陈吉清等
摘 要：在汽车碰撞中，乘员腹部损伤最常见的是实质性脏器损伤，如肝脏、脾脏、肾脏等，主要由汽车前部转向系统、侧门、仪表盘、安全气囊等造成。汽车碰撞中乘员腹部损伤生物力学的研究任务是探讨腹部各组织和器官的损伤与力学因素的关系，比如力、加速度、变形等，建立相关的评估损伤标准参数。分别从腹部损伤影响因素、腹部生物力学响应、腹部损伤耐受限度等方面对近年来国内外在汽车碰撞乘员腹部损伤生物力学方面的研究进展做了总结概括。
关键词：汽车碰撞；腹部；损伤机理；生物力学响应
中图分类号：Q66，R318.01文献标文献标识码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2015.02.01
Abstract：Abdomen is a vulnerable part of the body， in which blunt impact injury often occurred. Solid visceral injury is one of the most common injury forms in abdominal injuries， e.g. the injuries to solid viscera such as the liver， spleen， or kidney when colliding with the steering wheel， side door， instrument panel or airbag. In car collisions， the research on abdominal injury biomechanicsis to study the relationship between the damage in abdominal tissues and organs and the mechanical factors， such as force， acceleration and deformation and to establish relevant standard parameters for damage assessment.This paper provides a summary of research progress in abdominal injury biomechanics at home and abroad in recent years， respectively from three perspectives： the mechanism of abdominal injury， the biomechanical response of the abdomen and the tolerance limits of abdominal injury.
Key words：car crashes； abdomen； injury mechanism； biomechanics response
在交通事故中，腹部是人体较容易受伤的部位，常发生腹部的钝性撞击损伤，虽然在损伤之初看似伤害并不明显，但严重时可能会危及生命。譬如，在侧面碰撞造成的严重损伤（AIS≥4）中，有五分之一是腹部损伤[1]。因交通事故伤及腹腔主要脏器致死的占交通事故总死亡率的14%～24%[2]。腹部损伤最常见的是实质性脏器损伤，如肝脏、脾脏、肾脏等，主要是由汽车发生碰撞时前部转向系统、侧门、仪表盘、安全气囊等造成。在汽车碰撞中乘员腹部损伤生物力学的研究任务主要是探讨腹部各组织和器官的损伤与力学因素的关系，建立相关的损伤评估标准参数，比如力、加速度、变形等[3]。在探讨腹部的力学响应时，很难进行相关试验，而且获得的结果也难以解释。因此，缺乏关于响应的损伤预测参数和损伤机理的知识[4]。本文分别从腹部损伤机理、腹部生物力学响应、腹部损伤耐受限度等方面对近年来国内外在汽车碰撞中乘员腹部损伤生物力学方面的研究进展做了总结概括。
