頭部旋轉(zhuǎn)姿勢下的頸部低速后碰響應(yīng)

武和全 龔創(chuàng)業(yè) 任啟凡 周惠來 Mao Haojie

關(guān)鍵詞：汽車安全；低速后碰；頭部旋轉(zhuǎn)；頸椎損傷；乘員損傷

頸椎在受到高負荷或超出生理活動范圍的異常運動時容易發(fā)生損傷，低速追尾碰撞事故中的頸部損傷在簡明損傷定級（AbbreviatedInjuryScale，AIS）中被劃為AIS1（輕度損傷），盡管這種類型的頸部損傷致死率很低，但造成了巨大的醫(yī)療及經(jīng)濟損失[1]。頸椎的損傷過程復(fù)雜，并且可能發(fā)生在頸椎的任一水平位置，據(jù)統(tǒng)計頸椎損傷主要集中在2個主要區(qū)域，即顱頸交界區(qū)和下頸椎區(qū)。在頸椎整體尺寸的限制下，引入約束能顯著降低AlS3（重度損傷）及更高水平的損傷發(fā)生率，但會增加AIS1水平的損傷發(fā)生率[2]。

臨床研究中發(fā)現(xiàn)在關(guān)節(jié)囊中有許多神經(jīng)末梢，這反映出頸部的各個小關(guān)節(jié)是發(fā)生揮鞭傷的常見位置。解剖特征顯示：小關(guān)節(jié)阻止了上錐體的前向剪切運動，但是并不能阻止自身的后向剪切運動。小關(guān)節(jié)之間的撞擊、關(guān)節(jié)的軸向壓縮、剪切以及關(guān)節(jié)囊的過度拉伸是造成揮鞭傷的主要原因[3]。

J.A.J.Shugg等[4]的研究表明，駕駛員頭頸部的旋轉(zhuǎn)姿勢多發(fā)生在變道、停車相關(guān)的駕駛中。駕駛員可以通過頭頸部旋轉(zhuǎn)獲得更多的視覺信息，于鵬程等[5]的研究表明，駕駛員主要依賴視覺、聽覺和觸覺3種感官來感知交通信息。據(jù)其研究結(jié)果顯示，超過90%的交通信息通過視覺感知獲取。M.Sturzenegger等[6]發(fā)現(xiàn)撞擊時頭部姿勢對揮鞭傷的持續(xù)性有顯著影響。為了支持這一理論，R.B.Kaale等[7]使用磁共振成像進行研究，試驗表明處于頭部旋轉(zhuǎn)姿勢的測試對象有更高的損傷可能，并確定了頸部翼狀和橫向韌帶為潛在損傷位置。李海巖等[8]使用單獨頭頸部模型探討了頭頸部在屈曲、伸展姿態(tài)下后碰撞與標(biāo)準(zhǔn)姿態(tài)下頸椎的損傷差異。陳吉清等[9]基于完整頸部解剖學(xué)結(jié)構(gòu)構(gòu)建了中國50百分位成年男性全頸椎生物力學(xué)模型，并單獨使用頭頸部模型進行了驗證。當(dāng)前學(xué)者們的研究主要集中在駕駛員標(biāo)準(zhǔn)駕駛姿態(tài)下的碰撞損傷[10]，而頸部損傷的評價標(biāo)準(zhǔn)（NeckInjuryCriterion，NIC）、頸部位移標(biāo)準(zhǔn)（NeckDisplacementCriterion，NDC）等，只考慮了乘員在矢狀面下的損傷風(fēng)險，更復(fù)雜的運動下三維方向上的損傷還需要進一步研究。

駕駛員頭頸部旋轉(zhuǎn)姿勢多發(fā)生在與變道、停車相關(guān)的駕駛中，頭部旋轉(zhuǎn)姿勢在碰撞事故案例中占比大，研究頭頸部旋轉(zhuǎn)姿勢下的碰撞損傷具有重要意義。本文針對頭部處于旋轉(zhuǎn)姿勢下發(fā)生追尾事故的情景，使用全球人體模型聯(lián)盟（GlobalHumanBodyModelsConsortium，GHBMC）模型，只保留頭頸部，去除皮膚后進行柔性沖擊實驗改變模型頭頸部姿勢；將志愿者實驗T1（第1塊胸椎）上的加速度曲線導(dǎo)入有限元模型，并激活頸部肌肉研究3種頭部右側(cè)軸向旋轉(zhuǎn)角度（0°、20°、40°）對追尾事故中頸部損傷的影響。

