儿童视力保护措施范文

导语：如何才能写好一篇儿童视力保护措施，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

篇1

关键词：损伤机理；儿童约束系统（CRS）； 有限元模型； 保护措施

中图分类号：U461.91文献标文献标志码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2012.01.003

Study on the Child Passenger Injury Mechanism and Protection Measures

Cao Libo， Zhang Ruifeng， Liu Yao

（State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body，Hunan University，Changsha，Hunan 410082，China）

Abstract：The anatomy of children's physical characteristics and injury mechanisms were analyzed. The development of the child head and chest FE models and the improvement of the child dummy model were introduced. Then, two new kinds of child restraint systems (CRS), multi-function system and integrated system, were proposed. Computational simulation results show that these two kinds of child restraint systems can provide effective protection for child occupants.

Keywords：injury mechanism；child restraint systems (CRS)；FE model；protection measures

根据中国公安部交通管理局的统计数据显示，在2005年至2008年期间中国分别有6 082名、5 269名、4 766名、4 243名15岁以下的儿童在交通事故中丧生 [1]。尽管这些数字在每年总体交通事故伤亡中所占比例并不大，但在中国每个家庭只有一个孩子的政策下，孩子的伤亡对家庭来说是巨大灾难。因此，儿童乘员的安全问题越来越受到国家、社会和家庭的重视。而在美国，因为强制实施了儿童乘车安全法规，从1975年至2008年期间，儿童约束系统（Child Restraint Systems，CRS）至少挽救了8 959名儿童的生命，2008年只有1 347名14岁及以下的儿童因车祸死亡[2]。

目前，由于儿童生物力学试验数据缺乏，研究人员通常通过对成人的数据进行缩放来研究儿童的损伤机理及进行数值分析[3]。然而，儿童和成人在身体结构上存在显著的差异，儿童并不是缩小版的成人，损伤机理也有所不同。成人使用的乘员约束系统不能对儿童起到有效的保护作用，甚至还可能对儿童造成伤害。因此，研究儿童乘员损伤机理及相关保护措施具有重要意义。

1 儿童生理解剖学特征

1.1 比例特征

儿童头部大而重，体干长、腿短，这是与成人明显不同的生理解剖学比例特征。

在不同的年龄阶段，头部占身体的比重有很大的差别。据有关资料显示，婴儿头部重量约为其体重的一半，3岁和6岁的时候，头部重量占其体重约为18%和16%，而成人头部重量只占其体重的6%，如图1所示[3]。 

从儿童头部占身体长度的比例来看，不同的年龄也有很大的差别。新生儿的头部占身长的1/4，而成人的头部只占身长的1/7。图2反映了典型时期儿童头部与身体的比例关系。

体干长度占身体长度的比例也是随年龄的增长而发生变化的。儿童出生时的体干长度占身长的比例约为70%，3岁时约为57%，女孩13岁或男孩15岁时约为50%。新生婴儿身长的中点略高出肚脐，到2岁时在肚脐的下方，16岁时身长的中点接近耻骨[4]。

1.2 结构特征

1.2.1 头部

儿童的头部形状与成人的头部形状有很大差别，如图4所示。儿童的面部较短，占整个头部的面积较小；头盖骨在前后方向的长度明显比成人的长；婴儿的面部与头盖骨的面积比为1∶8，而成人为1∶2.5。婴儿的前额高而突出，使面部藏在质量较大的脑壳下方[4]。

婴儿颅骨是由薄且富有弹性的骨头拼接而成的，骨头之间的连接非常灵活，整个颅骨非常柔软，且脑组织发育尚不完全，占颅内容积比例相对。婴儿的颅骨是不完整的，存在未封闭的孔洞，即泉门。婴儿出生两个月内后泉门封合，侧泉门在5～6个月间开始封合，前泉门在1～2岁间封合。头颅骨头之间的骨缝封合到3岁才逐渐完成。对3岁儿童来说，泉门基本已封合，头颅结构由人字缝、纵分面骨缝、矢状缝冠状缝等构成。

