汽車碰撞中頸部肌肉組織神經興奮性對乘員損傷影響的研究*

金景旭，張君媛，周 浩，黃旭弘

(1.吉林大學，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130025； 2.湖南大學，汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙 410082；3.吉林大學機械科學與工程學院，長春 130025)

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2015091

汽車碰撞中頸部肌肉組織神經興奮性對乘員損傷影響的研究*

金景旭1,2，張君媛1，周 浩1，黃旭弘3

(1.吉林大學，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130025； 2.湖南大學，汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙 410082；3.吉林大學機械科學與工程學院，長春 130025)

為研究汽車碰撞中神經興奮性引起頸部肌肉力的變化對乘員損傷的影響，建立了低速正面碰撞與追尾碰撞模型，對乘員運動響應進行了仿真分析。然后使用汽車駕駛模擬器采集真實駕駛員頸部主要肌肉的肌電信號，驗證了仿真結果的有效性。結果表明，在低速工況下，頸部肌肉緊張會約束頭頸部的運動，頭部有后傾上揚趨勢，頸部受力大小有所增加。考慮頸部肌肉組織的神經興奮性，能更真實地再現碰撞中乘員頭部和頸部的運動響應，為頸部損傷評價準則的修正和乘員心理和生理變化對人體損傷影響的研究提供參考。

正面碰撞；追尾碰撞；神經興奮性；頸部肌肉；頸部損傷

前言

汽車乘員的頸部損傷常見于交通事故中的低速追尾碰撞和正面碰撞系有安全帶的乘員身上[1]。目前的車輛碰撞安全性能設計大多借助假人進行碰撞事故模擬和乘員傷害評價。然而，假人的機械結構與真人的生理結構存在較大差異，無法準確描述乘員在事故中骨折、肌肉損傷等問題。近些年來，隨著生物力學等相關交叉學科研究的深入，開發碰撞環境下具有高仿真度的數字化真人模型成為目前汽車研究領域的熱點。有代表性的是文獻[2]中的韋恩州立大學頭頸部損傷模型，該模型從生物醫學角度和真實人體結構出發，包含顱骨、腦組織、椎骨、椎間盤、韌帶、脊髓和肌肉組織等，是學術界和汽車界最為關注的動態有限元模型。然而現有模型中，肌肉的基本材料特性參數是通過單軸拉伸試驗測量得到的，是靜態或準靜態載荷條件下的參數，沒有考慮肌肉主動收縮緊張反應[3]。

實際上，當乘員面臨無法避免的汽車碰撞時，潛意識的精神緊張會引起不同程度的肌肉緊繃，使肌肉組織的物理特性發生改變，造成其抵抗傷害的能力不同[4]，改變碰撞過程中乘員的運動響應。

由于現有仿真人模型多是從生物醫學角度建立的靜態人體模型，缺乏碰撞發生瞬間真實乘員的肌肉收縮緊張反應，因此開展汽車碰撞發生時乘員心理和生理變化對人體損傷的影響研究很有必要。本文中將從人體頸部肌肉組織出發，針對易于出現頸部損傷的低速工況，使用MADYMO中整合頸部肌肉組織模型的Facet乘員模型，建立碰撞仿真平臺以研究神經興奮性下產生的不同頸部肌肉力釋放程度對頸部響應的影響。最后，通過志愿者使用汽車駕駛模擬器模仿碰撞工況，驗證仿真結果的有效性。

1 考慮頸部肌肉組織神經興奮性的 Facet乘員模型

MADYMO作為一款模擬人體碰撞損傷的仿真軟件，廣泛應用于研究汽車碰撞過程中乘員的響應和損傷分析。軟件提供各種經過驗證的人體模型，包含假人數字模型和仿真人數字模型兩種。其中，仿真人數字模型是基于真人，包括乘員模型、行人模型以及局部分割模型等，相比傳統的假人數字模型，具有生物力學特性好，且仿真度高的優點。

考慮頸部肌肉組織神經興奮性的Facet乘員模型(圖1)，一方面是旨在分析頭頸部響應中肌肉活動所起到的作用，另一方面是為進一步探究頸部損傷機理。頸部肌肉組織采用Hill-type模型作為理論模型進行模擬[5]，肌肉力由主動力與被動力兩者相加得到，主動力與被動力計算表達式分別為