1研究方法

1.1參考實驗

J.Davidsson等[11]對11位男性志愿者進行了23次后碰測試實驗，志愿者坐在安裝了標(biāo)準(zhǔn)汽車座椅的滑車上，雙手自然放置于大腿，雙腳放在踏板上，放松頭部肌肉并且保持頭部水平；并采用三點式安全帶約束乘員，使用沖擊器撞擊目標(biāo)滑車進行后碰實驗，沖擊器重570kg，目標(biāo)滑車重890kg。實驗利用裝在T1處的加速度計以及固定在頭部重心處的頭部加速度計記錄T1以及頭部的相關(guān)運動曲線，如圖1和圖2所示。

1.2仿真模型

目前使用的有限元人體模型，均難以使其關(guān)節(jié)進行轉(zhuǎn)動改變?nèi)梭w模型姿態(tài)。由于人體頸部由7塊相對獨立的頸椎（C1～C7）組成，并且在不同的頸椎上附著有多種肌肉韌帶，這導(dǎo)致要改變頭頸姿勢就更為復(fù)雜。椎體的體外載荷和運動雖然不能代表活人的體內(nèi)載荷和運動，但是局部（椎體）水平上理解頸椎的力學(xué)特性對于全尺寸人體低速后碰撞的研究也至關(guān)重要。本研究使用GHBMC模型，只保留頭頸部，去除皮膚；使用GHBMC模型對頸椎與椎間盤單獨建模，能夠較好地模擬頸椎在水平方向的運動。模型包含頭部、頸椎（C1～C7）、第1胸椎（T1）及附著在椎體上的肌肉和韌帶組織。使用一個柔性沖擊器緩慢地對模型施加一個外力，對模型進行右側(cè)軸向旋轉(zhuǎn)預(yù)仿真處理，從而達到需要的旋轉(zhuǎn)角度。頭頸部旋轉(zhuǎn)20°、40°模型的各頸椎段之間的角度如表1所示。A.White和P.C.Ivancic等[12-13]對頸椎旋轉(zhuǎn)范圍進行了研究，實驗所得到的最大軸向旋轉(zhuǎn)范圍（向右旋轉(zhuǎn)為正）如表1所示，模型旋轉(zhuǎn)預(yù)處理過程參考了M.Panjabi等[14]的研究成果，即C0-C1段（C0為枕髁）幾乎沒有軸向旋轉(zhuǎn)，所以表1中沒有考慮C0-C1段頸椎軸向旋轉(zhuǎn)角度。比較表1中測量得到的模型頸椎旋轉(zhuǎn)角度，可見右側(cè)軸向旋轉(zhuǎn)20°和40°的模型的椎間旋轉(zhuǎn)角都在旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)。本研究為了便于比較不同頸部姿勢下的碰撞響應(yīng)的區(qū)別，避開頸部的極限運動角度。

據(jù)S.Kumar等[15]的研究，頭部旋轉(zhuǎn)并不影響頸部肌肉的加載時間，所以肌肉的激活水平采用B.J.Fice等[16]研究的肌肉激活曲線，如圖3所示。志愿者實驗的平均坐高是0.93m，由于志愿者的身高體形等存在差異，頭與頭枕的水平距離為70～120mm，使用的有限元模型的體形相對于志愿者實驗較為嬌小，所以將頭與頭枕的水平距離設(shè)置為60mm，坐高為人體模型自然坐于座椅的高度。本研究中的仿真實驗使用標(biāo)準(zhǔn)頭枕，頭部保持水平放松，施加圖3的肌肉激活曲線。對不同右側(cè)軸向旋轉(zhuǎn)的頭頸模型進行后碰仿真，仿真模型如圖4所示。

1.3分析方法

如圖5所示，解剖學(xué)上用3個虛擬平面來描述身體部位的位置，其中矢狀面是指沿身體前后徑所做的與地面垂直的切面。此面將人體分為左右兩部分。冠狀面是沿身體左右徑所作的與地面垂直的切面，亦稱額狀面，此面將人體分為前后兩部分。橫切面是垂直人體縱軸與地面平行的切面，此面將人體分為上下兩部分。目前大多數(shù)損傷標(biāo)準(zhǔn)（例如Nij，Nkm，NIC）都是基于頸部矢狀面上的運動提出的，對于沒有處在矢狀面上的運動造成的損傷，例如軸向旋轉(zhuǎn)和側(cè)向彎曲造成的損傷是無法考慮在內(nèi)的。

