白中浩：中国体征人体模型开发、验证和应用研究

10月30-31日，2024汽车技术与装备发展论坛在苏州召开，政府领导，院士专家，装备、汽车及产业链企业高层齐聚，围绕“共筑汽车产业新质生产力”年度主题，聚焦新技术、新装备、新生态展开深入研讨，探索装备制造与汽车产业的融合发展路径。论坛由1场闭门会、1场开幕大会、2场特色活动和4场分论坛构成，搭建起国内首个聚焦“汽车技术与装备发展”领域的高端对接平台。其中，在2024汽车技术与装备发展论坛之检测认证高质量发展论坛上，湖南大学车辆安全研究中心主任白中浩发表了演讲。以下内容为现场发言实录：

各位专家、各位领导，我代表我们团队给大家来汇报，实际上中国人体模型开发的过程，包含现在的验证和应用情况。我的汇报大致分四个部分，首先模型，为什么要开发这个模型，主要问题是因为现在的车辆安全面临着复杂场景下的成员多样化的保护问题，比如说现在场景越来越多，人员乘坐的各种姿态特别是未来的智能座舱各种姿态，咱们传统的被动安全的假人是在测试的重要装备之一，但是面对复杂的场景，比如说我现在新的场景正碰假人、侧碰假人是不是能满足多角度的碰撞，包含成员多体征需求这是否定的。所以说开发人体模型，这种人体模型跟真人具有一致的解剖学的生理结构，基于人的应力应变为测试准则，响应的基础得到人在碰撞过程中或者说受到伤害过程中的动力学响应。对于未来的物理测评作为一个辅助的手段，它作为虚拟的测试装备，可以起到重要作用，这也是未来走到虚拟测评一个角度的重要基础。这也是我们团队进行研发这个工作的基础。

对于人体模型，我们搞被动安全包含搞人体损伤大家知道，欧美有两种模型，用的是最多的，一个是1997年丰田研究院开发的模型，这个模型有将近30年的历史，2006年美国有九大主机厂和重要的零部件厂商，联合组建了一个团体，他们开发了美国GHBMC模型，这两个模型现在是国际上应用最广的，但是它们是基于欧美人员体征开发的，就是身高、体重、骨骼材料、肌肉组织都是基于欧美人提的体征。那么是不是能够代表中国人的体征？比如说中国人体的工位体育大约1米68的样子，体重大约是57公斤的样子。跟欧美体征1米78高，80公斤重，可能这个差异还是很大。从生物力学的响应上面来说答案也是否定的，所以开发中国人体体征的人体模型是势在必行。

我们可以对比一下欧美体征的人体跟中国人体的体征，从测量学、解剖学的特征我们可以发现，欧美体征人除了咱们刚才提到的身高、体重的差异，实际上在脑组织的外部尺寸，包括胸廓的尺寸，包括盆骨、股骨等都有一定的差异。从运动学与损伤行为的差异我们可以发现，在碰撞仿真中，即使体征改变，不改变参数的情况下，它的最大损伤指标也超过20%。

比如说中国人股骨的长度、厚度跟截面积小于美国人的股骨，这个时候实际上在发生碰撞或者受到损伤的时候，它的股骨的受伤机率就比欧美人体更大，所以这也是从测量学跟解剖学的基础上开发中国人体的模型一个必要性。你现在如果说还是用欧美体征的模型，比如说GHMBC、SAMS来评价未来中国车辆的安全或者中国人体安全的时候，这是很难能够适用的。

我们这个开发项目持续了2年多快3年了，由中国汽研独家资助，美国实际上由九大主机厂在资助这么一个项目，实际上这个项目的工作很马上。我们湖南大学作为整个技术的总负责，同时负责我头颈部模型的阶段开发、整人模型的验证。

这里面我们团队开发组的成员包含国内高校跟科研机构，还有一些医学单位，比如说河北工业大学负责头、胸、腹部的开发，中山大学是下肢，清华大学进行模型的缩放，重庆大学是在模型缩放基础上做验证，吉林大学有上肢，合肥工业大学是骨盆，所以说我们团队基本上把国内高校做损伤生物力学的资源给拢到一起来做这个事。

我们整个模型开发的技术路径或者说开发思路基本上是四步来走：

第一个，人体的基础数据获取。

第二个，人体几何模型开发。

第三个，人体有限源模型开发。

第四个，模型的验证。

我分别来对这四个部分做一个简单的汇报。

首先，我们要获得人体的基础数据，我们基于中国的10000这个标准，我们招募了志愿者。按照分时间、分区域、分方式的方法进行了CT跟mRNA的扫描，把这些扫描的数据作为我们未来建模的依据。我们可以发现志愿者跟中国人标准上面有一些差异，但是最大差异不超过10%。