1 腹部损伤影响因素
车祸时，乘员腹部常受到瞬间猛力的撞击，损伤以闭合性腹伤为主[2]，且同时累及肝、脾、肾等重要的腹内脏器[5]。人体腹部的解剖学结构较为复杂，故存在很多因素影响碰撞严重程度。首先，腹部脏器的解剖学、组织学特征决定了撞击部位对其损伤风险有直接影响。腹部骨结构对腹部内脏的保护较少，内部器官在前部和侧面撞击中更容易产生变形而造成血管破裂与内部组织的损伤[3]。腹部空腔脏器如胃、小肠、大肠等损伤程度一般为AIS1～2，其它实体器官如肝脏、脾脏等损伤引起的伤害则上升至AIS3～6[6]。肝脏位于右上腹，紧靠腹壁，是腹腔中最大的实质性脏器，且质地较脆，相对固定。上腹部的钝器冲击会导致肝与脾相对位移和不均匀性变形，致肝脏发生撕裂性或破碎性损伤[7-8]。腹部变形引起肝的相对运动也使血管产生拉伸和剪切。如果组织变形较大将撕裂肝血管，导致腹腔积血。Lee等人[6]对美国国家公路交通安全管理局（NHTSA）建立的交通事故数据库系统（National Automotive Sampling System，NASS）中1993～1997年交通事故进行了详细的分类。实体器官损伤数量远高于空腔器官，且在实体器官中脾脏、肝脏更容易受到损伤。
不同撞击部位也会引发不同力学效果。罗新林等人[9]用113只新西兰白兔分别按6个撞击部位进行试验，结果得到左侧腹撞击脾损伤发生率高，右侧腹撞击肝损伤发生率高，且上腹部撞击损伤重于侧腹部。Ruan等人[10]通过总结前人的研究以及应用有限元全人体模型的计算机模拟发现，同样撞击物以相同速度对模型的左侧及右侧撞击产生的力学效果有明显差别。右侧撞击较左侧：（1）撞击力以及力变形的峰值出现较晚，但峰值较高。（2）腹腔变形量较大。（3）肝脏内部的压力较大。这种差别在撞击速度越低时表现越明显[11]。再者，在汽车碰撞中，汽车内部的转向装置、侧门、扶手、仪表盘及杂物箱等对损伤结果影响很大。比较常见的碰撞有：驾驶员胸部与方向盘发生碰撞，前排乘员与仪表盘相撞，安全气囊引爆对胸腹部的作用等[3]。来自于1993～1997年间NASS的数据显示，由驾驶舱侧面包括内饰、扶手在内的装置引起的AIS3～6碰撞损伤的比例高于由驾驶舱前面包括挡风玻璃、转向装置、仪表盘、杂物箱在内的装置引起的同等程度损伤的比例[6]。驾驶员的肝脏破裂则常为方向盘的直接作用所致[12]。在国外，转向盘的变形量被建议作为评定胸部损伤、腹部损伤和整体损伤程度的预测值运用到汽车碰撞事故中[13-21]。
2 腹部损伤机理
损伤机理是对引起人体组织解剖和功能伤害的力学因素的描述，即说明人体组织或器官在受到外部冲击时是如何损伤的，这是人体损伤生物力学研究的基础[22]。
钝性冲击致伤因素主要包括能量传播方式、冲击速度、加载方式等，这些因素引起的血压、组织压的剧烈变化也与腹部损伤密切相关。冲击导致脏器严重形变，使内部血管压力陡然升高，而冲击能量则以压力波的形式进行传播[23]。Nusholtz等人[24]认为冲击能量能够较准确地判断出腹部损伤。粘性准则（VC）、腹部损伤准则（VmaxCmax）、腹部压缩量、力的峰值、撞击速度等都与传递的能量有关。Viano等人曾指出，机体受到物体撞击时，致伤的危险性与冲击物体传递到机体的能量有关[25]。研究者们通过尸检对293例平面跌落伤及台阶跌落伤分析发现，仅4例存在肝脏破裂，其中3例为腹部受到坚硬障碍撞击。计算发现，跌落时的能量传递时间较长，对肝脏影响相对较小[11]。撞击速度是影响腹部创伤程度的关键因素。Talantikite等人[26]探究了速度分别为4～7 m/s时腹部损伤情况，结果出现2个AIS4、1个AIS3和3个AIS0。