中國成年男性全頸椎生物力學建模與驗證*

陳吉清，吳 凱，蘭鳳崇，杜天亞，黃 偉

(1.華南理工大學機械與汽車工程學院，廣州 510640； 2.廣東省汽車工程重點實驗室，廣州 510640)

2016206

中國成年男性全頸椎生物力學建模與驗證*

陳吉清，吳 凱，蘭鳳崇，杜天亞，黃 偉

(1.華南理工大學機械與汽車工程學院，廣州 510640； 2.廣東省汽車工程重點實驗室，廣州 510640)

為了深入分析汽車碰撞中乘員頸部動力學響應和損傷機理，基于完整頸部解剖學結構建立了中國50百分位成年男性高仿生精度的全頸椎生物力學模型，模型由椎骨(密質骨和松質骨)和椎間盤(纖維環、髓核和軟骨終板)、韌帶、小關節以及肌肉等軟組織構成。對比分析模型仿真結果與國外志愿者低速后碰撞試驗和4名中國成年男性志愿者20km/h急制動試驗，發現人體測量學參數對頭頸部響應有較大影響，模型能較好地預測中國50百分位成年男性生物力學響應，可用于汽車安全性設計和頸部防護措施的研究。

汽車碰撞；乘員安全；頸部損傷；生物力學模型

前言

頸部在人體中是連接頭部與軀干、靈活性最大、活動頻率最高的部位，同時相對薄弱，是交通事故中最容易受傷的部位，特別是碰撞事故由于乘員頸部和頭部慣性運動造成的揮鞭損傷[1]。據統計，在美國180萬起碰撞事故中，28%的事故會造成頸部損傷[2]，在日本追尾碰撞事故中，乘員頸部損傷占事故傷害的比例高達78.2%[3]。

鑒于碰撞事故中頸部損傷的嚴重性，國內外學者采用試驗和生物力學模型分析的方法開展了頸部損傷的研究。文獻[4]中進行了7km/h志愿者后碰撞臺車試驗，分析后碰撞中頸椎的響應；文獻[5]中對11個未經防腐處理的尸體進行了頭頸部沖擊試驗，分析頸椎椎骨的挫傷。由于志愿者試驗危險性高和尸體試驗重復性差，生物力學模型仿真分析逐漸成為頸部損傷生物力學研究的主要方法。文獻[6]中建立了相對精確的頸部有限元模型，其頸椎椎體采用殼單元，對頭頸部不同方向的撞擊進行模擬，預測頸部損傷情況；文獻[7]中在對椎骨幾何模型復雜表面簡化修正的基礎上建立一個頸椎和脊柱的有限元模型，研究脊柱爆裂性骨折和骨折脫位等損傷形式；文獻[8]中根據CT圖像信息采用四面體單元建立了女性頸部有限元模型，分析肌肉內部載荷。文獻[9]中根據美國ViewPoint DataLabs公司提供的椎骨幾何模型建立了頸部有限元模型，椎骨采用殼單元，研究了軟組織特性參數對頸部運動的影響；文獻[10]和文獻[11]中建立了中國男性除小關節外的全頸椎有限元生物力學模型，對后碰撞中椎骨和軟組織的響應參數進行分析。

已經開展的研究工作為乘員頸部生物力學建模、損傷研究與分析奠定了重要的基礎。鑒于人體頸部組織器官結構的復雜性，以往生物力學模型構建都做了簡化處理，例如椎骨等結構幾何形狀的簡化，骨質結構上忽略了密質骨和松質骨的區別等[9-11]。有限元單元大都采用殼單元或四面體[6-9]，相對來說模型的精度會受到影響。如何進一步提高頸部生物力學模型的精度和仿真可靠性是未來研究工作的重點。

本文中基于完整頸部解剖學結構建立了更加精細、生物逼真度更高的中國成年男性50百分位頸部生物力學模型，利用4名中國成年男性志愿者進行了20km/h急制動試驗，將模型仿真結果與已有志愿者后碰撞試驗[4]結果和20km/h急制動試驗結果對比，以驗證模型的有效性，分析志愿者身體尺寸特征對頭頸部響應的影響。文中所建立的生物力學模型精確反映了中國50百分位成年男性生物力學響應，能用于汽車安全性設計，對于中國汽車標準法規和新車型自主開發設計規范的制定具有重要意義。