隨著人體有限元模型的發(fā)展，對軟組織水平上損傷的研究已經(jīng)展開，椎間盤間的旋轉(zhuǎn)以及應(yīng)力變化、小關(guān)節(jié)的碰撞以及各種椎間韌帶長度的變化都被應(yīng)用在損傷分析中，但至今沒有明確的損傷閾值。IV-NIC（intervertebralneckinjurycriterion）是基于各椎骨的伸展、彎曲角度超過生理極限時對頸部造成的損傷而提出的，也可用于評價三維方向上的損傷[15]。需要注意的是IV-NIC的閾值并不是1，目前軸向旋轉(zhuǎn)的IV-NIC閾值尚不明確。計算IV-NIC時，預(yù)仿真中頭頸部轉(zhuǎn)動的角度不計算在內(nèi)，IV-NIC的實際旋轉(zhuǎn)角度要減去初始角度。例如軸向旋轉(zhuǎn)20°的模型碰撞仿真過程中的椎間旋轉(zhuǎn)角度是減去模型預(yù)處理后的椎間旋轉(zhuǎn)角度，得到的椎間旋轉(zhuǎn)角度是相對與正常中立姿勢下的椎間旋轉(zhuǎn)角度。

其中：θd，i，j（t）為動態(tài)椎間旋轉(zhuǎn)角度；θp，i，j為準(zhǔn)靜態(tài)的生理活動范圍；i為椎間水平位置；j為移動平面。P.C.Ivancic等[17]多次實驗得到部分頸椎段生理活動范圍如表2，IV-NIC頸部損傷閾值如表3。

2仿真結(jié)果

2.1低速后碰頭頸運動規(guī)律分析

在頭部未旋轉(zhuǎn)的后碰仿真中（右側(cè)軸向旋轉(zhuǎn)0°），初始階段頭部在慣性作用下保持原有姿勢，相對于頭枕略微向前，隨即頭部向后仰的同時伴隨著旋轉(zhuǎn)，T1向上運動并且不斷旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致頸部受到壓縮，在90ms附近，頸部壓縮接近最大；隨后頭部開始向后移動，頸部不斷伸展，直到187ms時，頭部與頭枕接觸。250ms時頭部位置如圖6a所示。

在頭部軸向旋轉(zhuǎn)20°的后碰仿真中，在90ms前后，頸部的壓縮最大，隨后頭部發(fā)生輕微旋轉(zhuǎn)；到100ms時，頭部旋轉(zhuǎn)角度達到最大值，后頭部往中間回轉(zhuǎn)并帶動頸部往后伸展；在184ms時頭部與頭枕接觸，接觸位置略微偏左，如圖6b所示。

頭部旋轉(zhuǎn)40°的仿真實驗中，在0～99ms，頭部繼續(xù)向右側(cè)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，其中C1-C2的相對旋轉(zhuǎn)角度從29°變?yōu)?2.7°。圖6c中展示了99ms時頭頸部姿勢的正視圖和側(cè)視圖；99ms頸部往后方向伸展的同時頭部往左旋轉(zhuǎn)，但并未完全恢復(fù)到駕駛員眼睛目視前方的正常駕駛狀態(tài)；到147ms，頭部的往回旋轉(zhuǎn)持續(xù)了48ms，然后頭部繼續(xù)往斜后方伸展；在187ms時頭部與頭枕發(fā)生碰撞，碰撞位置靠近頭枕左側(cè)邊緣，碰撞部位如圖6c所示。

2.2椎間IV-NIC峰值

測量各頸椎水平的椎間角度通過計算得到了IVNIC峰值，如圖7—圖9中所示。

C4-C5及C7-T1段頸椎在頭部右側(cè)軸向旋轉(zhuǎn)后碰仿真中會發(fā)生一定的左側(cè)軸向旋轉(zhuǎn)，如圖7a所示，在所有仿真中頸椎左側(cè)軸向旋轉(zhuǎn)的IV-NIC峰值都小于1；從圖7b中可以看出，頭部軸向旋轉(zhuǎn)與正常駕駛姿態(tài)相比會明顯地增加后碰過程中頸椎的旋轉(zhuǎn)角度，其中C1-C3及C6-C7段頸椎變化尤為明顯。對比以上2圖，C4-C5發(fā)生的左側(cè)軸向旋轉(zhuǎn)，C4-C5段上部和下部的頸椎發(fā)生右側(cè)軸向旋轉(zhuǎn)。在頭部右側(cè)軸向旋轉(zhuǎn)初始姿勢下的后碰仿真中，C4-C5段頸椎是研究的關(guān)鍵。