Fce=AFmaxfH(vr)fL(lr)

(1)

Fpe=Fmaxfp(lr)

(2)

式中：Fce為主動力；Fpe為被動力；A為激發狀態數值(取值范圍0～1)；fH(vr)表示收縮性單元的正規化主動力-速度關系；fL(lr)表示收縮性單元的正規化主動力-長度關系；fp(lr)表示平行彈性單元的正規化被動力-長度關系。由表達式可知激發狀態數值A只影響主動力，而對被動力沒有影響，且A的取值范圍為0～1，因此A可理解為受神經興奮性控制的肌肉力釋放程度百分比。通過定義激發狀態數值A-時間函數，實現神經控制信號的控制作用。

2 低速工況乘員頸部損傷的仿真研究

圖11為3組仿真的NIC對比，不同的A值下，曲線變化趨勢大致相同，但考慮肌肉神經興奮性的條件下，NIC曲線達到峰值的時間略有提前，約為5ms，且幅值略有降低，約15%，這說明由于頸部肌肉緊繃，頸部發生輕微損傷的幾率會降低15%左右。

2.1 低速工況碰撞模型的建立

低速工況碰撞模型包括座椅、乘員和安全帶模型3個組成部分。座椅模型由頭枕、靠背、坐墊以及地板組成。座椅模型采用四節點膜單元，表面變形通過不同的接觸特性描述。坐墊傾角為11°，靠背傾角為24.4°。

2.3 乘員頸部肌肉組織神經興奮性的模擬

25km/h正面碰撞模型中，對乘員模型加載重力場與加速度場，加速度場曲線如圖4所示，峰值為104.5m/s2，持續時間為200ms；15km/h追尾碰撞模型中，對乘員模型施加重力場，座椅模型通過移動鉸鏈和參考空間連接模擬車體，對移動鉸鏈加載如圖5所示的碰撞波形，使座椅模型加速向前運動，模擬車輛發生追尾碰撞時的運動。

基于智能互聯的地質災害監測預警技術的投入使用，填補了長期以來偏遠山區重要地質災害點監測的空白，解決了以往單靠人工巡查、監測所帶來的監測數據誤差大、監測不及時、數據庫動態更新難及預警分析難等問題，有力的推動了地質災害防治“四大體系”的深度融合。項目成果已廣泛應用到山東省各級國土資源部門，對汛期全省地質災害預警預報、地質災害監測、防治、搬遷避讓、應急指揮和演練起到決策、指導和輔助作用。

2.2 頸部損傷評價指標的選擇

3.2 低速15km/h追尾碰撞

參考C-NCAP中對50km/h正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗的要求，使用頸部剪切力Fx、張力Fz以及伸張彎矩My作為低速25km/h正面碰撞頸部損傷的評價指標，并在此基礎上添加頸部傷害指數NIC作為15km/h追尾碰撞頸部損傷的評價指標。其中NIC的計算式為

(3)

采用預模擬方法進行乘員模型定位，與一般假人模型定位不同的是，考慮頸部肌肉組織神經興奮性的Facet乘員模型需要在相鄰椎骨間添加cardan約束以重現更為真實的乘員坐姿。安全帶模型采用混合型，即有限元與多剛體混合模型。模型中定義以下接觸：頭枕與頭部，靠背與背部、臀部，坐墊與臀部，左右腳掌與地板以及肩帶與胸部、腹部，腰帶與腹部、盆骨等。構建的25km/h正面碰撞和15km/h追尾碰撞模型分別如圖2和圖3所示。

頸部肌肉組織神經興奮性的作用效果具體表現為頸部肌肉力釋放程度的不同，因此設置3組激發狀態來模擬不同的神經興奮性(表1)，包括兩組極限情況以及一組平均情況。由于實際碰撞中乘員一般在碰撞前已實現肌肉緊繃狀態，且碰撞時間較短，肌肉力作用在整個過程中持續存在，因此設置中將激發狀態數值A定義為常函數。針對3組神經興奮程度分別進行低速25km/h正面碰撞和15km/h追尾碰撞仿真，觀察乘員模型的頭頸部運動姿態，并輸出相應的評價指標。

