大于真实肌肉。3 种模型计算得到的最大第一主应变值均远超过肺部损伤阈值（28.4%），可判断肺部均出现严重挫伤，在 Ouyang 等[3]胸部尸体实验中也检测到了不同程度的气胸或胸腺出血损伤。肺部损伤主要集中在肺部外表面与肋骨和肋软骨接触的部分、与心脏挤压的肺部下叶内表面以及有支气管出入的肺门部位。肺部不同位置的损伤具有不同的损伤机理：肺部外表面与肋骨、肋软骨接触的部分及肺部下叶内表面的肺挫伤，主要是由于碰撞导致胸腔变形使胸腔容积骤然改变，所产生的压力或压力波通过胸壁传递到肺部组织，造成肺部的挫伤；与支气管、肺血管相连的肺门处产生损伤，主要是由于肺部受到碰撞挤压时，肺部的变形速度远高于支气管和肺血管的变形速度，使得两者间产生较大的相对速度，导致肺部受到支气管等的拖拽，造成肺门部分的肺部组织挫伤。文献[3]中，儿童尸体实验尸检结果中检测到了不同程度的气胸或胸腺出血损伤，可以看到仿真结果与尸体实验结果一致。
图5
3 种胸部模型的左肺第一主应变云图
Figure5.
First principal strain contour of the left lung of three models
图6
3 种胸部模型的右肺第一主应变云图
Figure6.
First principal strain contour of the right lung of three models
Yamada 等[12]的研究表明，0~9 岁儿童心肌的极限拉伸应变为 62.6%±6.9%，当第一主应变达到 30%时心肌组织便开始出现挫伤，因此将心脏发生一般性挫伤的第一主应变损伤容忍极限值定为 30%。如图 7 所示 3 种胸部模型心脏的应变云图。无肌肉模型、等效肌肉模型、真实肌肉模型的心脏最大第一主应变分别为 50.5%、35.8%、40.2%，可知无肌肉和脂肪缓冲的胸部模型的心脏最大主应变明显高于等效肌肉和真实肌肉模型，等效肌肉模型的心脏最大第一主应变低于真实肌肉模型，这也主要是由于等效肌肉模型对撞击的缓冲大于真实肌肉模型导致的。采用等效肌肉模型和真实肌肉模型仿真获得的心脏最大第一主应变值相近且稍高于损伤阈值（30%），可见碰撞会致使心脏出现轻微挫伤，而未产生破裂伤。从图 7 中可以看出心脏损伤的位置集中在与椎骨接触的心脏外表面。文献[3]中并没有报告心脏是否损伤，但采用胸部有限元模型进行仿真可以预测碰撞中心脏的损伤状况。
图7
3 种胸部模型的心脏第一主应变云图
Figure7.
First principal strain contour of the heart of three models
对等效肌肉胸部模型和真实肌肉胸部模型碰撞时内脏的时间-应变曲线研究表明，等效肌肉模型中，心脏、左肺、右肺达到失效值的时间分别为 6.8 ms、7.4 ms、4.4 ms，而真实肌肉模型中心脏、左肺、右肺达到失效值的时间分别为 6.4 ms、6.9 ms、4.2 ms，可以看出，等效肌肉有限元模型的心脏和左、右肺达到失效的时间稍迟于真实肌肉有限元模型，这主要是由于等效肌肉模型之间没有空隙，在受到撞击时等效肌肉的缓冲作用要大于真实肌肉。
采用胸部有限元模型进行碰撞仿真时等效肌肉和真实肌肉对碰撞中内脏的生物力学响应影响是不同的，由于真实肌肉模型具有更高的生物仿真度，其仿真结果应该更可靠。
3 结论