1 人體頸部生物力學模型的建立

1.1 頸部幾何模型的建立

根據中國男性人體50百分位標準尺寸(身高1 678.0±59.33mm，體質量59.0±6.66kg)[12]，選定身高1 680mm，體質量60kg的一名30歲男性志愿者，利用CT斷層掃描和MRI圖像掃描獲取頸椎DICOM數據，結合兩種形式的醫學影像數據對頸椎進行幾何重建，生成C1-C7頸椎的點云圖像如圖1所示。再對點云圖像去噪、濾波和數據平滑等處理，將點云數據按照選定的精度，以曲面擬合方式生成表面光滑的幾何曲面，最終得到的頸椎椎骨幾何模型如圖2所示。

圖1 頸部組織點云提取

圖2 頸椎椎骨幾何重構模型

1.2 全頸椎有限元模型的構建

有限元網格劃分是影響后續計算結果準確性至關重要的一步。映射網格劃分方法是通過適當的映射函數將待剖分物理域映射到參數空間中形成規則參數區域，再對規則參數區域進行網格剖分，最后將參數域的網格反向映射回物理空間，從而得到物理域的有限元網格。頸椎椎骨包括椎體、前結節、后結節、關節突、椎孔、橫突及橫突孔等結構，幾何外形極不規則。采用映射網格劃分方法完成C1-T1椎骨有限元網格的劃分，然后根據真實解剖結構建立軟組織的有限元模型。

1.2.1 椎骨有限元模型

頸椎由C1-C7 7段椎骨組成，C1和C2結構比較特殊，又分別稱為寰椎和樞椎，相比于下頸椎的解剖結構，寰椎沒有椎體，樞椎椎體上特有稱為齒突的骨狀突起，作為寰椎的旋轉樞軸。其余5段椎骨結構相似，尺寸略有差異，稱為普通頸椎。椎骨分為外層的密質骨和內部的松質骨，將椎骨幾何模型導入ANSYS中，生成實體并完成松質骨網格的劃分。由于密質骨在椎骨最外面，厚度很薄只有0.4mm[13]，在椎骨有限元模型的表面生成一層殼單元模擬密質骨。以寰椎、樞椎和普通頸椎C4為例，其有限元模型如圖3所示。

圖3 頸椎椎骨有限元模型

第一胸椎T1與普通頸椎結構相似，由椎體、椎弓和突起等構成，在椎體側面后部近體上緣和下緣處各有半球形肋凹，與肋骨形成橫突關節，上下關節突的關節面幾乎呈冠狀位，相比于普通頸椎，T1的棘突較長。T1有限元模型如圖4所示。

圖4 胸椎T1有限元模型

1.2.2 軟組織有限元模型

(1) 椎間盤 椎間盤是連接相鄰椎體的主要結構，起著緩沖外力、吸收能量的作用。椎間盤由髓核、纖維環和軟骨終板3部分組成，纖維環四周包繞著中間的髓核，軟骨終板上下包繞著纖維環和髓核。椎間盤有限元模型采用直接法進行建模，拉伸椎骨間面網格生成髓核有限元模型，在髓核外圍生成一層實體單元模擬纖維環，并在髓核和纖維環的上下表面生成一層殼單元模擬軟骨終板，完成椎間盤有限元模型的建立，如圖5所示。

圖5 椎間盤有限元模型

(2) 小關節 小關節位于相鄰椎骨的關節面之間，由關節軟骨和外層的關節囊韌帶構成，決定頸部的側彎和旋轉運動。通過拉伸椎骨上下關節面建立小關節的有限元模型，在小關節外表面生成一層殼單元模擬關節囊韌帶。小關節有限元模型如圖6所示。

圖6 小關節有限元模型

(3) 韌帶 韌帶是堅韌性的纖維帶，對頸椎的內在穩定起著重要作用。頸部韌帶主要有前縱韌帶、后縱韌帶、橫突間韌帶、黃韌帶、棘間韌帶和棘上韌帶等。CT中無法直接提取出韌帶的點云數據，根據解剖學知識確定韌帶的具體位置，通過拉伸生成殼單元建立韌帶的有限元模型，如圖7所示。

圖7 韌帶有限元模型

圖8 部分肌肉有限元模型

(4) 肌肉 肌肉能夠產生張緊力，牽動椎骨和軟組織實現頸部的彎曲、伸展和側彎等運動。肌肉不僅能被動地承受載荷，還可產生主動力。與韌帶一樣，肌肉的點云數據無法直接從CT中提取，根據人體解剖學結構中肌肉起始點和終止點位置[14]，用桿單元建立肌肉的有限元模型。由于本模型只建立了頸椎部分，對于不能從模型上直接確定起始點位置的肌肉，根據解剖學描述的肌肉位置建立參考點作為起始點。模型中建立了包括胸鎖乳突肌、肩胛提肌、頭長肌、頸長肌和前、中、后斜角肌等的頸前肌群以及包括頭最長肌、頸最長肌、斜方肌、頭夾肌、頸夾肌、頭半棘肌和頸半棘肌等的頸后肌群。部分肌肉的有限元模型如圖8所示。