Rouhana等人[27]指出当速度超过5 m/s，只考虑侵入量已经不足以描述腹部损伤程度，还要把速度因素考虑在内。Lau等人[28]进行的腹部撞击试验中保持压缩量为16%不变，得出速度高于12 km/h会伴有肝损伤，速度高于14 km/h会引起肾损伤。Cavanaugh等人[29]于1986年报道了正面撞击中撞击速度与腹部损伤的关系，指出损伤程度与撞击速度和撞击质量成比例关系。Viano等人[30]进行腹部侧面撞击时指出高速状态下如速度达到9.8 m/s时出现肝撕裂伤和肋骨骨折，损伤程度为AIS3～4，此时粘性损伤准则已不足以评估损伤程度。Hardy等人[31]研究正面撞击效应时发现肝脏内压强随着撞击速度的增加而增大，撞击速度达到6 m/s时压强可以达到167 kPa，即可出现肝脏前缘纵向撕裂伤。撞击速度达到9 m/s时压强达到240 kPa，同样出现肝脏撕裂伤。Trollope等人通过手术手段使猴子的肝脏暴露出来，直接撞击肝脏，试验发现0.67 kN的力能够产生ESI≥2（相当于AIS3～4）程度的损伤，而如果对完整的试验对象进行撞击，需要1.56 kN的力才能产生相同程度的损伤。Sparks等人[ 32]用生理盐水灌注肝脏，撞击过程中测量肝脏组织压和血压。结果表明，组织压强增加速率峰值与组织压强峰值乘积与肝脏损伤相关性最高。蔡志华等人[33]利用生物力学有限元仿真分析方法对胸部在冲击作用下的力学响应与损伤进行仿真研究，探索了肋骨在冲击作用下胸部的整体响应与肋骨骨折损伤机理，分析了汽车安全法规中用胸部变形量作为评估正面碰撞肋骨骨折损伤的有效性。
3 腹部生物力学响应
生物力学响应是指人体组织受到外部冲击时所产生的力学和生物学特征等方面的响应以及由此所造成的人体相关组织或器官的生物学特征变化。汽车碰撞事故中，人体腹部各组织在方向盘、安全带等的作用下将产生加速度、压缩位移等动态响应，以及该响应值超过其可承受的范围时人体组织或器官发生的撕裂或出血等损伤响应[22]。同人体其它部位一样，腹部的受力响应可以使用尸体试验和动物试验得到。碰撞位置、撞击物的形状和碰撞过程中试验体的姿势会对结果产生影响。
3.1 正面撞击的生物力学响应
交通事故中腹部损伤数据表明，超过一半的AIS2+损伤是由正面撞击造成。安全带的使用将正面撞击损伤风险降低了75%～85%。多数损伤案例是由方向盘刚性侵入或安全带的约束载荷超过耐受极限造成。Cavanaugh等人[29]进行了尸体腹部碰撞试验，试验使用长381 mm，截面直径为25 mm，32 kg重的刚性棒模拟方向盘撞击L3腰椎位置，撞击速度范围为4.87～13.01 m/s，得到力-变形响应。低速时（平均速度为6.1 m/s）腹部初始刚度为20.8±5.4 kN/m，高速时（平均速度为10.4 m/s）腹部初始刚度为70.3±5.9 kN/m。腹部损伤一般会在66%变形量时出现。
Hardy等人[31]对10具尸体进行模拟方向盘撞击试验，试验对象固定坐姿双腿水平伸直，撞击点在中腹部（L3腰椎），速度分别设定为3 m/s、
6 m/s和9 m/s。试验得出3 m/s时的平均刚度为10 kN/m；6 m/s时平均刚度为27 kN/m；9 m/s时的平均刚度为63 kN/m。
在腹部损伤研究领域中，安全带的作用经常是人们讨论的重点。假设安全带对于腹部的钝性碰撞是由车内乘员的下潜或安全带放置不当造成，二者都主要与腰部安全带或者三点式安全带的腹带部分有关。下潜发生在速度变化（Δv）极高的碰撞中，当乘客的骨盆滑向腰带下方时安全带的腰带对腹部加载。Miller等人[34]用猪作试验对象进行了下腹部安全带约束试验。把试验对象仰卧置于V形支撑架上。安全带固定在与执行机构相连的C形支架上，加载位置位于第4腰椎处。加载速度在1.6～6.6 m/s范围内。试验得到最大压缩量、最大粘性系数等。其中最大力和最大压缩量的乘积与损伤程度AIS3+吻合得很好。随后1989年Rouhana等人[35]也进行了安全带的试验，试验对象为猪的尸体。主要是为了把尸体试验同活体试验作对比，从而估计出人体的生物力学响应。将两个试验的低速组数据用单因素方差分析方法进行处理，结果发现没有很大差别