本文构建了具有真实肌肉和等效肌肉的六岁儿童胸腹部有限元模型，应用该模型分析了肌肉的生物仿真度对胸部碰撞生物力学响应的影响，采用等效肌肉的胸部模型仿真得到的内脏最大第一主应变值小于真实肌肉模型，而且从等效肌肉和真实肌肉胸部模型的接触力-变形曲线仿真结果与尸体实验结果通道的相关性来看，具有真实肌肉模型的仿真结果与通道的相关性要大于等效肌肉模型。等效肌肉虽然整齐有序，但难以代表真实肌肉的几何形状以及每条肌肉起到的作用，真实肌肉模型具有更高的生物仿真度，应该能够更准确地表征胸部的生物力学响应，并可用于研究儿童胸部的损伤机理。在胸部有限元建模中构建具有真实几何形状肌肉的模型是很有必要的。
人体中的肌肉在受到刺激时会产生主动收缩现象，本文中构建的肌肉模型虽然具备了真实肌肉的几何形状，但现有的肌肉力学模型无法准确表征肌肉的主动收缩现象，因此今后的研究中应进一步探讨如何在保证肌肉真实几何形状的条件下又能准确表征肌肉的主动收缩现象。
引言
意外伤害是导致我国儿童死亡的主要原因，其中胸部损伤是仅次于颅脑损伤导致儿童死亡的第二大主因，死亡率达 5%[1-2]。车祸是导致儿童胸部损伤的首要原因，其次是坠落伤[2]。儿童胸部遭受外部撞击时，胸部产生较大变形容易产生肋骨骨折、肺挫伤、血气胸等。研究儿童胸腹部损伤机理及其耐受极限对儿童的胸腹部保护和临床应用都具有重要意义。儿童尸体实验是研究儿童胸腹部损伤的重要手段，Ouyang 等[3]和 Kent 等[4-5]分别应用儿童尸体样本对儿童胸部的生物力学响应特性和耐受极限进行了研究，但由于伦理原因儿童尸体样本获取极其困难，导致采用尸体进行实验受到了极大的限制。随着计算机技术的发展，通过构建高生物仿真度的人体有限元模型进行碰撞仿真分析成为研究儿童损伤机理的重要手段[6-8]。目前国内外关于构建具有真实解剖学结构的儿童胸部有限元模型方面文献较少。Jiang 等[9]构建了具有详细解剖特征的 10 岁儿童胸部有限元模型并验证了其有效性，同时对静态加载条件下的胸部损伤进行了分析，但该模型中没有采用真实解剖学结构的肌肉组织，而是采用膜单元来代替肌肉模型。Lv 等[10]构建了具有详细解剖学结构的 6 岁儿童胸腹部有限元模型并验证了模型的有效性，对其进行了损伤分析。
在真实碰撞事故中，安全带首先接触胸部的皮肤，通过脂肪和肌肉将撞击力传递到肋骨直至内脏各器官。肌肉受力极易产生变形，但肌肉在压缩过程中会吸收部分能量，因此肌肉的变形对作用于骨骼和内脏的撞击力起到了一定的缓冲作用。在解剖学中人体胸腹部肌肉是细致分开的，每块肌肉对人体必要的生理活动起到了不同的作用。但在有限元模型中建立真实的肌肉模型较难，很多模型中采用等效肌肉近似代替真实肌肉模型，但等效肌肉为规则的肌肉模型，并不能在碰撞中以较高的仿真度模拟人体中不同肌肉之间的相互作用以及不同肌肉对人体损伤生物力学响应的影响，因此有必要具体分析真实肌肉和等效肌肉模型在碰撞中对儿童胸部损伤的影响。本研究利用具有真实几何形状肌肉和等效肌肉的胸部有限元模型讨论肌肉生物仿真度对胸部碰撞生物力学响应的影响，探究构建具有真实解剖学结构胸腹部有限元模型在碰撞仿真模拟中的必要性。
1 材料与方法
1.1 模型构建
在本课题组前期研究基础上，对 Lv 等[10]所构建的含有心脏、肺等解剖学结构的 6 岁儿童胸腹部有限元模型进一步细化，分别构建了具有真实几何形状的肌肉模型和等效肌肉模型。构建等效肌肉模型时，先根据电子计算机断层扫描（computed tomography，CT）数据采用 3D 图像生成及编辑处理软件物质交互医学影像控制系统（materialise's interactive medical image control system，Mimics）提取皮肤几何模型，然后利用有限元网格划分软件 HyperMesh 在骨骼模型外构建一层壳单元，从壳单元向皮肤所在的几何模型拉伸网格，生成肌肉六面体单元。