表1 3組神經興奮性設置

追尾碰撞下的3組Facet乘員模型運動姿態如圖9所示。對比可知，神經興奮性的有無對頭頸部響應有明顯區別，由于頸部肌肉神經興奮性作用，乘員頭部在60ms后發生明顯后傾與上揚，但神經興奮程度A由1降低到0.5，乘員運動響應區別不大。

3 考慮乘員頸部肌肉組織神經興奮性的損傷計算和分析

3.1 低速25km/h正面碰撞

老頭子還依然玩著，依然常常故意把假腳舉起，作為其中一個全身均被舉起的姿勢，又把肩背極力傾斜向左向右，便仿佛傀儡相撲極烈。到后便依然在一種規矩中倒下，毫不茍且的倒下。自然的，王九又把趙四戰勝了。

結合圖9和圖10分析，忽略神經興奮性的控制作用，即A=0.005情況，乘員頭部于42ms時開始與頭枕接觸，在頭枕反作用力下，Fx整體呈正向遞增，于82ms達到峰值；而頸部開始階段呈向后彎曲，My負向遞增，Fz正向遞增，50ms后頸部恢復直立為過渡階段，60ms后頸部呈向前彎曲，My正向遞增，Fz正向遞增，皆到80ms達到峰值。之后，頸部受力隨頭部的前移逐漸減小。而考慮神經興奮性的作用效果，即A=0.5和A=1情況，肌肉力在仿真初期就得到釋放，頭部在肌肉牽拉作用下呈明顯后傾與上揚趨勢，乘員頭部更早與頭枕接觸，頸部姿態變化過程也相應提前。

圖8為低速正面碰撞評價指標曲線。結合圖7和圖8，忽略神經興奮性的控制作用，即A=0.005情況，由于安全帶約束軀干，乘員頭部前傾，頭部與軀干在50ms左右相對運動產生位移差，頸部力增加，具體表現為：Fx負向遞增，于90ms達到峰值；Fz正向遞增，于97ms達到峰值；My正向遞增，于86ms達到峰值。之后，頸部力隨著頭部的下潛逐漸減小，150ms時接近為0。而考慮神經興奮性，即A=0.5和A=1情況，肌肉力釋放，在頸部肌肉牽拉作用下，乘員頭部受到約束，使頭部運動明顯滯后，且有后傾趨勢。頸部受力表現為：Fx和Fz分別呈迅速的負向遞增與正向遞增；由于頭部一直保持后傾狀態，My恒為負值，整體呈負向遞增趨勢。由于A為常函數，因此Fx、Fz和My曲線在0時刻即有初值，且在仿真末期幅值未回落。對比A=0.5和A=1兩種情況發現，約束作用隨著興奮程度的下降而降低。

內部控制體系建設是一項覆蓋企業全部經營活動的長期性、不間斷的工作，覆蓋面包括:各項經濟活動、企業內部各工作人員。高效的內部控制體系包括:一線的業務處理室和內部控制體系的執行、二線負責建設內部控制體系以及監督、自我完善評價的工作、三線的監督和檢查內部控制體系的執行情況等這三道防線。但是在實際的公立醫院運營過程中并未形成體系化的建設工作，同時醫院上下對業務、風險預測、內部審計沒有明確的定位和理解。導致多數醫院在建立內部控制體系中各部門權責不明，降低了內部控制體系在醫院經營過程中的工作效率。同時，不利于公立醫院的健康發展。

仿真過程中，輸出某段頸長肌肌肉主動力-時間曲線(圖6)。前30ms肌肉主動力主要受激發狀態數值A的影響，近似呈現兩倍關系；30ms后由于肌肉主動力受fH(vr)和fL(lr)兩個關系的影響較大，因此肌肉主動力不再近似呈現兩倍關系，但能說明肌肉組織已經按照激發狀態數值A的定義受到神經興奮性的控制作用。

為更直觀、全面地研究頸部肌肉組織神經興奮性對乘員損傷的影響，損傷計算主要圍繞兩方面展開，分別為碰撞過程中不同神經興奮程度下Facet乘員模型運動姿態的對比和頸部損傷評價指標曲線的對比。低速正面碰撞下的3組Facet乘員模型運動姿態如圖7所示。通過對比發現，不同A值所對應的響應明顯不同，在60ms后，由于頸部肌肉神經興奮性，乘員頭頸部發生明顯后傾。

