汽車(chē)碰撞瞬間駕駛員頸部肌電信號(hào)變化規(guī)律研究*

高振海，李 釗，趙凱姝，趙 會(huì)，禹慧麗，陳朝陽(yáng)

(1.吉林大學(xué)，汽車(chē)仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130022; 2.汽車(chē)噪聲振動(dòng)和安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 401120；3.長(zhǎng)安股份有限公司汽車(chē)工程研究院，重慶 401120; 4.吉林大學(xué)白求恩第一醫(yī)院，長(zhǎng)春 130021;5.韋恩州立大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系，美國(guó)底特律 48201)

前言

現(xiàn)有的假人模型通常是從生物醫(yī)學(xué)角度建立的靜態(tài)人體模型，其力學(xué)參數(shù)基本源于捐獻(xiàn)尸體的肌肉與骨骼切片離體實(shí)驗(yàn)，無(wú)法反映出人體肌肉黏彈性等力學(xué)特性，更無(wú)法描述在碰撞發(fā)生瞬間真實(shí)乘員的肌肉收縮緊張等本能性自我保護(hù)特性[1]。文獻(xiàn)[2]～文獻(xiàn)[5]中通過(guò)實(shí)車(chē)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)真人和碰撞假人在碰撞發(fā)生前的反應(yīng)存在明顯差異。為此，國(guó)際學(xué)術(shù)界始終存在“碰撞安全性的設(shè)計(jì)保護(hù)了假人卻保護(hù)不了真人”的爭(zhēng)議。

近年來(lái)伴隨著人體生物力學(xué)研究的深入，研究人員開(kāi)始嘗試?yán)眉∪夤趋郎锪W(xué)和運(yùn)動(dòng)損傷生物力學(xué)的建模、分析與實(shí)驗(yàn)測(cè)試等最新研究成果，分析真實(shí)駕駛員的骨肌動(dòng)力學(xué)變化機(jī)理乃至人體腦顱與胸腹部臟器的生理結(jié)構(gòu)，以建立具有更高仿生保真度的碰撞實(shí)驗(yàn)用假人模型，并指導(dǎo)汽車(chē)碰撞設(shè)計(jì)以獲得更好的乘員保護(hù)性能。美國(guó)韋恩州立大學(xué)從生物醫(yī)學(xué)和真實(shí)人體結(jié)構(gòu)角度出發(fā)，建立了人體各組織和器官的數(shù)字化模型，并與日本豐田公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)了THUMS系列數(shù)字化人體模型；文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[7]中開(kāi)展了使用真實(shí)駕駛員的碰撞臺(tái)車(chē)實(shí)驗(yàn)，測(cè)試分析了碰撞過(guò)程中駕駛員肌肉力的主動(dòng)變化，并將肌肉力加載到有限元模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證；文獻(xiàn)[8]和文獻(xiàn)[9]中針對(duì)揮鞭傷，基于臺(tái)車(chē)碰撞實(shí)驗(yàn)測(cè)試了志愿者頸部肌肉電信號(hào)等，對(duì)不同速度、方向和坐姿的碰撞過(guò)程中乘員頸部肌肉的激發(fā)時(shí)刻以及各肌肉的激活程度進(jìn)行分析。

以上研究的特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)是利用肌電圖儀等人體生物電測(cè)試設(shè)備，實(shí)現(xiàn)在虛擬碰撞工況下人體生理結(jié)構(gòu)與骨肌動(dòng)力學(xué)特性測(cè)試。主要技術(shù)路線是測(cè)試志愿者在碰撞發(fā)生前后的肌肉電信號(hào)來(lái)表征人體骨肌動(dòng)力學(xué)特性。考慮到對(duì)志愿者的身體保護(hù)，現(xiàn)有的測(cè)試工況大多是志愿者坐在碰撞臺(tái)車(chē)上進(jìn)行與固定障礙物的10km/h以下低速碰撞實(shí)驗(yàn)。此類(lèi)實(shí)驗(yàn)可以反映兩輛質(zhì)量相同的車(chē)輛低速碰撞工況，并根據(jù)志愿者的骨肌動(dòng)力學(xué)特性，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)它們?cè)诟咚俣?仍為低速)碰撞工況下的乘員反應(yīng)[10]。此類(lèi)實(shí)驗(yàn)的局限性在于：無(wú)法為駕乘人員提供與真實(shí)道路交通碰撞事故具有高虛擬現(xiàn)實(shí)沉浸感的虛擬碰撞環(huán)境，也無(wú)法描述汽車(chē)高速行駛突發(fā)碰撞或失控等更為真實(shí)的碰撞工況及其引發(fā)的人體肌肉下意識(shí)主動(dòng)收縮緊張的特性。