圖8為碰撞過程中頸部前向屈曲和后向伸展的IV-NIC峰值柱狀圖，圖8a中顯示C6-C7段頸椎具有較大的IV-NIC值，其中軸向旋轉(zhuǎn)40°的仿真中彎曲IV-NIC峰值達到1.9，但并未超過此頸椎段彎曲閾值2.3。圖8b顯示頸椎彎曲IV-NIC峰值和頭部未旋轉(zhuǎn)的后碰仿真中的結(jié)果相近，其所有的仿真中C3-C4頸椎段均超過閾值2.0。

從圖9a中可以看出頭頸部的軸向旋轉(zhuǎn)增加了C1-C3和C5-C7的左側(cè)軸向彎曲IV-NIC峰值，其中C6-C7彎曲程度最大，其側(cè)彎IV-NIC峰值為1.8，并未超過此頸椎段的損傷閾值；圖9b中，C4-C5出現(xiàn)了極大的側(cè)向彎曲IV-NIC峰值，其中頭部旋轉(zhuǎn)40°的后碰仿真中，C4-C5段頸椎右側(cè)側(cè)彎IV-NIC峰值達到5.6，超過了C4-C5段的損傷閾值。

2.3椎間損傷生物力學(xué)

通過ls-prepost進行后處理得到頸椎的皮質(zhì)骨及松質(zhì)骨應(yīng)力云圖，如圖10所示。在頭部未旋轉(zhuǎn)時，頸椎皮質(zhì)骨最大VonMises應(yīng)力為204MPa，出現(xiàn)在C7椎骨的椎板處；松質(zhì)骨最大應(yīng)力4.27MPa，出現(xiàn)在C7椎骨錐體前表面。頭部右側(cè)軸向旋轉(zhuǎn)20°時，頸椎皮質(zhì)骨最大VonMises應(yīng)力值為215MPa，出現(xiàn)在C7椎骨椎板處;松質(zhì)骨最大應(yīng)力值為4.15MPa，出現(xiàn)在C7椎骨的錐體前表面。頭部右側(cè)軸向旋轉(zhuǎn)40°時，頸椎皮質(zhì)骨最大VonMises應(yīng)力值為225MPa，出現(xiàn)在C7椎骨椎板處；松質(zhì)骨最大應(yīng)力值為4.85MPa，在C2椎骨錐體的前表面。頸椎皮質(zhì)骨的最大VonMises應(yīng)力值與頭部軸向旋轉(zhuǎn)角度呈現(xiàn)出正相關(guān)趨勢，且最大VonMises應(yīng)力集中在C7椎骨。頸椎松質(zhì)骨的最大VonMises應(yīng)力值與頭部軸向旋轉(zhuǎn)角度之間沒有呈現(xiàn)出明顯的相互關(guān)系。

3討論

追尾碰撞發(fā)生時，人體的軀干會向前運動，頭部由于慣性作用向后運動，使下頸椎節(jié)段伸展，上頸椎節(jié)段彎曲。從外側(cè)角度看，這使頸椎呈現(xiàn)出一個彎曲且拉長的S形而不是單純的C形。這是許多研究者公認的碰撞過程[18-19]。在右側(cè)軸向旋轉(zhuǎn)的碰撞過程中，頸部有在矢狀面方向上的S形運動，也存在以C4-C5為運動中心的頸椎側(cè)彎和軸向旋轉(zhuǎn)的運動。在最初將頭部平移形成這個S形彎曲的過程中，頸部肌肉被拉伸，在拉伸過程中會發(fā)生反射性收縮[20]。右側(cè)軸向旋轉(zhuǎn)20°的后碰仿真中，頭部的往回旋轉(zhuǎn)持續(xù)時長約34ms；右側(cè)軸向旋轉(zhuǎn)40°的后碰仿真中，頭部的往回旋轉(zhuǎn)持續(xù)時長約48ms。頭部軸向旋轉(zhuǎn)并保持放松，在受到碰撞后會迅速回轉(zhuǎn)，頭部往回旋轉(zhuǎn)是肌肉受拉伸反射收縮的作用，在頭頸部往后伸展時這個階段對頭部的運動影響不大。頭部的軸向旋轉(zhuǎn)對頭部往后移動X方向和Z方向幾乎沒有影響，但影響Y方向的移動，會使頭部與頭枕一側(cè)接觸而使頭枕無法發(fā)揮緩沖作用。頭部在接觸頭枕并且反彈的階段與正常駕駛姿勢的運動不同，會引起頭部和枕髁位置的損傷。

