人体胸腰椎体几何学测量及生物力学特性实验研究

黄建松 李政年

(海军医学研究所，上海 200433)



人体胸腰椎体几何学测量及生物力学特性实验研究

黄建松*李政年

(海军医学研究所，上海 200433)

研究水下爆炸产生的舰船冲击载荷导致舰船人员脊柱损伤的生物力学特性。分别从10具健康成年男性尸体上截取完整的胸腰椎，然后剔除不需要的软组织，并从胸、腰椎上仔细分离出各个自由椎体，对每个椎体上下两个端面处理后进行静态和动态压缩试验研究。从胸椎T1至腰椎 L5，随着椎体在脊柱位置上的下降，椎体的横截面积和体积逐渐增加，每个椎体所承受的动态和静态压缩破坏载荷也逐渐增加。计算动态应力强度与静态应力强度的比值，胸椎平均为1.51，腰椎平均为1.46。胸腰椎体面积和体积与其所本身所能承受的载荷变化趋势与人体承载能力的规律相一致，它反映了舰船冲击载荷造成船员胸腰椎损伤的机制及其损伤特性。

水下爆炸；舰船冲击运动；损伤生物力学；胸腰椎体

引言

人员可能暴露于各种各样的极端载荷环境下，如飞行员应急弹射、直升机坠毁、地雷爆炸、水下爆炸等，这些冲击事件的共性都是具有较高的垂向加速度，产生的垂向冲击载荷可能导致人员严重伤亡，其中脊柱损伤现象尤其常见。然而，不同的冲击环境造成的人体损伤类型、损伤位置及程度等是不相同的[1-4]。对于水下爆炸事件来说，水下爆炸产生剧烈的水下冲击波，引起整个舰船发生强烈的冲击运动，对舰船上的人员造成严重的冲击伤害[5-7],这种类型的损伤被称为舰船冲击伤。与其他冲击环境相比，舰船冲击环境的典型特征是加速度极其高，高达上千个g(g为重力加速度，其单位为9.8 m/s2)和脉冲作用时间极其短(几毫秒至十几毫秒)。当坐姿人体遭受的冲击载荷过大时，可能损伤脊椎本身及内部神经等。研究表明，当冲击加速度达到20g时，可能导致脊柱出现胸椎前唇骨折、脊髓损伤、内脏出血等严重损伤现象。椎体损伤的风险可以通过载荷条件和椎体承受载荷能力的函数关系来确定,人体脊椎对舰船冲击耐受性很大程度上是由脊椎本身的几何学结构和生物力学特性所决定的。人体组织的生物力学耐受性通常是通过人体尸体标本的试验来获得。试验是获取信息的最直接方法，本研究通过人体胸腰椎段的几何学测量及其生物力学特性试验研究，探索水下爆炸引起的冲击载荷造成人体脊椎冲击损伤的机制和特点，为进一步开展人体冲击防护研究等提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料及处理

实验材料来自10例健康成年男性尸体，经检查脊柱无病变，年龄在(26.1±3.2)岁之间，体重为(67.8±5.0)kg。从尸体上取出完整的胸、腰椎(保留骶棘肌、周围韧带及椎体两侧5 cm以上的肋骨、软组织)，并将材料装入塑料袋内，密闭保存在-20℃冰柜内。

实验前对标本进行如下处理：

1)实验前2～3 h，将骨骼从冰柜中取出并在室温下自由解冻；

2)剔除不需要的软组织，从胸、腰椎上仔细截取各个自由椎体(T1～T12，L1～L5)；

3)使用自凝牙托粉、牙托水等作填充剂，将椎体两端制成互相平行且与受力方向垂直的两个固定平面。

1.2 参数测量与计算

利用量尺分别测量并记录各个椎体的长轴半径(a)、短轴半径(b)、椎体的上边缘宽度(c)、下边缘宽度(d)、椎体的平均高度(h)。

每一个分离出来的胸椎和腰椎体的上、下两个面的横截面积(S)和每个胸椎和腰椎体的体积(V)可通过以下公式分别计算，有

(1)