針對(duì)以上實(shí)驗(yàn)方法的不足，研究人員開(kāi)始嘗試?yán)闷?chē)性能模擬器為駕駛員提供的具有高仿真度沉浸感的人-車(chē)-交通環(huán)境和可重復(fù)無(wú)風(fēng)險(xiǎn)地實(shí)施極限工況實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，構(gòu)建碰撞虛擬場(chǎng)景，并測(cè)試真實(shí)駕駛員的骨肌動(dòng)力學(xué)反應(yīng)。文獻(xiàn)[3]中在汽車(chē)性能模擬器上設(shè)計(jì)了包含城市、郊區(qū)和鄉(xiāng)間的一段復(fù)雜工況，并設(shè)計(jì)了突發(fā)的正面碰撞，使用攝像機(jī)記錄駕駛員的駕駛過(guò)程以及在碰撞發(fā)生時(shí)的反應(yīng)。

為更真實(shí)地獲取駕駛員在碰撞發(fā)生前后的本能性的骨肌動(dòng)力學(xué)特性變化規(guī)律，本文中基于吉林大學(xué)汽車(chē)仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的汽車(chē)性能模擬器，設(shè)計(jì)實(shí)施了使用真實(shí)駕駛員，從低到高不同行駛速度，車(chē)與車(chē)之間正面碰撞工況的汽車(chē)虛擬碰撞實(shí)驗(yàn)，并重點(diǎn)測(cè)試分析了駕駛員頸部肌肉動(dòng)態(tài)變化特性。研究中首先結(jié)合揮鞭傷產(chǎn)生原理，從人體頸部運(yùn)動(dòng)及其生物力學(xué)角度，分析了主要工作肌肉群的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和生物力學(xué)機(jī)理；然后，在汽車(chē)性能模擬器上構(gòu)建車(chē)車(chē)正碰虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，使用真實(shí)駕駛員進(jìn)行從低到高不同車(chē)速下的車(chē)車(chē)虛擬正碰實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，利用人體表面肌電測(cè)試儀等人體生物電測(cè)試設(shè)備測(cè)試了駕駛員在突發(fā)性車(chē)車(chē)對(duì)碰場(chǎng)景下胸鎖乳突肌、頭夾肌和斜方肌等揮鞭傷研究所涉及到的頸部主要工作肌肉群的肌電信息變化；最終，利用人體表面肌電信號(hào)的肌電圖分析方法，對(duì)肌電信號(hào)進(jìn)行降噪、全波整流和線性化處理，得到與肌肉力密切相關(guān)的肌電圖數(shù)據(jù)，分析真實(shí)駕駛員在面臨碰撞時(shí)頸部主要工作肌肉群的力學(xué)特性及其肌肉群之間協(xié)同工作規(guī)律。