构建具有真实几何形状的肌肉模型时要根据解剖学结构利用 Mimics 提取每块肌肉的几何模型，采用逆向工程软件 Geomagic Studio 对几何模型进行平滑处理并划分曲面片，然后利用 Hyper-Mesh 软件进行有限元网格划分，得到具有真实几何形状的肌肉模型。如图 1 所示，为不含肌肉、具有等效肌肉和具有真实几何形状肌肉的 3 种六岁儿童胸部有限元模型，其中具有真实几何形状肌肉的胸部有限元模型中的肌肉采用六面体单元，肌肉与骨骼之间的肌腱采用壳单元过渡，肌肉与肌肉之间的缝隙采用脂肪填充，仿真计算时相互之间定义接触。无肌肉模型、等效肌肉模型和真实肌肉模型的网格数分别为 116 335、172 590、379 658 个，节点数分别为 108 019、160 199、287 216 个。有限元模型材料参数参考 Lv 等[10]所采用的材料参数。
图1
无肌肉、具等效肌肉和具真实肌肉的六岁儿童胸部有限元模型
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 仿真设置
Ouyang 等[3]进行了儿童尸体胸部撞击实验，用直径 5 cm、质量 2.5 kg 和直径 7.5 cm、质量 3.5 kg 的撞锤以 6 m/s的速度撞击不同年龄儿童尸体样本的胸部，研究其胸部损伤机理。本研究参考 Ouyang 等[3]尸体实验条件，构建了直径 7.5 cm、质量 3.5 kg的刚性撞锤，应用基于动态显式算法的有限元仿真软件 Pam-Crash 对如图 1 所示的 3 个模型进行碰撞仿真加载，撞锤速度为 6 m/s，撞锤轴线指向胸骨体中心，端面平行于胸骨体，整个碰撞求解时间为 40 ms。如图 2 所示为具有真实肌肉的胸部有限元模型的碰撞仿真过程，其中当 t=13 ms时，胸部压缩量达到最大，之后进入回弹阶段。
图2
儿童胸部有限元模型仿真过程
Figure2.
Simulation process of thorax finite element model
2 结果与讨论
2.1 肌肉生物仿真度对胸部位移和接触力的影响分析
如图 3 所示，为不含肌肉、具有等效肌肉和真实肌肉的三种胸部模型在撞击速度为 6 m/s下的压缩量-接触力曲线与尸体实验通道的对比，从图中可以看出不含肌肉的胸腹部模型的压缩量-接触力曲线大部分位于尸体实验通道外，说明在构建有限元模型时必须考虑肌肉对其生物力学响应的影响。含有等效肌肉和真实肌肉的两种模型的撞击力-位移曲线都位于尸体实验通道内，且二者变化趋势基本吻合，但等效肌肉模型的最大接触力和最大压缩量都略大于真实肌肉模型（1 040 N>909 N，55 mm>51 mm）。真实肌肉有限元模型是按照真实人体胸部解剖学结构构建，肌肉与肌肉之间、肌肉与骨骼之间通过肌腱连接，并且在仿真求解时互相之间定义接触，从模型构建角度来看，每块真实肌肉之间必然存在微小的空隙，肌肉间的空隙应由脂肪来填充；而等效肌肉模型将所有肌肉作为一个整体，因而等效肌肉之间不存在空隙也不需要定义接触，肌肉的密度高于脂肪的密度。此外，在仿真实验中，真实肌肉模型定义的接触在碰撞过程中也会产生相互作用，因此导致真实肌肉模型中的接触力和位移略小于等效肌肉模型，从而会对实验结果产生一定的影响。
图3
3 种儿童胸部模型的撞击力-压缩量曲线
Figure3.