(2)

式中，π=3.1416。

取同一个胸椎和腰椎体上、下两个横截面积的平均值作为该椎体的横截面积。根据式(1)、(2)，分别计算得到每个分离胸椎(T1～ T12)、腰椎(L1～ L5)椎体节段的相应横截面积和体积，如表1所示。

表1 胸腰椎体节段的面积、体积±SD)

1.3 静态压缩强度实验

每个椎体上、下端面分别进行平面处理后，随机将处理后的标本分成两组，选择其中一组的5具尸体的胸椎、腰椎，对制作好的测试试件进行准静态压缩性能测试实验。在静态压缩试验中，采用多功能材料测试机对每个椎体分别进行压缩测试实验，根据研究人体承受载荷的力学特性确定压缩应变率为1.4 mm/min，并取实验曲线的极限载荷作为该椎体的静态压缩破坏载荷。

1.4 动态压缩强度实验

选择另外一组的5具尸体的胸椎、腰椎，对制作好的测试试件进行动态压缩性能测试实验。在动态压缩试验中，采用落锤类型的冲击试验机，并根据冲击载荷的强度确定冲击速度约为2.5 m/s，对各个椎体依次进行冲击压缩测试实验。取材料加速度响应曲线的第一峰值作为该受试椎体的动态压缩破坏载荷。

2 结果

2.1 椎体静态和动态压缩试验结果

通过静态和动态压缩试验，分别得到胸腰椎体(T1～ T12，L1～ L5)的静态和动态试验载荷，如表2所示。在表2中，动荷系数的值是根据同一椎体的动态载荷除以静态载荷计算得到的。试验结果表明，椎体动载值与静载值之间的差异十分明显，动载显著高于静载，具有统计学显著性(P<0.05)。胸椎的动荷系数高于腰椎的动荷系数。

2.2 椎体面积和体积分析

根据测量得到的数据，将各个椎体节段的面积、体积数据，从T1到L5，在一幅图上分别绘制出胸、腰椎体的面积、体积变化趋势柱状图，如图1所示。在图1中，胸椎体(从T1至T12)的横截面积从495 mm2逐渐增加到1 121 mm2；腰椎体(从L1至L5)的横截面积从1 276.08 mm2均匀增加到1 627.08 mm2；一般而言，同一椎体的上部平面的横截面积略小于下部平面，但无显著性差异。胸椎体(从T1到T12)的体积变化从26.34 cm3逐渐增加到50.08 cm3；腰椎体(从L1至L5)的体积变化从66.10 cm3均匀增加到80.50 cm3； 从胸、腰椎整体结构面积和体积(从T1到L5)变化趋势上看，随着椎体在脊柱上的位置逐渐下降，椎体的面积和体积均相应逐渐增大。

表2 胸腰椎体的静态和动态试验载荷±SD)

3.2 椎体静态和动态破坏强度分析

将测试得到胸腰椎体静、动态破坏载荷的变化趋势绘制成柱状图，如图2所示。在图2中，从T1至T12，静态破坏载荷从3 311 N 增加到7 413 N，动态破坏载荷从5 166 N增加到10 584 N；从L1至L5，静态破坏载荷从7 634 N 增加到 9 920 N，动态破坏载荷从11 145 N增加到14 720 N。其中T1至T3的变化趋势比较缓慢；L5比L4略有下降。总体来说，不论是动态载荷还是静态载荷，从T1到L5其压缩破坏载荷总体变化趋势是逐渐增大的。

