头部伤害及碰撞模式对比

头部是全身最关键和脆弱的部位。如果头部有外伤，头骨发生骨折或塌陷，内部软组织就会受到挤压损伤。如果没有外部创伤，头部撞击和剧烈运动也会引起内部软组织伤害，其主要原因是内部软组织与头骨之间发生过度碰撞，即汽车安全界所称的“三次碰撞”。“一次碰撞”是指碰撞事件的起因，如车与障碍之间的碰撞；“二次碰撞”是指乘员肢体在车内与车体发生的碰撞；“三次碰撞”是指乘员的内部器官与身体腔体之间发生的碰撞。头部承受过大的外部加速度作用以后就会引起大脑组织发生“三次碰撞”（见图2.1和图2.2）。

图2.1　三次碰撞

图2.2　脑部“三次碰撞”伤害与颈部受力

脑组织浮动在一层脑脊髓液薄膜上，平时可以防止与颅骨内表面发生磕碰。在不承受直接打击的情况下，汽车事故引发的头部剧烈运动就足以引起大脑与颅骨之间的激烈碰撞。大多数脑伤属于中等程度损伤，也就是常说的“脑震荡”。脑震荡的生理症状包括：短时意识丧失、定向障碍（交替性意识）、头疼、恶心、呕吐、身体协调丧失、晕眩、失衡、视觉模糊、耳鸣、嘴里有金属味道、疲劳、睡眠规律改变，等等；在认知和情感上的表现为：长期和短期记忆丢失、困惑、注意力与思维能力下降。虽然90%的脑震荡受伤者可以在4个月内恢复健康，但是少数人的症状会持续一年以上甚至成为永久性症状。更严重的伤害程度包括更长时间的意识丧失、黑视（由于脑脊髓液流失而引起）、痉挛、瞳孔扩大、发音含糊和四肢麻木无力等。

图2.3表示了两种作用在头部的加速度形式，虽然两个加速度曲线下的面积相等，但是对头部损伤的效果是不同的。生物力学研究结果表明，头部损伤的严重程度不光与头部加速度峰值有关，同时还与加速度持续作用的时间有关，也就是说，如果持续时间很短，即使大脑承受很高的加速度峰值也不会有危险。普通车辆的刹车加速度一般在-11～-8m/s2，赛车利用宽轮胎、特殊轮胎材料、给轮胎增加气动下压力等措施可以达到5g。车辆与刚性壁之间发生50km/h的碰撞时，假设全部停止过程需要0.2s，如果车体设计不当，其加速度峰值将会超过100g。从5g到100g，不同的持续作用时间对人脑有不同的伤害结果。

图2.3　两种头部加速度形式

加速度幅值与脉冲持续时间对伤害程度影响的初期试验数据只有六个数据点，来源于早期的美国军方资料，这就是著名的韦恩伤害曲线WSTC（Wayne State Tolerance Curve）^[2]，是当今头部伤害评价方法的原型基础。由于韦恩伤害曲线在80g处渐近于加速度作用时间轴线，因此早期的内饰头型撞击标准是80g以上的加速度作用不能超过3ms。韦恩伤害曲线从公布开始就受到多方评论，主要的问题有：数据太少、测量方法不确定、加速度水平定义不准确、试验中没有可以直接度量功能性脑损伤的生物力学指标，等等。

首次对头部伤害进行评价的指标是Gadd伤害指标SI（Severity Index）^[3]，其将伤害值定为加速度峰值与作用时间之间的乘积。鉴于身体不同部位对加速度的承受能力不同，根据经验值对不同的身体部位采用不同的加权指数。对于头部，加权指数n=2.5。SI计算公式如下：

（2.1）

式中，t为加速度作用时间。

图2.4　加速度波形的积分区域

在进行不同车型与不同碰撞模式的头部损伤对比时，这个模型的一致性不是非常令人满意，为此SI的表述方法得到了进一步修正。对图2.4所示的加速度波形积分，在任意两个时间点t1和t2之间，平均加速度可以表示为：

（2.2）

同时考虑时间因素和头部的加权指数2.5，构建一个新的头部伤害指数HIC（Head Injury Criterion）^[4]：

（2.3）(www.xing528.com)

（2.4）

HIC是美国高速公路安全管理局NHTSA于1972年开始采用的，一直被沿用到当今碰撞试验的假人伤害评价计算中。起初，NHTSA对Δt=t1-t2的时间区域长短规定是任意的，后来的经验发现，比36ms更长时间的加速度并不会带来更大的伤害，另外短于3ms的加速度峰值也不会给大脑带来实质伤害，因此积分区间取小于36ms的任意区间。综合这两种现象，可以从两方面来评价头部加速度耐受极限，一是在36ms以内的HIC36的限值（如规定小于1 000），二是持续3ms以上的加速度峰值（如规定小于80g）。AAMA建议将HIC的采样时间降低至15ms间隔^[5]，同时要求15ms区域的HIC15小于700。