（p<0.05）。Hardy 等人[31]进行了人的安全带尸体试验。安全带绕过腹部前面并通过腹部最侧边点。加载条件分别为自由背部中腹部（在L3腰椎水平）加载、下腹部加载和固定背部中腹部加载。研究人员通过分析数据得到力-变形响应曲线，发现固定背部试验结果与自由背部相似，但是力的峰值更高一些。下腹部的力-变形响应比中腹部更高。与Miller在1989年做的试验对比，该试验测得的刚度是Miller所做试验的4倍。这可能与安全带的加载方式有关。Miller试验中腹部侧面没有约束，允许形变。然而在Hardy试验中，安全带环绕腹部，限制了腹部的形态。同时与Cavanaugh（1986）的试验相比，刚度也是比较大的，主要由于Cavanaugh的碰撞速度比较高，而且撞击器是刚性棒而非安全带。
3.2 侧面撞击的生物力学响应
Viano等人[30]曾做过关于胸、腹、骨盆侧撞力学响应的尸体试验。将其双手举过头顶绑住，撞击时释放约束。撞击位置位于尸体正中面偏左或偏右60°，通过重心和剑突下方7.5 cm。撞击器是直径为15.2 cm、重23.4 kg的平面摆锤，撞击速度范围是3.6～10.2 m/s。将试验结果整理为4.3 m/s、6.7 m/s和9.5 m/s三组，如图6～8所示。分析得到的力学响应，力-变形曲线的载荷稳定区域表征了初始刚度。在这些尸体试验中，有一个样本受到左边速度为9.8 m/s
的撞击，导致横膈膜和肝脏撕裂（AIS4）。另一个样本为右侧9.8 m/s撞击，导致肝损伤（AIS3）。其它为肋骨骨折。
华南理工大学蔡志华等人[33]用有限元方法分析了不同速度侧碰条件下肝脏的受压情况，如图9所示。曲线表明侧面碰撞过程中速度越快，峰值压力越大，震荡峰值越大，产生的负压也越大。
3.3 腹部脏器的生物力学响应
3.3.1 肝脏
在腹部遭受撞击时，肝损伤发生率位于各脏器损伤的第2位，约为15%～20%[36]。因此建立肝脏钝性撞击伤的生物力学模型，计算分析撞击过程中肝脏损伤与力学因素及力学响应的关系对提出有效的防治措施具有重要的社会和临床意义[37]。1973年Melvin等人[38]用手术方式取出恒河猴肝脏，对其进行等速单轴压缩试验。3组加载速率分别为0.05 m/s、
2.5 ms、5.0 m/s。试验结果表明肝脏的力学特性与加载速率有关。图9～11分别表示了3个不同加载速率下的肝脏应力-应变曲线。研究人员发现一般在压缩应力310 kPa时发生损伤，另外撞击表面积为11.6 cm2，那么产生的撞击力就是360 N。由于该试验直接作用在肝脏组织上，因此恒河猴与人的解剖学差异降到最低。
2002年Tamura等人[8]用新鲜的猪肝组织做单轴压缩试验，加载速率为0.05 m/s、0.5 m/s、5 m/s，产生的应变率为0.005 s-1、0.05 s-1、0.5 s-1。结果表明，失效应力随加载速率增加而增加，但是失效应变基本保持恒定。故研究人员表示可以考虑用组织失效应变来预测肝损伤情况。
安波等人[23]探讨了下落撞击对狗下腹部致伤时血流压力变化、腹腔压缩变形和肝实质局部变形位移对肝脏损伤的生物力学效应。试验得到的腹腔相对压缩变形量与时间的曲线如图14所示，表明腹腔的压缩变形与撞击载荷之间有粘弹性关系。