图1 胸、腰椎体的面积、体积变化趋势Fig.1 Thoracolumbar vertebrae areas and volumes trends

图2 胸、腰椎体的静态和动态载荷变化趋势比较Fig.2 Thoracolumbar vertebrae break loads trends

在动态和静态测试中，同一部位的胸、腰椎体承受的动态与静态压缩破坏载荷值之间的差异是十分显著的(P<0.05)。胸椎的动荷系数平均值是1.51，腰椎的动荷系数平均值是1.46。胸、腰椎体的动载荷值显著高于静载荷值50%左右。胸椎与腰椎之间的动荷系数无显著性差异(P>0.05)。如果将每个胸、腰椎的压缩破坏静载荷与动载荷分别除以各自椎体的横截面积，就可以得到各个椎体在单位横截面积上的应力值，将计算结果绘制在图3中。

图3 椎体单位横截面积上的静态与动态应力强度变化趋势比较Fig.3 Thoracolumbar vertebrae stress trends

在静态载荷作用下，胸椎(T1～T12)上的应力强度平均值大约在6.37 N/mm2，腰椎(L1～L5)上的应力强度平均值大约在6.14 N/mm2，两者基本上相近，无显著性差异。在动态载荷作用下，胸椎上的应力强度平均值大约在9.60 N/mm2，腰椎上的应力强度平均值大约在9.00 N/mm2，两者也无显著性差异。在动态应力强度与静态应力强度的比值，胸椎平均为1.51，腰椎平均为1.46，它反映了胸、腰椎抗压强度的变化规律性。这刚好可以说明椎体所能承受的压缩破坏强度和压缩应力大小与椎体本身的几何结构尺寸大小是完全一致的，也就是说，胸、腰椎体的压缩强度变化与椎体结构本身的横截面积、体积变化情况是完全相关的。

3 讨论

从20世纪50年代以来，有许多研究人员对分离的胸椎、腰椎体开展了轴向压缩特性试验。Ruff报道胸椎和腰椎体(从T8到L5)的屈服载荷从5 800 N增加到10 500 N[8]。Yamada提出T1到 L5的破坏载荷从3 622N 增加到7 147 N[9]。Gozulov等报道在准静态载荷条件下T1到 L5的压缩破坏载荷范围从4 650 N 到12 611 N[10]。本研究获得的胸腰椎体(T1～L5)压缩载荷变化范围则从3 311 N 到9 920 N。在图4中，绘制了上述研究人员的部分研究结果，其中Huang表示本研究的实验结果。

图4 (准)静态载荷作用下胸腰椎体破坏载荷研究结果比较Fig.4 Thoracolumbar vertebrae break strength under static compression load

在T1至L1范围内，Huang的数据与Yamada的数据非常接近；从T3至L5范围内，Huang的数据与Ruff的数据比较吻合。为什么不同的研究人员却得到不完全相同的实验结果呢？这是由于许多研究主观、客观的因素造成的，主要包括实验室技术条件(例如测试仪器、记录器等)、标本材料本身的个体差异性(例如人种、年龄、性别、体重、标本数量等)、受试材料的处理方法(新鲜的/防腐处理的等)、实验加载条件(如载荷-应变率不同、冲击速度等)等综合因素的影响。例如，Kazaria对分离椎体进行动态轴向压缩实验发现在低应变率(0.09 mm/s)时，T10～T12的极限载荷是5 600 N，在高应变率(900 mm/s)时，极限载荷增加到8 900 N[11]，即应变率增大椎体抗压载荷也相应增大。

人体承受垂向冲击的耐受能力很大程度上取决于人体重力支持系统结构所能承受的最大压缩载荷大小，而人体脊椎的抗压特性又与脊椎本身的几何结构特性等密不可分的。本研究通过测量人体胸、腰椎的各个椎体节段的横截面积、体积，以及各个椎体的静态和动态载荷特性实验研究，分析验证了椎体的几何结构特性确实与各个椎体在整个脊柱上所处的位置以及实际承受的负荷是高度相关联的。胸、腰椎的静载荷与动载荷及单位横截面积上的应力值与各个椎体本身的结构几何尺寸参数是完全一致的。