1 面向揮鞭傷研究的人體頸部運(yùn)動(dòng)機(jī)理及其生物損傷力學(xué)分析

汽車(chē)乘員頭部是最易遭受損傷的部位，汽車(chē)交通事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，頭部損傷比率為44.6%。伴隨著汽車(chē)安全帶與安全氣囊等汽車(chē)乘員約束系統(tǒng)的引入，乘員頭部損傷的嚴(yán)重程度明顯降低，顱骨或硬腦膜損傷數(shù)量明顯減少。考慮到頭部和頸部(包括頸椎骨與起連接作用的肌肉、韌帶和椎間盤(pán)等軟組織)構(gòu)成一個(gè)運(yùn)動(dòng)功能實(shí)體，頸部肌肉的強(qiáng)度和調(diào)節(jié)是保持人體頭部平衡和實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制的必要條件，近年來(lái)國(guó)際碰撞安全領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)已從早期的頭部與儀表板接觸導(dǎo)致的硬腦膜開(kāi)放性損傷和頸椎損傷逐步轉(zhuǎn)向揮鞭損傷等頸部軟組織損傷[11-13]。

圍繞汽車(chē)乘員頸部損傷這一熱點(diǎn)問(wèn)題，本文中將汽車(chē)乘員頸部損傷定義為汽車(chē)碰撞過(guò)程中駕駛員頸部被動(dòng)快速地前后晃動(dòng)引發(fā)的頸部肌群、韌帶、椎間各關(guān)節(jié)、椎間盤(pán)和神經(jīng)根等軟組織損傷，并將研究重點(diǎn)聚焦在碰撞過(guò)程中人體頸部主要工作肌群的運(yùn)動(dòng)力學(xué)特性上。

人體頸部是一個(gè)復(fù)雜的生物系統(tǒng)，肌肉主要包括胸鎖乳突肌、頸闊肌、舌骨下肌群、頸長(zhǎng)肌等前側(cè)肌肉和頭夾肌、斜方肌、頭半棘肌、頸半棘肌等后側(cè)肌肉，如圖1所示。通常情況下，頸部肌肉在關(guān)節(jié)和其他軟組織共同作用下，相對(duì)于胸部產(chǎn)生彎屈、伸展、側(cè)彎和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，主要體現(xiàn)在矢狀面內(nèi)的拉伸-彎屈、拉伸-伸展、壓縮-彎屈、壓縮-伸展和側(cè)彎等運(yùn)動(dòng)形式上。

頸部損傷主要包括骨骼、神經(jīng)、韌帶和肌肉4個(gè)方面的傷害。汽車(chē)發(fā)生碰撞時(shí)由于車(chē)輛自身速度發(fā)生突變，此時(shí)人體頭頸部由于慣性和載荷作用將承受過(guò)大的加速度。頭部與風(fēng)窗玻璃劇烈碰撞會(huì)產(chǎn)生頸椎骨折；頸椎腔內(nèi)壓力突變對(duì)神經(jīng)的損傷，“S”形變韌帶超出其彈性形變范圍。文獻(xiàn)[14]中在論述揮鞭綜合癥病例時(shí)指出，在汽車(chē)遭受后方車(chē)輛的猛烈碰撞時(shí)，汽車(chē)座椅加速推動(dòng)乘員軀干向前，沒(méi)有支撐的頭部向后傾仰，頸椎產(chǎn)生過(guò)伸動(dòng)作，肌肉張力隨速度升高而增大，當(dāng)張力超過(guò)肌肉長(zhǎng)度牽引曲線時(shí)胸鎖乳突肌發(fā)生部分?jǐn)嗔眩辉陬i部發(fā)生“S”形變的過(guò)程中，頸部肌肉在拉伸時(shí)收縮，即乘員頭部在向后拉伸時(shí)胸鎖乳突肌被外力拉伸，由于受到外部刺激，肌肉本能性地收縮，叫離心收縮，這也是頸部肌肉損傷的一個(gè)原因；本車(chē)與前方車(chē)輛發(fā)生碰撞時(shí)，本車(chē)忽然減速導(dǎo)致乘員突然向前方甩出，頸椎過(guò)度屈曲，此時(shí)易導(dǎo)致頸部肌群中的頭夾肌和斜方肌發(fā)生損傷。