根据Sebastien Rotha的研究[5]，儿童头颅的杨氏模量是随年龄的不同而发生变化的。在6岁以前头颅杨氏模量较小且增长率较大，6岁后杨氏模量开始缓慢增长，直到20岁以后基本达到稳定。图5表明了不同年龄阶段儿童头颅静态杨氏模量的变化情况。

儿童大脑的几何形状也在不断变化。图6展示了6个月、20个月、3岁儿童和成年人大脑几何形状的演化情况。

1.2.2 颈部

颈部对儿童来说也是容易受伤的重要身体部位。幼儿的颈椎椎体中心和椎弓是由软骨形成的棘突起、横突起和成长软骨板连接起来的。环椎和轴椎在4～6岁间是不完全结合的[4]。成人的长软骨板与椎体融合，形成钩状突起和分成两片的棘突起。儿童颈椎的椎间腔较大，椎间关节的角度也随着年龄而变化。12岁时主要骨化过程完成并开始局部的第2次骨化，到成人时第2次骨化过程完成。

1.2.3 胸腔

新生儿的胸部横剖面接近圆形，随着年龄的增长，胸部的横向直径增大，横剖面逐渐呈椭圆形。新生儿的胸部周长比头部小，到1岁时就等于或略大于头部周长。

婴儿胸腔壁薄，胸廓相对表面积大，胸部肋骨接近水平，而且肋骨钙质少，骨性胸壁弹性好。胸部在突然遭受冲击时，虽然不容易出现并发肋骨、胸骨骨折，但易造成支气管断裂和血气胸。

1.2.4 骨盆

构成儿童骨盆的髂骨、坐骨和耻骨之间由软骨连接，且连接较松弛。七八岁时坐骨和耻骨骨化，12～14岁时Y状软骨骨化，18～22岁时骨盆完全骨化。碰撞过程中，在安全带直接跨过儿童盆骨的情况下，很容易损伤儿童的髂骨、坐骨和耻骨等骨骼。图7所示为儿童和成人的骨盆结构比较。

1.2.5 四肢

儿童四肢的骨骼大部分是长骨。四肢的腕骨骨骼和踩骨骨骼在1～14岁间逐渐骨化；长骨在1～20岁间逐渐骨化；膝盖骨完全骨化在青春期；肩肿骨在25岁左右才能完全发育成熟。

2 儿童损伤机理

儿童损伤主要可分为两种形式，侵入损伤和非侵入损伤。侵入损伤一般由高速弹出物或是低速尖锐物体对儿童的撞击导致。非侵入损伤是由钝物与儿童有大面积的相撞导致。

头部和颈椎是儿童受伤频率最高同时也最易受到严重损伤的身体部位。儿童乘员的头部较重，相对身体重心较高，颈部结构柔弱、肌肉不发达，碰撞事故中因受到冲击和惯性力矩的作用，头部急速向前作抛物线运动，容易与汽车内部碰撞，发生颅脑外伤。颈椎在头部的运动下受到较大的拉力和弯矩作用，脊髓会受到拉伸―弯曲形式的伤害。

儿童乘员胸部受到安全带的勒紧作用而产生过大压缩量时，胸腔内脏器官在压力和剪切力作用下易受损伤，尤其是肺挫伤。另外，胸腔纵膈膜的移位易导致心脏变位、大动脉折曲及肺和食道受压。

儿童的胸廓位置较高，肝脏和脾脏的大部分位于胸廓外，在外力压迫下腹部的内脏器官易受损伤。尤其是肝脏，容易受伤且伤后致死率高。儿童的大肠、小肠和膀胱都不完全处于骨盆内部，这些器官也容易受伤。作用力过大也可能造成胃穿孔。