4 结论

冲击加速度对人体的影响研究主要包括水平和垂向冲击对坐姿和立姿人体的冲击研究，主要研究方法是尸体标本和流行病学研究两类。在现实中，垂向冲击载荷对人体的影响为椎体的轴向压缩和弯曲力矩作用。由于人体的动力特性，峰值载荷传递到人体组织与冲击加速度幅值、脉冲作用时间、人体的固有频率等有关。

本课题针对水下爆炸引起的舰船垂向冲击运动对舰员胸腰椎损伤的影响，采用的实验标本是从健康成年男性尸体上获取的新鲜的、未经防腐剂处理的胸腰椎体。选择的静态变形速率和动态冲击速度等参数也是根据舰船冲击载荷的波形特点来确定的。尽管离体材料与在体材料之间存在一定差异，但通过离体试验可以获取诸如几何学特性(如椎体的面积、体积)、力学特性(如极限强度、疲劳破坏)等表达脊椎特性的基本数据。为使离体研究结果更接近在体，本实验中特别选择比较接近符合实验要求的10例健康男性的尸体作为实验测试标本，并在试验时模拟在体时的各个椎体实际受力状态。由于目前缺少胸腰椎在体垂向压缩破坏试验数据，因此本研究所提供的离体实验数据，为水下爆炸冲击导致的舰船人员脊椎损伤研究提供科学的解释和支撑，也为脊椎生物力学模型研究提供必要的物理参数，还将为人体脊椎冲击损伤防护等提供重要的指导和帮助。

[1] Brian DS, Jamie LB,Narayan Y,etal. Effect of loading rate on injury patterns during high rate vertical acceleration[C]// Proceedings of IRCOBI Conference. Munich: IRCOBI, 2012:217-224.

[2] Fuchs YT, Jackson KE. Vertical drop testing and analysis of the WASP helicopter skid gear[J]. Journal of the American Helicopter Society, 2011，156(1)：1-10.

[3] Zong Zi, Lam KY. Biodynamic response of shipboard sitting subject to ship shock motion[J]. Journal of Biomechanics，2002，35：35-43.

[4] VoVC 14 910:1142-1144. Mine clearance vehicles crew safety standard [S].

[5] 柯文棋，乐秀鸿，杨军，等.水雷爆炸对舰船上动物冲击损伤的试验观察与评价[J].中华航海医学与高气压医学杂志，2001，8(9)：136-140.

[6] Mahone RM. Man’s response to ship shock motions[R]. AD628891, 1966.

[7] Liu Xiangxiang. Effect on time domain response and injury of shipboard personnel to ship shock motion induced by underwater explosion[J]. Journal of Applied Biomechanics,1993,8(3):170-177.

[8] Ruff S. Brief acceleration: less than one second[M]// German Aviation Medicine in World War I. Washington DC: US Goverment Printing Office, 1950:584.

[9] Yamada H. Strength of materials biomechanics anatomy[M]//FG Evans eds. Strength of Biological Materials Baltimore:Williams & Wilkins, 1970:106-137.

[10] Gozulov SA, Korzhenyants VA. A Study on the Compression Strength of Human Vertebrae [R]. NASA-TT-F-14566，1972.

[11] Kazarian L, Graves G. Compressive Strength Characteristics of the Human Vertebral Centrum[J]. Spine, 1977,2(1):1-14.

Geometry Measures and Biomechanical Property Tests on Human Thoracolumbar Vertebrae

Huang Jiansong*Li Zhengnian

(NavalMedicalResearchInstitute,Shanghai200433,China)

underwater explosion; ship shock motion; injury biomechanics; thoracolumbar vertebrae

10.3969/j.issn.0258-8021. 2015. 05.016

2014-05-30， 录用日期:2015-04-10

中国博士后科学基金(20100481495)

R318.01，R826.68

D

0258-8021(2015) 05-0629-05

*通信作者(Corresponding author)， E-mail: hynar@163.com