除了我们找到一个完整的志愿者之后，因为我们想建立一个具有中国人体征的志愿者模型，我们采集了全国七大片区，这里面包含东北、华北、华东、华中、华南、西南、西北地区的七大片区超过4万组骨骼截面的数据，并且把数据点做了梳理统计。

我们统计发现实际上中国人头部的、胸部的跟下肢骨骼的这些截面，跟欧美人有比较大的差异。我们把统计学的数据用来调整刚才获取的CT跟mRNA模型的参数，从而让我们开发出来的人体模型符合中国人体的标准。

此外，我们团队开展了3000例以上的中国人体的样本实验，就是实体实验。我们这几天已经完成了第二个样本，就是整个人体的样本已经完成了，正在开展第三个样本组织的获取工作。

这种工作实际上比较费事，这里面我们做的有骨骼材料的实验，包含软组织材料的一些实验，主要目的在跟贵州医科大学合作，取样，包括做一些实验。这部分我有必要在这里强调一下，中国人的样本材料组织实验的数量太少、数据缺乏。实际上我们团队这些材料实验，包含一些部件的实验，还远远满足不了我们开发的要求，所以下面还有大量的工作需要做。

在这个基础上，我们基于影像的数据进行几何建模，结合我们刚才测量学的参数进行校核，建立中国人体征的几何模型。我们这里面的这些工作应该是2023年7月份的时候已经全部完成了，也就是说把这个基础模型完成之后，我们去年11月份已经完成了有限源模型的行人模型的基本模型。

我们有限源模型的基本模型包含几大部分，我们刚才说了头颈部、胸腹部、四肢、骨盆几大部分，我们这几部分模型我底下详细给大家汇报一下。

我们这里面开发的头部模型具有详细的解剖学组织结构，颅骨骨折的预测能力，还有准确的脑组织的响应能力。也就是我们基于颅脑滑移界面，可以模拟我们颅脑的相对运用。头部的颅骨采用了三明治结构，可以模拟颅骨骨折的情况，这种应该来说是GHMBC可以做到这一步，SAMS还做不到。通过我们脑组织的详细分区，可以模拟颅内的梯度压力分布。

颈部模型除了具有详细的生理学解剖结构之外，还有详细的颈部实体肌肉。有一维单元的主动肌肉力，能够准确模拟颈椎的伸长、弯曲、侧弯的运动，因为有主动肌肉力的存在，可以模型颈部在不同的AB下面头部的响应。

我们的胸腹部模型除了具有详细的解剖学生理结构之外，还具有胸骨的骨骼预测能力，具有完整脊柱的运动学响应，还有内障力学的响应。我们可以对脊柱的运动在碰撞过程中，或者说在一些冲击过程中的响应，在骨折的情况，骨盆的骨折、内脏器官磋商的情况具有比较好的预测效果。

我们的四肢，这里面的四肢模型主要开发的上肢跟下肢。上肢模型由于在汽车碰撞损伤比较少，我们主要开发下肢模型做了比较多的工作。所有四肢模型采用六面体的骨骼的单元，具有骨折的预测能力、韧带的断裂能力，另外我们的下肢模型也具有主动肌肉力，可以模拟在低冲击的情况下肌肉的响应情况。

我们的模型跟我们刚才提到的SAMS跟GHMBC模型做一个横向的对比，首先从网格的单元数量来说，我们的模型大约是220万个单元，这里面这个数字有点问题，228万个单元，大约跟GHMBC是一致的，比SAMS多一些。

另外我们从网格质量来说，比如说翘曲度等，最小的网格我们基本上达到了国外成熟模型的标准。实际上我这里需要强调的是，国外的像SAMS他们已经开发第七代了，将近30年的开发经验，我们团队只有2年多一点，能做到这一步也是团队的各位同仁做了很多的工作。

模型的验证工作比模型的建模工作发挥的精力会更大，截断模型有50例的验证，其中包括头、颈、胸腹部、脊柱、四肢。比如说在头部模型，我们验证了在冲激响应下面，脑部、面部、颅骨这些力学响应，主要是验证它的冲击力跟变形情况。我们验证了在旋转的载荷下面脑组织的压力跟运动学的响应，这里面主要得到了脑组织的位移、头部磁心加速度跟颅内压变化的情况。