1.3 頭頸部有限元模型的組合

在文獻[15]中建立的中國人體50百分位頭部有限元模型基礎上，建立寰枕關節及其韌帶，完成頭部與頸部有限元模型的連接。整個頸部模型包括39 967個實體單元，31 251個殼單元，92個Hughes-Liu梁單元，完整的有限元模型如圖9所示。

圖9 頭頸部有限元模型

模型材料參數參考尸體試驗與組織材料試驗[16-17]，密質骨和松質骨采用彈塑性材料模擬，材料參數如表1所示；髓核和肌肉采用黏彈性材料模擬，材料參數如表2所示；纖維環、軟骨終板、韌帶和小關節采用線彈性材料模擬，材料參數如表3所示。

表1 椎骨彈塑性材料參數

表2 髓核和肌肉黏彈性材料參數

2 頭頸部模型有效性分析

頭頸部生物力學響應與撞擊力、加速度和各組織的應力應變有關。志愿者試驗是分析頸部組織生物力學響應的主要方法，然而志愿者試驗必須限制志愿者于非異常力場中，有限元分析是彌補這類問題的有效方法。文獻[18]中指出碰撞事故引起的頸部揮鞭損傷發生前頸部肌肉主動力是不起作用的，由于仿真與試驗中分析時間較短，因此不考慮肌肉主動力作用對結果的影響。通過有限元模型仿真結果與志愿者試驗結果的對比分析來驗證模型的有效性，然后將其用于汽車事故的碰撞分析。

表3 頸部其他組織線彈性材料參數

2.1 基于已有志愿者試驗的仿真分析

文獻[4]中在瑞典查爾摩斯大學進行了7km/h志愿者后碰撞臺車試驗，選取了11名無頸椎損傷的志愿者(年齡28～50歲，身高173～185cm，體質量65～85kg)進行了23次后碰撞試驗。志愿者以正常的駕駛坐姿坐在試驗座椅上，雙手平放在腿部，雙腳放在腳踏板上，并用安全帶進行約束。用560kg的滑車撞擊志愿者所在的臺車(除志愿者外，臺車本身質量890kg)，使其加速向前運動，試驗記錄了T1冠狀面法向位移和軸向位移。

將試驗測得的T1的冠狀面法向位移和軸向位移加載到頸部有限元模型胸椎T1上，約束胸椎和肌肉下端點X，Y和Z3個方向的轉動自由度。整個模型處于1g的重力場中。

仿真與試驗的對比結果如圖10所示，試驗的數據點分布在兩條虛線形成的試驗區間內。可以看出，仿真頭部位移曲線與志愿者試驗曲線趨勢基本一致，仿真中頭部水平位移的幅值略大于志愿者試驗結果，整體上來看，模型表現出與志愿者相一致的生物力學響應。

圖10 頭部相對于T1在冠狀面法向位移仿真與試驗對比

2.2 志愿者試驗研究與仿真對比分析

已有志愿者試驗中的志愿者身體尺寸特征與模型來源的志愿者尺寸特征存在較大的差別，選取在中國50百分位身體尺寸特征范圍內的4名男性志愿者進行試驗，通過仿真結果與試驗結果的對比驗證模型的有效性。

2.2.1 試驗方案設計

選取無頸椎損傷且在中國50百分位身體尺寸特征范圍內的4名男性志愿者(編號分別為A，B，C和D)進行20km/h急制動試驗，志愿者身體尺寸特征如表4所示。志愿者以正常的坐姿坐在汽車副駕駛座椅上，雙手放在腿部，并用安全帶進行約束。志愿者佩戴眼罩并放松頸部肌肉，在其未知急制動時刻點的情況下進行試驗，以獲得無肌肉主動力作用下頭頸部的響應。將3個壓電式加速度傳感器分別布置在胸椎T1棘突末端、眉間和蝶骨大翼處，記錄3個測點處200ms內冠狀面法向和軸向加速度，測點布置如圖11所示。采用DH5922動態信號測試分析系統采集加速度信號數據，加速度測量系統如圖12所示。