儿童骨盆未发育成熟的皮质骨是多孔的，在碰撞侧可产生塑性畸形、青枝骨折和耻骨骨折。儿童骨盆关节松弛，伤后容易产生单块骨折，活跃的骨骺生长板损伤可引起晚期畸形。

儿童骨组织中的水分和有机物质（骨胶元）多，而无机盐（磷酸钙、碳酸钙）少，这些结构特点使骨的弹性较好而坚固性较差，在弯矩的作用下，儿童骨虽不容易完全折断，但易于发生弯曲和变形。

表1列出了在碰撞事故中儿童不同身体部位存在的损伤特点。

据统计，在正面碰撞过程中，身体各部位受伤频率见表2。

儿童在不同年龄和体重的情况下保护要求也各有不同，见表3。

因此，汽车儿童安全座椅应该能在以下状况保护儿童的乘车安全：（1）正面碰撞或紧急制动时，能有效防止儿童身体过度向前运动，避免头部二次碰撞，也不能因为安全带等的定位不佳而下潜。（2）侧面碰撞时，靠背侧翼和头枕侧翼能有效地保护儿童的躯干和头部。（3）后碰撞时，靠背和头枕能承托住儿童的躯干和头部，避免儿童颈部损伤。（4）侧翻时，安全座椅不能松脱，儿童身体不能脱离安全座椅。（5）儿童睡觉时，能保证儿童身体不会严重歪斜，以免碰撞时受到伤害。

3 儿童安全法规

目前全世界有超过40个国家出台了相关的法规，强制规定儿童乘车必须使用汽车儿童安全座椅，主要包括：欧洲ECE R44/04标准、美国FMVSS213、加拿大CMVSS213、日本JIS、澳洲AS1754、英国BS3254等。其中，欧洲的ECE R44标准由于其全面和严格，被许多国家借鉴和采用。由中国汽车技术研究中心等单位制定的《机动车儿童乘员用约束系统》强制性国家标准已经通过相关部门审批，预计在2012年1月起正式实行。

4 儿童模型

近10年来，由于计算机水平和软件能力的迅速提高，数值模拟技术取得很大的进展。研究人员已经开发出成年人的详细人体模型来研究碰撞中的乘员损伤机理和损伤防护。然而，在全世界范围内，儿童模型的开发还非常有限。建立和改进儿童有限元模型对开展深入的儿童损伤机理和防护措施研究具有重要的指导意义。

4.1儿童头部有限元模型

为了评估儿童脑部和头骨在交通事故中的损伤，湖南大学已经与美国韦恩州立大学合作基于颅脑解剖学结构建立系列的儿童头部有限元模型，包括1.5岁、3岁、6岁和10岁的儿童模型。这些模型主要包括小脑、脑干、大脑、胼胝体、脑脊液、颅骨的骨密质、骨疏质、皮肤、下颚骨、面颅骨等结构。图8为3岁儿童头部有限元模型，该模型已经利用LS-DYNA软件进行数值计算，并将计算结果与事故损伤数据进行比较，验证了模型的有效性，如图9所示。

4.2 儿童胸部有限元模型

基于解剖学特征建立的儿童胸部有限元模型包括肋骨、软肋骨、胸骨、皮肤、内脏器官和软组织等结构特征。图10为10岁儿童胸部有限元模型。

该模型通过仿真得到胸部力―变形曲线，如图11所示。将仿真结果与通过人工挤压心肺试验得到的数据进行对比，部分验证了模型的有效性，如图12所示。

4.3 改进的儿童多刚体有限元模型

MADYMO软件中提供的儿童多刚体模型是成人多刚体模型的缩放模型。盆骨和脊椎的生物逼真度较差，使用这些模型进行碰撞仿真的结果不能如实反映儿童的真实动力学响应和损伤情况。