綜合以上對(duì)人體肌肉骨骼生物力學(xué)、運(yùn)動(dòng)控制和損傷機(jī)理的分析，并結(jié)合前期開(kāi)展的汽車(chē)乘員揮鞭傷研究，將研究重點(diǎn)放在頸部主要肌肉也是揮鞭傷癥狀中最易受損的胸鎖乳突肌、頭夾肌和斜方肌3個(gè)工作肌群上，分析其在正常行駛狀態(tài)和臨撞狀態(tài)下的肌肉電信息變化規(guī)律。

2 真實(shí)駕駛員在汽車(chē)性能模擬器上的突發(fā)性車(chē)車(chē)正面碰撞實(shí)驗(yàn)

為給駕駛員提供一個(gè)更具虛擬現(xiàn)實(shí)沉浸感的碰撞工況，從而更為準(zhǔn)確地獲取駕駛員的頸部肌肉電信息變化，在研究中利用了吉林大學(xué)汽車(chē)仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的汽車(chē)性能模擬器，構(gòu)建了一個(gè)突發(fā)性車(chē)車(chē)正碰實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，如圖2所示。

以往的研究認(rèn)為，揮鞭傷發(fā)生在追尾即后撞過(guò)程中，實(shí)際上，近1/3的揮鞭傷是由正面碰撞引發(fā)的[15]。為此，在汽車(chē)性能模擬器上構(gòu)建了臨近車(chē)道的車(chē)輛忽然駛?cè)氡拒?chē)行駛車(chē)道而與本車(chē)發(fā)生無(wú)法規(guī)避的車(chē)車(chē)正撞這一典型碰撞事故虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，來(lái)測(cè)試駕駛者在緊急情況發(fā)生時(shí)的臨場(chǎng)反應(yīng)。首先，測(cè)量志愿者頸部肌肉在最大自主收縮(max volunteer contraction,MVC)狀態(tài)下的表面肌電信號(hào)，作為衡量肌肉激活程度的參照；然后，志愿者駕駛汽車(chē)性能模擬器，測(cè)量碰撞工況下頸部肌肉的表面肌電信號(hào)；最后，對(duì)志愿者的肌電信號(hào)進(jìn)行處理，重點(diǎn)分析平均肌電圖RMS，統(tǒng)計(jì)在碰撞工況下志愿者頸部肌肉%RMS平均值。

2.1 汽車(chē)性能模擬器實(shí)驗(yàn)方法的特點(diǎn)

與臺(tái)車(chē)實(shí)驗(yàn)只能進(jìn)行低速碰撞不同，模擬器可以提供安全的實(shí)驗(yàn)方法從而實(shí)現(xiàn)低速到高速的全工況實(shí)驗(yàn)。同時(shí)也可以更加真實(shí)地獲得駕駛員在駕駛環(huán)境中，由碰撞前視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)等感官感受到危險(xiǎn)而激發(fā)的精神緊張和恐慌下的本能反應(yīng)。

我在這個(gè)時(shí)候往往會(huì)在心里狠狠地罵上一句：“你給我閉嘴！”但仍要不動(dòng)聲色地跟家屬講清楚道理：“我個(gè)人不認(rèn)為這個(gè)時(shí)候做X檢查有什么必要，我高度懷疑患兒就是生長(zhǎng)痛，你要非給孩子做這個(gè)檢查也行，反正……有輻射，你看著辦。”

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

2.2.1 碰撞工況設(shè)計(jì)

正面碰撞工況設(shè)計(jì)為：本車(chē)以要求速度在公路上行進(jìn)，同向和逆向均有車(chē)輛行駛，在行駛中，一輛逆向行駛的汽車(chē)突然失控，駛?cè)氡拒?chē)道，并在本車(chē)正前方10m處停止，作為障礙壁，如圖3所示。

2.2.2 選取志愿者

選取10名男性志愿者，要求具有相似的脂肪含量和骨肌結(jié)構(gòu)，身材尺寸接近混III假人，志愿者信息見(jiàn)表1。相似的身體結(jié)構(gòu)可以最大程度上避免因身體結(jié)構(gòu)差異引起的肌電-肌力關(guān)系離散程度，在后續(xù)研究中使用碰撞仿真分析軟件嵌入具有肌肉特性的假人，以此次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)作為肌肉參數(shù)設(shè)置假人，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