蔡志华等人[33]用有限元方法分析了不同初始速度下正面碰撞导致的肝脏压力变化。5.4 m/s初速度下肝脏压力的峰值达到0.9 MPa，6.7 m/s的峰值约为1.4 MPa，8.9 m/s的峰值则为1.7 MPa。从曲线中可以看出，速度越快，肝脏处承受的压力越大。
麻晓林等人[40]分析撞击瞬间腹部及肝脏的变形情况。发现肝脏损伤与撞击速度和压缩量有很大关联，这也就直接证明了黏性标准即VmaxCmax用来预测腹部损伤的有效性。
然而应力-应变在肝脏表面的具体分布，以及损伤中肝脏各部分的动力学响应等研究内容目前仍较少涉及，相关结构的动力学特性需要进一步研究。
3.3.2 肾脏
1973年Melvin[38]用恒河猴肾脏做了单轴压缩试验，应力应变结果如图18所示。结果表明肾损伤发生在900 kPa（产生1 kN的力）时，这比肝脏的耐受值高很多。同时还发现出现ESI1-2级肾损伤的应力与ESI4-5级的应力值差别不大。但是研究人员提出应变值更适合作为损伤的预测参数。
1999年Farshad[41]用猪的肾组织做单轴压缩试验，加载速率为1 mm/min、10 mm/min、100 mm/min、
500 mm/min，加载方向分别为沿着半径方向和切线方向，半径方向是从肾脏中心指向外部，切线方向与之垂直。发生损伤时半径方向最大正应变值为250 kPa，切向方向最大应变值为180 kPa。研究人员也注意到随着加载速率增加，失效应力增加，失效应变降低。而且，半径方向和切线方式的失效应变差距增大。图19表示了100 mm/min的加载速率下的应力-应变曲线。
2002年Tamura等人[39]也做了猪的肾组织试验。试验方法与肝组织试验相似，结果也是推荐失效应变作为损伤预测指标。图20表示了3个加载速率下的应力应变曲线。
2005年Snedeker等人[42]分别用猪肾的部分组织样本和完整的肾脏研究了高速时肾脏的力学特性。试验准备了两种加载方法，一种是利用下落重物获得3～7 m/s的加载速率，另一种是用气动弹射撞击器获得25 m/s的加载速率，每组样本都反复加载直至组织失效。失效方式大多是垂直于加载方向的拉伸破裂。为了描述肾组织的力学特性，研究人员测得组织失效时的应变能密度。测得的结果显示肾表皮组织在25～60 kJ/m3时破裂而肾脏损伤的应变能密度是15～30 kJ/m3。研究人员认为可能是由于肾脏内部受力不均匀导致肾脏的应变能密度比较低。
4 腹部损伤耐受极限
通过总结前人在量化腹部损伤的生物力学响应和讨论作为腹部损伤预测因素的力学参数等方面做出的成绩，可以发现关于损伤耐受限度的研究结果不多，这也反映了腹部研究的复杂性。Walfisch等人[43]探究侧面撞击腹部损伤情况时得出腹部受到AIS3+创伤时的耐受值，最大力为4.5 kN，最大压强为260 kPa。Rouhana等人[27]在侧碰条件下使用麻醉后的兔子进行的试验证明VCmax是时间函数，比VmaxCmax更能洞悉腹部损伤情况，因此适合作为腹部损伤的预测参数。而且研究者还发现在很低的加载速度下（例如安全带的加载），最大压缩量是一个更好的腹部损伤预测参数。对于速度超过5 m/s的碰撞，仅用压缩量预测损伤已经不合适，还应该把速度考虑在内，速度与最大压缩量的乘积要比单独的最大压缩量或者最大速度更能准确预测损伤风险。Viano等人[30]用逻辑回归方法计算出了50%可能发生严重损伤（AIS4+）的耐受限度，VC=2.26 m/s，C=46.8%。同样，对于AIS3+的损伤程度，耐受极限为VC=2.01 m/s，C=51.2%。Talantikite等人在通过对尸体的研究后提出对于AIS3+的损伤，最大可承受力为4.4 kN，VC=1.98 m/s。Miller等人[44]在模拟转向系统引起的腹部损伤时用卡方检验法分析结果，总结得出VCmax与AIS4+的腹部损伤有极大的相关性。之后在用猪做试验时，发现在安全带载荷作用下，力的峰值Fmax、最大压缩量Cmax、VCmax、VmaxCmax等与AIS≥3和AIS≥4时的下腹部损伤具有较好的相关性。并且该试验还总结出在25%或50%可能性发生AIS3+或AIS4+损伤时最大压缩量Cmax、最大力Fmax、最大压强Pmax和FmaxCmax的最大限度，见表2。