颈部模型我们这里面主要是研究颈部在不同的加载工况下面颈部的运动，这里面我们的研究主要包含头部的位移、头部的加速度，包括转角。另外我们还研究了在冲击载荷下面头颈部的力学响应，比如说我的颈椎在冲击下面力学响应。

胸腹部的模型我们这里面主要的验证是各个内脏器官、软组织器官的验证，这里面主要是力跟变形的验证。我们所有的验证都是来自于国外的实体实验，包括组织部件实验。为什么没有拿中国人的部件实验来验证，主要还是缺少数据，这也是我们体现团队，包含行业需要大力做的工作。

这里面还包含腰椎的力学验证，包括大倾角座椅这种坐姿下面腰椎损伤是很重要的损伤，至于说损伤模式是什么样子，现在国际上还没有定论，但是验证的力学响应还是要走在前面，另外我们还验证了胸腹部在冲击的条件下它的冲击变形的情况。

长骨的验证有13种工况，这里面除了下肢骨的长骨，还有大小腿整体的力学性能，包含膝关节，还有足部的冲击跟力矩的验证，另外下肢的这部分验证里面还包含一部分主动肌肉力的验证。

截断模型做完之后就组装起来整人模型，整人模型的验证是基于PMHS实验对标，也就是跟整人的实体实验进行对标。我们整人的实体实验是参照了下边通道的缩放方法，把它缩放成中国人体的尺寸。

我们首先采用的是一个标准的大尺寸车辆冲击的碰撞实验，相当于模拟行人跟车辆前端进行冲击的实验。我们得到的实际上是这里面包含头部的位移，包含T1的轨迹、T8的轨迹还有人H点的轨迹。从通道来看虚线是实体通道，实线是整人模型的结果。验证的结果还是比较好的，能够模拟比较好的整人运动。

此外还做了座椅成员模型的座椅验证，这里面包含3.4安全带的实验台，还有侧向和正向两种验证。这里面我们可以看下这是实体对标的情况，包含跟滑台的响应情况。可以看出来我们的模型期限响应跟实体实验对比比较好。

此外为了验证我们模型的鲁棒性，我们实际上前后共验证了超过50种的工况的鲁棒性，这里面也是采用刚才提到的模型的车辆前端，我们可以看到有不同的角度、不同的速度进行碰撞，我们的模型稳定性非常好，可以稳定计算两百毫秒。这个稳定性也是达到了SAMS模型的标准。

此外我们还验证了把我们的模型丢到MPD工况，比如说中汽研比较特殊的SOB工况跟目前正在做的工况，MDB工况可以看到整个运行可以计算150毫秒（稳定运行），模型非常稳定。

此外，我们除了对实验进行验证之外，我们还对交通事故，因为交通事故包含跌落的事故，这是具有中国特色的事故，也就是说中国的车辆、中国的尸体解剖或者损伤解剖数据。我们可以看到行人和车辆碰撞两轮车的碰撞包括高空跌落的碰撞验证实际上证明了我们的模型在预测人的骨折，比如说胸骨、小椎骨、颅骨这些骨折甚至内组织的挫伤具有很好的预测能力。

我们的应用规划或者说我们的模型开发实际上准确来说才是刚起步，也就是说我们才完成了50百分位的行人和成员模型的开发，目前这几天他们正在调95百分位模型最后的验证工作，昨天他们做报告还在说计划11月能够把所有的验证工作做完，所以我们的时间节点是2024年12月，下面我们有规划要做5百分位的女性人体模型。在后面还会做儿童的模型。最终要完成中国体征的系列化人体模型的工作。这里也是渴望大家对我们的工作做一个支持。

对于我们的应用路线来说，实际上除了开发系列模型主要是研究两个大方向，损伤机理研究和测评准则研究，再就是有三个重要的应用领域，比如说现在虚拟测评规程的计算，中国的体征ATT的开发还有防护策略的研究，另外我们可以应用于军工，除了汽车、医疗、竞技体育各个方面。这是我们的应用未来研究领域的规划点。比如说军事的应用、医疗的日常的体育锻炼、舒适性的分析。

这是我们的模型现在大约有50余家单位，包含德国、日本跟国内的主要主机厂，还有一些高校大约五十多家单位已经在适用我们的模型，也欢迎在座的各位单位领导专家来试用模型提出宝贵意见，这上面有一个联系方式，是张工程师的，可以跟他联系。

谢谢大家！

（注：本文根据现场速记整理，未经演讲嘉宾审阅）