表1 志愿者基本信息

注：BMI全稱(chēng)是body mass index，即身體質(zhì)量指數(shù)，是用體質(zhì)量除以身高平方得出的數(shù)字，是目前國(guó)際上常用的衡量人體胖瘦程度的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.3 頸部肌肉選取

因?yàn)楸砻婕‰妰x只能測(cè)量表層大塊肌肉的電信號(hào)，因此選取支撐頭部運(yùn)動(dòng)的主要表面肌肉胸鎖乳突肌、頭夾肌和斜方肌作為研究對(duì)象，其中胸鎖乳突肌是前側(cè)主要肌肉，雙側(cè)收縮使頸部收縮；頭夾肌和斜方肌是后側(cè)主要肌肉，雙側(cè)頭夾肌收縮使頸部伸展，斜方肌在這一過(guò)程中起到配合作用。使用Biopac 150生理記錄儀采集它們的表面肌電信號(hào)。

2.2.4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

參照SENIAM協(xié)會(huì)建議[16]為志愿者粘貼電極，如圖4所示。依次測(cè)量志愿者靜止?fàn)顟B(tài)MVC的肌肉電信號(hào)和碰撞過(guò)程中肌肉電信號(hào)。

各肌肉取得MVC狀態(tài)方法如下：測(cè)試斜方肌時(shí)，受試者坐在椅子上，兩臂垂直于軀干以減少肱二頭肌和三角肌的介入，背倚著椅背上，避免豎棘突肌活動(dòng)，腳懸空避免下肢肌肉發(fā)力，用最大力做聳肩動(dòng)作；測(cè)試胸鎖乳突肌和頭夾肌時(shí)，受試者采取同樣坐姿，頭部分別盡力向左側(cè)和右側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到最大點(diǎn)保持靜止。假定肌肉已經(jīng)達(dá)到MVC，此時(shí)相關(guān)肌肉則最大程度地釋放肌電信號(hào)EMG。以肌肉做MVC時(shí)EMG的RMS值作為在碰撞實(shí)驗(yàn)時(shí)計(jì)算肌肉緊張程度的參考值[6-9]。

志愿者分別以20、50、80和100km/h時(shí)速駕駛汽車(chē)性能模擬器，記錄駕駛員駕駛過(guò)程中的肌電信號(hào)，并且記錄碰撞發(fā)生的時(shí)間。

2.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理流程

2.3.1 肌肉電信號(hào)分析方法

對(duì)表面肌肉電信號(hào)的分析主要集中在時(shí)域和頻域，其理論方法分為3類(lèi)：時(shí)域法、頻域法和時(shí)域—頻域法。在這3類(lèi)方法的眾多指標(biāo)中，選取與肌肉力密切相關(guān)的均方根振幅RMS。RMS反映一定時(shí)間內(nèi)肌肉放電的平均水平，被認(rèn)為與運(yùn)動(dòng)單位募集的數(shù)量和肌纖維放電的同步化有關(guān)，用來(lái)判斷肌肉活動(dòng)的開(kāi)始與停止時(shí)間，以及估計(jì)肌肉產(chǎn)生肌力的大小[6]，其計(jì)算公式為

(1)

此外，選擇肌電斜率作為研究指標(biāo)，將肌電值大于MVC下肌電值的5%定義為肌肉激活時(shí)刻，則

(2)

式中：SlopeEMG為肌電斜率；EMGmax為峰值肌電信號(hào)值；EMGavr為激活肌電信號(hào)值；T為肌電信號(hào)從激活狀態(tài)到峰值所經(jīng)歷的時(shí)間。

2.3.2 肌肉電信號(hào)處理流程

采集的肌肉電信號(hào)不能直接使用，須經(jīng)過(guò)降噪、全波整流、線性化，處理流程如圖5所示。

3 駕駛員頸部主要工作肌群的肌電數(shù)據(jù)分析

志愿者駕駛汽車(chē)性能模擬器，采集碰撞發(fā)生時(shí)頸部肌肉電信號(hào)，并使用上述方法對(duì)肌電信號(hào)進(jìn)行處理。采集到的原始肌電信號(hào)如圖6所示，圖7為經(jīng)過(guò)處理得到的碰撞時(shí)頸部肌肉RMS。