1993年Talantikite等人[45]对人体肝脏单轴压缩加载，报告指出人体肝脏能够承受高达340 N的力而不发生任何损伤。500 N的力会发生AIS3级损伤，650 N的力会产生AIS5级损伤。Sparks等人用独立的肝脏做坠落碰撞试验得出肝脏组织压强变化率与组织压强峰值的乘积和组织损伤情况的相关性最好，50%可能遭受AIS3+的肝脏损伤的值为
1 370 kPa。Melvin和Lau等人都分别对撞击中施加在肝脏上的压强与肝脏损伤的关系作了研究。Melvin得出310 kPa能够使肝脏产生ESI≥3（相当于AIS4～5）程度的损伤，而Lau则是发现350 kPa的局部应力可能使肝脏表面撕裂。Ruan等人用有限元方法模拟了腹部撞击过程，仿真结果显示导致肝脏损伤的平均压强为302 kPa。试验与仿真的撞击条件均不相同，但是结果均在合理范围内波动，这些数据也进一步为今后对肝脏损伤压强耐受值的研究提供佐证。在对肾的钝器碰撞研究工作中，发现4 J的碰撞能量极限或者其相应的应变能量密度25 kJ/m3能造成从中等到严重的肾损伤[46]。
关于腹部损伤的耐受极限问题，研究学者们在过去几十年的时间里已经做了大量工作，无论从试验还是仿真角度，众多的研究成果为后续工作提供了重要的参考价值。然而，由于研究过程中试验对象的物种、储存条件、试验环境的差异等问题，至今该研究领域都缺乏能够得到广泛认可的研究结果。
5 结论
人体腹部损伤生物力学研究任务就是探讨腹部各组织和器官的损伤与力学因素的关系，寻找能够减少或避免机体结构和机体在撞击过程中遭受损伤的途径。腹部损伤受多方面因素影响。解剖学方面，人体腹部骨结构的保护功能较弱，各脏器因其特殊的解剖学结构表现出不同的损伤特性，不同形状、刚度、位置的撞击物也引起等级各异形式多样的损伤。除此之外，腹部损伤的严重程度还取决于撞击能量的传递形式，撞击载荷的质量、速度和作用方式等因素。本文还总结了各种碰撞条件下腹部的生物力学响应试验，由试验可以得出作为预测腹部损伤程度较为合理的参数或标准。在耐受极限方面，目前的研究成果多数采用动物替代试验，距离应用到人体还有一段距离，所得结果还无法准确提出损伤中人体各组织的极限值。
我国在生物力学研究方面起步较晚，相关试验数据均是借鉴欧美国家的研究成果，然而由于中国人体的解剖学结构与欧美略有不同，直接采用欧美人体数据会对研究结果产生一定影响。
通过总结近年来在人体腹部损伤力学领域的研究成果，可以清楚看到在该领域仍存在一些有待深入挖掘的课题：（1）关于安全气囊引起的腹部损伤，这可能和安全气囊与腹部损伤之间的相关性不明显有关。（2）转向系统与人体碰撞引起的胸腹联合损伤。（3）腹部损伤发生率最高的碰撞情况与腹部损伤最严重的碰撞情况。（4）考虑肌力学后的腹部损伤等。加强对人体损伤生物力学的研究，建立基于中国人体损伤特征的标准对进一步完善中国汽车碰撞法规有重要意义。
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作者介绍
责任作者：杜天亚（1989-），女，山东济宁人。博士研究生，主要研究方向为人体损伤生物力学。
Tel：15521335995
E-mail：dty_525@163.com
通讯作者：陈吉清（1966-），女，湖南郴州人。博士，教授，主要研究方向为车身工程与轻量化设计。
Tel：020-87111030-3222
E-mail：chjq@scut.edu.cn