为了提高MADYMO儿童多刚体模型的生物逼真度，湖南大学和美国密西根大学合作改进了6岁儿童假人多刚体模型，如图13和图14所示。该模型增加了3个小平面网格模拟骨盆、腹部和脊椎，并在脊椎上面增加了一个自由铰，使其获得更高的生物逼真度[6]。

采用改进后的儿童假人对两起事故案例Ⅰ、Ⅱ进行了重建，如图15所示。结果表明，改进后的模型能够更加准确地反映儿童在碰撞过程中的真实运动状态，仿真得到的损伤参数也与碰撞事故中的儿童真实损伤情况吻合。

5 新型儿童安全座椅

儿童安全座椅可以在汽车碰撞过程中将儿童束缚在座椅上，通过将碰撞过程中儿童受到的冲击力分散到儿童身体上最耐撞的部分（如背部、四肢、骨盆、胸部等），避免中央神经系统（大脑和脊髓）及重要的内脏器官受到伤害，从而起到保护儿童的作用。

5.1 多功能儿童安全座椅

针对中国家庭购买儿童安全座椅的意愿还不够强烈的现状，将儿童安全座椅与手推车结合的多功能儿童安全手推车是一种促进儿童安全座椅使用的方案，如图16所示。 作为手推车功能使用时，儿童安全座椅可以与手推车支架很好地配合，达到常规手推车的功能要求。在车辆上使用时，多功能儿童安全座椅可以与配有ISOFIX的装置前向和后向安装，也可与普通的成人安全带配合安装。

5.2 集成式儿童安全座椅

集成式儿童安全座椅是未来儿童安全座椅的发展趋势。图17所示的集成式儿童安全座椅集成在汽车后排座椅的中部。该座椅能够根据儿童的身高自动调节，使座椅处于一个对儿童最佳的保护状态。

图18为采用P6假人利用MADYMO软件对座椅进行正面碰撞仿真的情况。

表4给出了50 km/h碰撞速度下儿童乘员损伤参数的峰值以及法规参考值，主要有HIC15，头部3 ms合成加速度aH，胸部3 ms合成加速度aT，胸部垂直加速度aTZ，颈部沿Z轴方向的力FZ以及颈部绕Y轴方向的力矩MY，所有的损伤参数均比法规值要小，表明该集成式儿童约束系统在正面碰撞中能对儿童起到有效的保护作用。

6 结论

尽管国外在儿童安全保护方面的研究已经有较长的历史，儿童安全法规也已经实施，这些对于改善儿童乘车安全起到了较大作用，但是，由于各方面的原因，儿童生物力学试验数据缺乏，儿童损伤机理方面的研究仍然进展缓慢，这在一定程度上影响了儿童保护措施的进一步改进。因此，结合中国的实际情况，进一步深入开展儿童生物力学特性及损伤机理研究，建立系列儿童模型和儿童假人模型，具有重要的理论意义和实用价值。

参考文献(References):

中华人民共和国交通道路事故统计年报[M].无锡：公安部交通管理局，2004-2008.

Annual Report of People's Republic of Traffic and Road Accident Statistics[M]. Wuxi：Traffic Management Bureau of the Ministry of Public Security，2004-2008.（in Chinese）

Traffic Safety Facts 2008 Data[M]. Washington DC：NHTSA's National Center for Statistics and Analysis， 2008.

马伟.车辆正面碰撞中儿童乘员约束系统的仿真研究[D]. 武汉：武汉理工大学， 2008.

Ma Wei. The Simulation Study of Child Restraint Systems in Automobile Frontal Impact[D].Wuhan：Wuhan University of Technology，2008.（in Chinese）

胡佳，钟志华.基于试验和有限元仿真的儿童乘员正面和侧面碰撞安全研究[D].长沙：湖南大学，2008.

Hu Jia，Zhong Zhihua. Research on Child Occupant Safety in Frontal and Side Impact Based on Tests and FE Simulations[D]. Changsha：Hunan University，2008.（in Chinese）