目前對于頭頸部高速沖擊下頸部肌肉的激活沒有可靠的研究。雖然B.J.Fice等[21]使用等比例的方法縮放DENGBing等[3]尸體實驗得到T1運動曲線來進行仿真實驗，但是T1在X和Z方向的移動并不一定是與撞擊速度成比例的，所以得到的輸入曲線可能會與實際有很大區(qū)別，本實驗由于參考實驗數(shù)據(jù)的限制也未分析頭部反彈的階段。

在小范圍的生理活動范圍內(nèi)，肢體之間由于生理活動產(chǎn)生的應(yīng)力相對于碰撞中人體所受到的力而言是非常小的，所以，目前關(guān)于乘員不標(biāo)準(zhǔn)姿勢下的乘員損傷，現(xiàn)有的研究中均沒有考慮到將應(yīng)力保留到下一步計算中。后續(xù)可以考慮將頭頸部因旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的應(yīng)力保存后展開研究。

通過比較其他各頸椎水平的IV-NIC峰值發(fā)現(xiàn)，頭部旋轉(zhuǎn)的初始碰撞姿勢會進一步增加各頸椎的旋轉(zhuǎn)角度，頸椎發(fā)生損傷的最主要原因是頸椎側(cè)彎角度過大造成的。從結(jié)果看，頭部的軸向旋轉(zhuǎn)對后碰過程中頸部的前向彎曲和后向伸展影響較小，即同駕駛員目視前方的姿態(tài)下變化情況一致。所以在研究駕駛員有頭部軸向旋轉(zhuǎn)行為的碰撞案例中，應(yīng)該重點關(guān)注其碰撞過程中頸椎水平的左右側(cè)彎造成的損傷。同時研究發(fā)現(xiàn)，頸椎損傷的最大部位是C4-C5頸椎段。造成C4-C5部位IV-NIC值過高的原因是由于頭部軸向旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致頭部重心偏右，由于碰撞過程中頭頸部在Y方向上的不對稱性，導(dǎo)致了C4-C5部位發(fā)生了過度的側(cè)向彎曲。C4-C5是頸椎運動的中心，不只體現(xiàn)在頸椎前后運動的S形運動過程中，也體現(xiàn)在后碰沖擊中頸椎側(cè)面彎曲和軸向旋轉(zhuǎn)的運動過程中。

4結(jié)論

本文使用GHBMC頭頸部模型，通過在T1上引入加速度曲線的方式，研究車輛追尾事故中3種頭部旋轉(zhuǎn)（0°、20°、40°）姿態(tài)下的駕駛員頸部損傷情況，得出如下結(jié)論：

1）在發(fā)生車輛追尾碰撞時，頭頸部的軸向旋轉(zhuǎn)姿態(tài)會進一步增加頸椎間的旋轉(zhuǎn)角度，但頸椎間左側(cè)和右側(cè)旋轉(zhuǎn)IV-NIC值均較小，說明頭頸旋轉(zhuǎn)姿勢的后碰沖擊中，頸椎不會因過度軸向旋轉(zhuǎn)而發(fā)生損傷。

2）頭頸部軸向旋轉(zhuǎn)的姿勢會明顯增加碰撞過程中頸椎的側(cè)彎角度，尤其是C4-C5頸椎段，碰撞過程中C4-C5頸椎段會因過度側(cè)彎而發(fā)生損傷。

3）在頭頸部旋轉(zhuǎn)姿勢下的后碰仿真中，頸椎伸展和屈曲的IV-NIC峰值與頭部未旋轉(zhuǎn)后碰仿真中的結(jié)果相近，即軸向旋轉(zhuǎn)姿勢不影響后碰過程中頸部因伸展和屈曲產(chǎn)生的S型運動過程。