相對于A=0.005，仿真A=0.5和A=1的Fx與Fz曲線的幅值高，且增幅隨神經興奮程度的增加而增大；而My曲線趨勢基本保持一致，負向幅值略有增加，正向幅值略有降低；同正面碰撞的仿真結果一樣，由于A為常函數，因此Fx、Fz和My曲線0時刻即有初值，且在仿真末期保持高幅值呈平穩狀態并未回落。

為研究低速工況下乘員頸部肌肉組織神經興奮性對頸部損傷的影響，建立兩種低速工況碰撞模型，分別為25km/h正面碰撞模型和15km/h追尾碰撞模型。

根據以上分析，研發團隊研發了直線電機預警子系統的數據預處理模塊，為后續的大數據綜合分析提供了高質量的分析數據。

此外，頸部肌肉力的主動保護作用往往表現為約束乘員頭部的運動。從低速工況下乘員運動響應發現：正面碰撞中頸部肌肉力約束乘員頭部運動的效果比較明顯，且這種約束作用隨著神經興奮程度的增加而愈加明顯；但追尾碰撞中，由于乘員頭部受到頭枕的限位作用，頸部肌肉力的約束作用沒有明顯體現。進一步計算兩種低速工況下3組不同神經興奮程度下的乘員頭部HIC值(表2)，對比發現：正面碰撞中，乘員精神緊張條件下，HIC有明顯降低，且隨著神經興奮程度的增加，HIC值更小；而追尾碰撞中，是否考慮乘員精神緊張對HIC影響不大。這與從乘員運動響應得出的結論相一致。

表2 低速工況下乘員HIC值

4 考慮乘員頸部肌肉力學特性的正面碰撞實驗驗證

為驗證正面碰撞仿真中頸部肌肉組織神經興奮性對乘員響應的影響，使用吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室的小型汽車駕駛模擬器構造正面碰撞虛擬工況。為實現不同的肌肉神經興奮性，志愿者分別以20、50、80和100km/h時速駕駛模擬器，記錄碰撞工況下頸部主要肌肉的表面肌電信號(EMG)。駕駛員頸部主要肌肉(頭夾肌、斜方肌和胸鎖乳突肌)及駕駛模擬器的示意圖如圖12所示。

第四步，根據風險估計的結果確定總體風險等級。本次項目共存在隱患風險點123處，其中，必須實施風險管控的II級風險點，且會產生嚴重或非常嚴重后果的風險點有10處，占總數的8.1%；可采取風險處理措施的III級風險有22處，占總數的17.9%。因此,本項目必須采取風險控制措施以消除或降低風險。

對志愿者的肌電信號進行處理，將預先測量的頸部肌肉在MVC(max volunteer contraction)狀態下表面肌電信號作為衡量肌肉活性的參照，用志愿者駕駛模擬器時肌肉EMG與MVC狀態下EMG的RMS比值(%RMS)表征碰撞發生時產生的肌肉力，結果如圖13所示。可以看出，隨著志愿者駕駛模擬器速度的增加，頭夾肌、斜方肌和胸鎖乳突肌的%RMS逐漸增加，這是由于駕駛速度越高，突然出現的障礙物對志愿者產生越大的刺激，志愿者在采取自我保護時，肌肉的緊張程度隨之提高[7]。

上市公司設立并購基金的信號效應研究..................................................................................................................王永妍 肖 玥 佟 巖（40）

在實驗過程中，志愿者頭部有不同程度的后傾和上揚趨勢，這一現象與仿真中預測的乘員在碰撞發生時的響應一致。依據解剖學，雙側頭夾肌收縮使頭部后仰，斜方肌協助頭部后仰，胸鎖乳突肌收縮則會使頭部前屈。通過實驗數據發現，在所有工況下，頭夾肌激活程度最高，斜方肌次之。乘員在碰撞發生時，由頸部肌肉緊張引起的一系列生理反應，頭部發生后仰的趨勢，能夠起到約束頭頸部運動響應的作用。