Thoracic Force-displacement curves of three finite element models
根据仿真实验结果，应用统计、分析数据软件 MINITAB 分析了具有等效肌肉、真实肌肉有限元模型实验结果与文献[3]中尸体实验结果通道的相关性。结果表明，等效肌肉模型接触力-位移曲线与尸体实验通道上下边界结果的相关系数分别为 0.694 和 0.670，而真实肌肉模型接触力-位移曲线与尸体实验通道上下边界结果的相关系数分别为 0.863 和 0.850，可以看出真实肌肉模型与尸体实验通道的相关性要大于等效肌肉模型。
因此，相对于以具有等效肌肉的胸部模型进行计算的结果而言，采用具有真实肌肉的儿童胸部模型仿真得到的结果与儿童尸体实验结果更为接近，其生物仿真度较高。
2.2 肌肉生物仿真度对肋骨损伤的影响
如图 4 所示，为撞锤以 6 m/s的速度撞击胸部时胸腔肋骨的范梅塞斯应力云图，3 种胸部模型的最大等效应力集中在左 2、3 肋，可见此处出现骨折的概率较大。不含肌肉的模型的最大等效应力出现在第 6 ms，最大值为 55.8 MPa，等效肌肉和真实肌肉模型的最大等效应力分别出现在第 17 ms 和 16 ms，最大值分别为 70.7 MPa 和 64.8 MPa。6 岁儿童肋骨的屈服应力极限为 71.655 MPa[10]，根据仿真计算得到的最大应力可知碰撞中儿童肋骨不会出现骨折现象，尸体实验尸检结果也表明儿童肋骨未出现骨折现象[3]。碰撞中，无肌肉模型在受到撞锤撞击时未经过肌肉和脂肪的缓冲直接与胸骨和肋软骨接触，接触力经肋软骨横向传递到左、右肋骨，由于缺少肋间肌、胸大肌以及前锯肌的约束，肋骨出现较大幅度的移动；而等效肌肉和真实肌肉模型肋骨由于肌肉的约束作用，无法产生较大幅度的移动，仅通过变形来抵抗接触力，所以无肌肉模型的肋骨最大等效应力小于有肌肉模型。对比等效肌肉与真实肌肉胸部模型的仿真结果发现，等效肌肉模型肋骨的最大等效应力略大于真实肌肉模型，这是由于等效肌肉与肋骨的共节点连接，较大程度上限制了肋骨的运动。由此可知，采用胸部有限元模型进行碰撞仿真时，建模时采用真实肌肉还是等效肌肉确实对肋骨的生物力学响应结果有影响。
图4
3 种胸部模型的肋骨范梅塞斯应力云图
Figure4.
Von-mises stress contour of ribs of three finite element models
2.3 肌肉生物仿真度对内脏损伤的影响
在肺的损伤研究中，Stitzel 等[11]利用试验与仿真相结合的办法指出在有限元模型中，利用第一主应变能较好地预测肺部的高显影损伤，并给出预测高显影损伤的第一主应变容忍极限值约为 28.4%。如图 5、图 6 所示是撞击速度为 6 m/s时 3 种胸部模型的左肺和右肺的应变云图。无肌肉模型、等效肌肉模型和真实肌肉模型的左肺最大第一主应变分别为 66.3%、53.6%、57.7%，右肺第一主应变分别为 60.3%、46.7%、57.0%，可以看出没有肌肉和脂肪缓冲的无肌肉模型在受撞击后肺部的第一主应变的值最大，受损伤程度最严重，等效肌肉模型中肺的最大第一应变值明显低于真实肌肉模型，这主要是由于等效肌肉建模时将肌肉和脂肪作为一个整体，在撞击时其对撞击的缓冲程度大于真实肌肉。3 种模型计算得到的最大第一主应变值均远超过肺部损伤阈值（28.4%），可判断肺部均出现严重挫伤，在 Ouyang 等[3]胸部尸体实验中也检测到了不同程度的气胸或胸腺出血损伤。肺部损伤主要集中在肺部外表面与肋骨和肋软骨接触的部分、与心脏挤压的肺部下叶内表面以及有支气管出入的肺门部位。肺部不同位置的损伤具有不同的损伤机理：肺部外表面与肋骨、肋软骨接触的部分及肺部下叶内表面的肺挫伤，主要是由于碰撞导致胸腔变形使胸腔容积骤然改变，所产生的压力或压力波通过胸壁传递到肺部组织，造成肺部的挫伤；与支气管、肺血管相连的肺门处产生损伤，主要是由于肺部受到碰撞挤压时，肺部的变形速度远高于支气管和肺血管的变形速度，使得两者间产生较大的相对速度，导致肺部受到支气管等的拖拽，造成肺门部分的肺部组织挫伤。文献[3]中，儿童尸体实验尸检结果中检测到了不同程度的气胸或胸腺出血损伤，可以看到仿真结果与尸体实验结果一致。
图5
3 种胸部模型的左肺第一主应变云图
Figure5.