在10名志愿者中，9名志愿者在故障車(chē)出現(xiàn)時(shí)，右腳踩制動(dòng)踏板，雙手緊握轉(zhuǎn)向盤(pán)，伸展肘關(guān)節(jié)，將軀干推向座椅靠背，頭部由于這一動(dòng)作相應(yīng)有略微后仰的趨勢(shì)，這與之前文獻(xiàn)中描述的乘員在碰撞發(fā)生時(shí)規(guī)避動(dòng)作是一致的[3]；有1名志愿者習(xí)慣性規(guī)避動(dòng)作是，右腳踩制動(dòng)踏板的同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤(pán)躲避障礙物，在數(shù)據(jù)處理時(shí)，沒(méi)有采納這名志愿者的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

采用志愿者駕駛模擬器時(shí)肌肉EMG與MVC狀態(tài)下EMG的RMS比值(%RMS)，表征碰撞發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的肌肉力，計(jì)算9名志愿者在發(fā)生碰撞時(shí)頭夾肌、胸鎖乳突肌和斜方肌3塊肌肉的均值。車(chē)速與肌電%RMS關(guān)系如圖8和圖9所示。從圖中可以看出，隨著志愿者駕駛速度的增加，頸部肌肉的%RMS呈上升趨勢(shì)，這是因?yàn)殡S著駕駛速度的提高，突然出現(xiàn)的障礙物對(duì)志愿者產(chǎn)生更大的刺激，志愿者在采取自我保護(hù)時(shí)，肌肉緊張的程度隨之增加。

比較各塊肌肉肌電均值，頭夾肌最小，低于13%，斜方肌最大，在18%～27%之間。使用雙因素方差分析法對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，本車(chē)速度和所關(guān)注肌肉對(duì)EMG的均值有重要的影響(P<0.01)，EMG隨著車(chē)速的增加而增大，使用最小顯著差異方法(LSD)對(duì)不同肌肉進(jìn)一步檢驗(yàn)，正面碰撞工況中頭夾肌的激發(fā)狀態(tài)與胸鎖乳突肌和斜方肌不同(P<0.001)，胸鎖乳突肌與斜方肌之間沒(méi)有明顯不同。

同時(shí)，本車(chē)速度對(duì)EMG的斜率有影響(P<0.05)，斜率隨車(chē)速增加。相同車(chē)速下不同肌肉間的EMG斜率也有顯著區(qū)別，頭夾肌的肌電斜率與其他兩塊肌肉明顯不同。

依據(jù)解剖學(xué)，頭夾肌和斜方肌作為后側(cè)肌肉是頭部伸展的主動(dòng)肌，胸鎖乳突肌是頭部后仰的拮抗肌。在碰撞發(fā)生時(shí)，駕駛員由肌肉緊張引起一系列運(yùn)動(dòng)學(xué)反應(yīng)，頭部發(fā)生向后伸展的趨勢(shì)。頭夾肌作為頸部伸展的主動(dòng)肌，激活程度反而小于作為拮抗肌的胸鎖乳突肌，經(jīng)過(guò)分析，由于轉(zhuǎn)向盤(pán)的引入，為駕駛員提供了除座椅和安全帶之外新的約束，在碰撞發(fā)生前，駕駛員雙手緊握轉(zhuǎn)向盤(pán)，伸展肘關(guān)節(jié)，將軀干推向座椅，頭部隨著軀干向后運(yùn)動(dòng)，并由于慣性產(chǎn)生伸展的趨勢(shì)，分擔(dān)了頭夾肌的部分功能。制動(dòng)踏板對(duì)腿部提供的支撐，也會(huì)影響到包括頸部肌肉在內(nèi)的全身運(yùn)動(dòng)學(xué)變化。