AAMA推荐15ms计算区间的理由是，HIC计算所依据的那些最原始的骨生物力学断裂数据显示，样本的头骨骨折或者脑组织损伤都是在15ms以后发生的^[6]。AAMA还引用了一个志愿者试验的研究结果，试验对象承受了高于1 000的HIC36冲击，并没有出现头骨损伤和脑组织损伤，因此结论是HIC36也同时高估了头部与气囊发生长时间撞击时的伤害风险。缩短区间以后，更多的尖细加速度峰值会被纳入伤害计量中，因此HIC值会上升。对此，文献[6]根据引入295次NCAP试验数据观察，认为HIC15的700限值和HIC36的1 000限值对长时间事件的评价没有严格度的区别，因为限值降低到700，补偿了间隔缩短后的伤害值的上升效应。对于短期冲击，两个指标在数值测量上没有表现出任何差异，HIC15标准有可能更加严格。AAMA建议，由于成人HIC的700限值与儿童、5百分位女性之间的比例关联度还不十分确定，故还是应当采用较严格的HIC15标准。文献[7]也认为，HIC15的指标比HIC36更加严格。

由于头部结构与伤害机理的复杂性，任何一种生物力学指标都不可能全面描述头部的伤害行为。与WSTC曲线类似，HIC仍然存在很多问题，例如，HIC是否适用于非碰撞引起的脑部加速损伤评价？HIC如何评价擦边碰撞损伤？对36ms的HIC时间区域，伤害值1 000与等加速度值60g相当（），那么高于1 000的HIC意味着什么呢？高于1 000或者低于1 000的HIC是否与大脑承受60g时的损伤程度成比例地上升或者下降呢？因此，在FMVSS 208以及其他国家的车辆法规里所采用的HIC并不包含任何直接的生物机体伤害机理含义。文献[8]认为，当HIC小于1 000时，严重伤害的概率小于20%，但是，HIC的计算目前还不能当作一个伤害度量的预测方法，只能在仿真生物力学试验里当作一个“及格／不及格”的判据。

HIC的判定是基于头骨断裂判据，而不是脑组织损伤判据，在道路交通事故里经常有在未发生头骨断裂的情况发生脑组织损伤的情况，这是HIC所不能预测的。还有，HIC对头部角加速度的影响没有加以考虑。

文献[9]的研究表明，头部载荷主要来源于两种作用：直接作用和非直接作用。直接作用是指头部直接与车室内饰部件发生碰撞，生物力学响应的特征是以线性加速度为主，伴以轻微的角加速度。非直接作用时，头部在没有任何接触的情况下就出现一个猛烈动作。非接触作用的头部载荷主要是因为躯体突然动作，通过颈部联动作用于头部，其会引起较大的头部角加速度。

HIC只把头骨当作刚体考虑平动动能，以模拟直接作用为主。文献[10]提出了考虑头骨变形和非刚体脑组织特性的HIP（Head Impact Power）指标。HIP的计算是基于平动动能与转动动能的总变化率而测量的，是“黏滞性指标”^[11]的进一步发展。黏滞性指标认为，对于黏滞性器官（脑组织就具有黏滞特性），当其压缩量C与压缩速度v之间的乘积超过一定量值以后，器官就有可能受损。黏滞性指标后来也被用于评价其他胸腔内的黏滞特性器官损伤。因为头部组织的复杂性和执行试验的难度，目前还没有公认的准确伤害的预测方法，因此除了HIC，更全面的评价指标^[12]还没有被官方标准所采纳。

其他的头部伤害指标还包括：

HAC（Head Acceptability Criterion），用于ECE R80。计算公式同HIC，时间区域不限，HAC取最大值。

HIC（d）：权重式HIC，用于FMVSS 201。计算方法基于HIC36：

HIC（d）=0.754 46HIC36+166.4（2.5）

HPC（Head Performance Criterion）。在ECE R94、R95中，HPC36数值计算与HIC相同。如果头部接触时间能明确确定，则将其定义为积分区域的开始时间t1，t2定为记录结束时间。行人保护采用HPC15指标。

HCD（Head Contact Duration）指头部接触时间。HCD是头部接触期间内的最大HIC值。为确定接触时间，首先要计算接触头部的接触力F：

（2.6）

式中，m为头部质量；ai为i方向上的头部加速度；Fi为i方向上的颈部上端力。

当接触力稳定超越下限（200N），并穿越上限（500N）至少一次时，在与下限水平的平面上确定接触区域（见图2.5）。HCD是所有接触区间里的最大值。HCD概念被应用于SAE J2052和ISO/TC22/SC12/WG3 N 282（1990）。

图2.5　HCD计算方法