First principal strain contour of the left lung of three models
图6
3 种胸部模型的右肺第一主应变云图
Figure6.
First principal strain contour of the right lung of three models
Yamada 等[12]的研究表明，0~9 岁儿童心肌的极限拉伸应变为 62.6%±6.9%，当第一主应变达到 30%时心肌组织便开始出现挫伤，因此将心脏发生一般性挫伤的第一主应变损伤容忍极限值定为 30%。如图 7 所示 3 种胸部模型心脏的应变云图。无肌肉模型、等效肌肉模型、真实肌肉模型的心脏最大第一主应变分别为 50.5%、35.8%、40.2%，可知无肌肉和脂肪缓冲的胸部模型的心脏最大主应变明显高于等效肌肉和真实肌肉模型，等效肌肉模型的心脏最大第一主应变低于真实肌肉模型，这也主要是由于等效肌肉模型对撞击的缓冲大于真实肌肉模型导致的。采用等效肌肉模型和真实肌肉模型仿真获得的心脏最大第一主应变值相近且稍高于损伤阈值（30%），可见碰撞会致使心脏出现轻微挫伤，而未产生破裂伤。从图 7 中可以看出心脏损伤的位置集中在与椎骨接触的心脏外表面。文献[3]中并没有报告心脏是否损伤，但采用胸部有限元模型进行仿真可以预测碰撞中心脏的损伤状况。
图7
3 种胸部模型的心脏第一主应变云图
Figure7.
First principal strain contour of the heart of three models
对等效肌肉胸部模型和真实肌肉胸部模型碰撞时内脏的时间-应变曲线研究表明，等效肌肉模型中，心脏、左肺、右肺达到失效值的时间分别为 6.8 ms、7.4 ms、4.4 ms，而真实肌肉模型中心脏、左肺、右肺达到失效值的时间分别为 6.4 ms、6.9 ms、4.2 ms，可以看出，等效肌肉有限元模型的心脏和左、右肺达到失效的时间稍迟于真实肌肉有限元模型，这主要是由于等效肌肉模型之间没有空隙，在受到撞击时等效肌肉的缓冲作用要大于真实肌肉。
采用胸部有限元模型进行碰撞仿真时等效肌肉和真实肌肉对碰撞中内脏的生物力学响应影响是不同的，由于真实肌肉模型具有更高的生物仿真度，其仿真结果应该更可靠。
3 结论
本文构建了具有真实肌肉和等效肌肉的六岁儿童胸腹部有限元模型，应用该模型分析了肌肉的生物仿真度对胸部碰撞生物力学响应的影响，采用等效肌肉的胸部模型仿真得到的内脏最大第一主应变值小于真实肌肉模型，而且从等效肌肉和真实肌肉胸部模型的接触力-变形曲线仿真结果与尸体实验结果通道的相关性来看，具有真实肌肉模型的仿真结果与通道的相关性要大于等效肌肉模型。等效肌肉虽然整齐有序，但难以代表真实肌肉的几何形状以及每条肌肉起到的作用，真实肌肉模型具有更高的生物仿真度，应该能够更准确地表征胸部的生物力学响应，并可用于研究儿童胸部的损伤机理。在胸部有限元建模中构建具有真实几何形状肌肉的模型是很有必要的。
人体中的肌肉在受到刺激时会产生主动收缩现象，本文中构建的肌肉模型虽然具备了真实肌肉的几何形状，但现有的肌肉力学模型无法准确表征肌肉的主动收缩现象，因此今后的研究中应进一步探讨如何在保证肌肉真实几何形状的条件下又能准确表征肌肉的主动收缩现象。