5 結論

當不可避免的汽車碰撞即將發生時，乘員精神緊張程度的差異會導致不同的肌肉組織活性，具體表現為釋放不同大小的肌肉力。為探究這種差異對乘員頸部損傷造成的影響，從人體頸部肌肉組織出發，設置3組不同的神經興奮程度，對25km/h正面碰撞與15km/h追尾碰撞工況下乘員響應進行數字仿真。結果表明：低速工況下由神經興奮所引起的頸部肌肉緊張會約束頭部和頸部的運動響應，使頭部有后傾和上揚趨勢，頸部受力幅值隨著神經興奮程度的增加而增加；追尾碰撞中頸部傷害指數NIC峰值時刻提前，且略有下降；正面碰撞中，由于頸部肌肉對頭部運動的約束作用，頭部傷害明顯降低，而追尾碰撞中由于頭枕對頭部的相互作用占主導，頸部肌肉的約束作用沒有體現。最后，對于正面碰撞仿真得出的結論，通過志愿者使用汽車駕駛模擬器模仿碰撞工況下的響應得到進一步的理解和驗證。

劇本是文學作品的一種體裁，主要由人物對話（或唱詞）和舞臺提示等構成。是喜劇演出的文字底本。劇本按容量大小可以分為獨幕劇和多幕劇。劇本的情節結構一般可分為：開端、發展、高潮、結局。

MRI檢查：采用西門子1.5T磁共振，使用表面線圈，常規矢狀位掃描觀察腰椎間盤信號及椎體形態，同時進行橫軸位T2WI掃描；仔細觀察硬膜囊受壓情況，并確定椎管是否存在狹窄。

在汽車碰撞中考慮神經興奮性的作用效果可以更真實地再現乘員頭頸部的運動響應。接下來的研究工作將根據目前所得出的實驗數據與軟件對接，修正現有的模型，為正面碰撞假人和頭頸部損傷評價準則的改進、防護裝置的開發提供更真實的有力工具；同時，為開展汽車碰撞中乘員心理和生理變化對人體損傷影響的研究奠定基礎。

[1] Schmitt K U. Trauma Biomechanics: Accidental Injury in Traffic and Sports[M]. Springer,2010.

[2] Yang K H. Development of a Finite Element Model of the Human Neck[C]. SAE Paper 983157.

[3] 曹立波,奠波,盧暢.基于CT 圖像頸椎有限元模型的建立及驗證[J].湖南大學學報(自然科學版),2009,36(1):24-29.

[4] Iwamoto M, Nakahira Y, Sugiyama T. Investigation of Pre-impact Bracing Effects for Injury Outcome Using an Active Human FE Model with 3D Geometry of Muscles[C]. 22nd International Technical Conference on the Enhanced Safety Vehicles,2011.

[5] Automotive T N O. MADYMO Theory Manual Version 7.4[G]. TNO Automotive. Delft, The Netherlands,2010.

[6] 中國汽車技術研究中心.C-NCAP試驗評價規程[S].2012.

[7] 高振海,李釗,段立飛.汽車碰撞時駕駛員頸部肌肉動力學特性的肌電信息描述[C].第十六屆汽車安全技術學術會議論文集,2013.

An Investigation into the Effects of Neck Muscle Neural Excitationon Occupant Injury During Vehicle Crash

Jin Jingxu1,2, Zhang Junyuan1, Zhou Hao1& Huang Xuhong3

1.JilinUniversity,StateKeyLaboratoryofAutomotiveSimulationandControl,Changchun130025;2.HunanUniversity,StateKeyLaboratoryofAdvancedDesignandManufacturingforVehicleBody,Changsha410082;3.SchoolofMechanicalScienceandEngineering,JilinUniversity,Changchun130025

In order to study the influence of the change in neck muscle force caused by neural excitation on occupant injury during vehicle crash, both frontal and rear low-speed impact models are built and the kinematic response of occupant is simulated. Then a vehicle driving simulator is used to collect the EMG signals of major neck muscles, verifying the effectiveness of simulation results. The results show that in low speed condition the movement of neck is confined by muscle tension and the head tends to incline backward with a certain increase in neck muscle force. With consideration of the neural excitation of neck muscle, the kinematic response of occupant head and neck can be reproduced more truly, providing an effective reference for the amendment of neck injury evaluation criteria and the study on the effects of occupant’s psychological and physiological changes on human body injury.

frontal impact; rear impact; neural excitation; neck muscle; neck injury

*長春市科技計劃項目(12ZX19)和湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室開放基金項目(31115004)資助。

原稿收到日期為2013年8月29日，修改稿收到日期為2013年12月13日。