高速碰撞中，乘員頸部發(fā)生“S”形變，肌肉在拉伸時(shí)產(chǎn)生離心收縮，會(huì)加重對(duì)頸部肌肉的損傷；在低速碰撞時(shí)，乘員頸部肌肉將更多地起到減緩頸部運(yùn)動(dòng)的作用，從而降低頸部損傷幾率。而現(xiàn)有假人不能表征肌肉主動(dòng)收縮，無(wú)法反映高速時(shí)頸部肌肉損傷加重和低速時(shí)損傷減弱的趨勢(shì)。同時(shí)，肌肉收縮引起的運(yùn)動(dòng)學(xué)變化，將引發(fā)整個(gè)碰撞過(guò)程中乘員頸部運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)的變化，也勢(shì)必對(duì)乘員約束系統(tǒng)的設(shè)計(jì)產(chǎn)生影響。以上對(duì)車(chē)輛乘員頸部肌肉損傷的定性分析結(jié)果會(huì)在后續(xù)研究中采用揮鞭傷病理觀察、碰撞仿真分析和志愿者臺(tái)車(chē)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行更為客觀準(zhǔn)確的研究。

4 結(jié)論

在汽車(chē)性能模擬器上設(shè)置碰撞工況，選取與頸部活動(dòng)相關(guān)的主要肌肉，使用肌肉電信號(hào)描述汽車(chē)碰撞時(shí)駕駛員頸部肌肉的緊張程度。從研究結(jié)果中可以得到以下結(jié)論。

(1) 在汽車(chē)性能模擬器上設(shè)置碰撞仿真場(chǎng)景，能激發(fā)出駕駛員在真實(shí)駕駛過(guò)程中因遇到突發(fā)狀況引起的緊張和恐慌，與傳統(tǒng)的臺(tái)車(chē)實(shí)驗(yàn)相比，使用此方法進(jìn)行碰撞仿真實(shí)驗(yàn)，可以安全獲得車(chē)速和駕駛環(huán)境等因素對(duì)駕駛員生理信息的影響。

(2) 駕駛員由于意識(shí)到即將發(fā)生的碰撞，會(huì)采取本能的自我保護(hù)動(dòng)作，這一本能反應(yīng)會(huì)使肌肉電信號(hào)比正常駕駛時(shí)有明顯的升高，如車(chē)速為100km/h時(shí)，斜方肌肌電由正常駕駛時(shí)的3%提高至27%。

(3) 在正面碰撞中，隨著本車(chē)車(chē)速的升高，駕駛員頸部肌肉電信號(hào)整體呈上升趨勢(shì)，胸鎖乳突肌(66%)和斜方肌(50%)這一趨勢(shì)更明顯，頭夾肌激活程度偏低，且與車(chē)速?zèng)]有確切相關(guān)性。

(4) 肌肉電信號(hào)斜率隨著車(chē)速升高而增加，不同肌肉的肌電信號(hào)斜率有明顯區(qū)別。

(5) 相比而言，現(xiàn)有假人模型缺乏對(duì)車(chē)輛乘員肌肉收縮等主動(dòng)變化的描述，無(wú)法準(zhǔn)確反映高速碰撞中乘員頸部“S”形變及其對(duì)頸部肌肉損傷帶來(lái)的影響，更無(wú)法反映肌肉主動(dòng)收縮對(duì)碰撞發(fā)生時(shí)乘員頸部運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響。

以上研究與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)描述了車(chē)輛乘員在碰撞時(shí)頸部運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性變化，為分析乘員骨肌主動(dòng)反應(yīng)對(duì)頸部損傷的影響提供了依據(jù)。在后續(xù)研究中將重點(diǎn)研究在現(xiàn)有的碰撞假人模型中導(dǎo)入駕駛員頸部肌肉和肌肉力的主動(dòng)變化，更為真實(shí)準(zhǔn)確地分析骨骼與肌肉協(xié)同作用下對(duì)頸部損傷的影響。

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