表4 志愿者年齡和身體尺寸特征

圖11 20km/h急制動試驗和加速度測點位置

圖12 加速度測量系統圖

2.2.2 試驗數據處理

通過控制急制動時胸椎T1在200ms內X方向加速度峰值的相對誤差和Z方向加速度峰值的相對誤差，以減小誤差因素對試驗結果的影響，選取每名志愿者T1在X和Z方向加速度峰值相對誤差均小于5%的5組加速度曲線，將5組加速度曲線平均得到T1在X和Z方向的平均加速度曲線，作為模型仿真的初始載荷。4名志愿者的T1在X和Z方向平均加速度曲線如圖13所示。

圖13 胸椎T1在X和Z方向的平均加速度曲線

2.2.3 仿真與試驗對比分析

分別將4名志愿者胸椎T1在X和Z方向的平均加速度曲線作為模型仿真的初始條件，加載到有限元模型的T1上，并約束T1在X、Y和Z3個方向的轉動自由度，整個模型處于1g重力場中。

仿真得到200ms時頭頸部有限元模型眉間和蝶骨大翼在X方向相對于T1的4組速度值，分別與試驗中測得的相對速度均值(數據處理時每名志愿者中篩選出的5組眉間和蝶骨大翼在X方向相對于T1速度的平均值)進行對比，結果如圖14所示。

圖14 兩測點相對于T1速度仿真值與試驗值對比

由圖14可以看出，僅有與模型來源的志愿者身體尺寸特征差別最大的志愿者C的仿真值與試驗值的相對誤差超過5%，其他3組兩測點處的相對誤差均小于5%，其中與模型來源的志愿者身體尺寸特征相同的志愿者B的試驗值與仿真值相對誤差最小，兩測點處的相對誤差分別為-2.4%和-2.1%。通過模型仿真與試驗結果的對比可以看出，身體尺寸特征對頭頸部的生物力學響應有較大的影響，模型能夠較好地反映出中國50百分位成年男性頭頸部的響應。

3 結論與討論

建立了中國50百分位男性人體全頸椎，包括椎間盤(軟骨終板、纖維環和髓核)、韌帶、小關節以及肌肉的有限元模型，生物逼真度高，能夠計算全頸椎內部各組織的生物力學響應，并適用于汽車碰撞中頸部損傷的研究，探索各種車輛行駛狀態下或事故發生時乘員頸部的力學響應及損傷評價。通過完善其模型的建立和研究為未來汽車安全設計法規從假人階段向真人過渡提供借鑒和參考。

通過仿真計算與已有志愿者后碰撞試驗結果的對比分析，發現仿真的力學響應曲線與后碰撞中志愿者實際響應曲線具有相同趨勢，說明生物力學模型仿真的主要規律是正確的。由于模型簡化，尺寸、材料參數等因素與試驗志愿者真實情況的差別，仿真和已有試驗的數值結果有偏差。為進一步研究所建立模型的仿真精度和可靠性，選取在中國50百分位身體尺寸范圍內的4名志愿者進行20km/h急制動試驗。通過仿真與急制動試驗的對比，發現身體尺寸特征對頭頸部響應有較大影響，所建立的模型能夠較好地反映出中國50百分位成年男性的生物力學響應。

后續工作將開展多方位的低速碰撞志愿者試驗，在生物力學模型有效性得到全面驗證的基礎上，進行動態生物力學響應分析，使模型得到更有效的應用。

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Biomechanics Modeling and Validation for All CervicalVertebrae of Chinese Adult Male

Chen Jiqing, Wu Kai, Lan Fengchong, Du Tianya & Huang Wei

1.SchoolofMechanical&AutomotiveEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640;2.GuangdongProvincialKeyLaboratoryofAutomotiveEngineering,Guangzhou510640

For conducting an in-depth analysis on the dynamics response and injury mechanism of occupants’ neck during vehicle collision, a biomechanics model with high bionic accuracy for all cervical vertebrae of a 50th percentile Chinese adult male is created based on the complete anatomical structure of neck. The model consists of vertebrae (compact bones and cancellous bones ) and intervertebral disc (fiber ring, nucleus pulposus and cartilage endplate), ligaments, small joints as well as soft tissues like muscles. Comparative analyses on the model simulation results with the results of low-speed rear collision test of foreign volunteers and 20km/h hard braking test of four Chinese adult male volunteers discover that anthropometric parameters have great effects on the responses of human head and neck. The model built can well predict the biomechanical responses of 50th percentile Chinese adult male and can be used in vehicle safety design and neck protection measure study.

vehicle collision; occupant safety; neck injury; biomechanics model

*國家自然科學基金(51375170)和廣東省自然科學基金(2015A030313213)資助。

原稿收到日期為2015年9月8日，修改稿收到日期為2015年11月20日。