汽车碰撞中颈部肌肉组织神经兴奋性对乘员损伤影响的研究*

金景旭，张君媛，周 浩，黄旭弘

(1.吉林大学，汽车仿真与控制国家重点实验室，长春 130025； 2.湖南大学，汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙 410082；3.吉林大学机械科学与工程学院，长春 130025)



2015091

汽车碰撞中颈部肌肉组织神经兴奋性对乘员损伤影响的研究*

金景旭1,2，张君媛1，周 浩1，黄旭弘3

(1.吉林大学，汽车仿真与控制国家重点实验室，长春 130025； 2.湖南大学，汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙 410082；3.吉林大学机械科学与工程学院，长春 130025)

为研究汽车碰撞中神经兴奋性引起颈部肌肉力的变化对乘员损伤的影响，建立了低速正面碰撞与追尾碰撞模型，对乘员运动响应进行了仿真分析。然后使用汽车驾驶模拟器采集真实驾驶员颈部主要肌肉的肌电信号，验证了仿真结果的有效性。结果表明，在低速工况下，颈部肌肉紧张会约束头颈部的运动，头部有后倾上扬趋势，颈部受力大小有所增加。考虑颈部肌肉组织的神经兴奋性，能更真实地再现碰撞中乘员头部和颈部的运动响应，为颈部损伤评价准则的修正和乘员心理和生理变化对人体损伤影响的研究提供参考。

正面碰撞；追尾碰撞；神经兴奋性；颈部肌肉；颈部损伤

前言

汽车乘员的颈部损伤常见于交通事故中的低速追尾碰撞和正面碰撞系有安全带的乘员身上[1]。目前的车辆碰撞安全性能设计大多借助假人进行碰撞事故模拟和乘员伤害评价。然而，假人的机械结构与真人的生理结构存在较大差异，无法准确描述乘员在事故中骨折、肌肉损伤等问题。近些年来，随着生物力学等相关交叉学科研究的深入，开发碰撞环境下具有高仿真度的数字化真人模型成为目前汽车研究领域的热点。有代表性的是文献[2]中的韦恩州立大学头颈部损伤模型，该模型从生物医学角度和真实人体结构出发，包含颅骨、脑组织、椎骨、椎间盘、韧带、脊髓和肌肉组织等，是学术界和汽车界最为关注的动态有限元模型。然而现有模型中，肌肉的基本材料特性参数是通过单轴拉伸试验测量得到的，是静态或准静态载荷条件下的参数，没有考虑肌肉主动收缩紧张反应[3]。

实际上，当乘员面临无法避免的汽车碰撞时，潜意识的精神紧张会引起不同程度的肌肉紧绷，使肌肉组织的物理特性发生改变，造成其抵抗伤害的能力不同[4]，改变碰撞过程中乘员的运动响应。

由于现有仿真人模型多是从生物医学角度建立的静态人体模型，缺乏碰撞发生瞬间真实乘员的肌肉收缩紧张反应，因此开展汽车碰撞发生时乘员心理和生理变化对人体损伤的影响研究很有必要。本文中将从人体颈部肌肉组织出发，针对易于出现颈部损伤的低速工况，使用MADYMO中整合颈部肌肉组织模型的Facet乘员模型，建立碰撞仿真平台以研究神经兴奋性下产生的不同颈部肌肉力释放程度对颈部响应的影响。最后，通过志愿者使用汽车驾驶模拟器模仿碰撞工况，验证仿真结果的有效性。

1 考虑颈部肌肉组织神经兴奋性的 Facet乘员模型

MADYMO作为一款模拟人体碰撞损伤的仿真软件，广泛应用于研究汽车碰撞过程中乘员的响应和损伤分析。软件提供各种经过验证的人体模型，包含假人数字模型和仿真人数字模型两种。其中，仿真人数字模型是基于真人，包括乘员模型、行人模型以及局部分割模型等，相比传统的假人数字模型，具有生物力学特性好，且仿真度高的优点。

考虑颈部肌肉组织神经兴奋性的Facet乘员模型(图1)，一方面是旨在分析头颈部响应中肌肉活动所起到的作用，另一方面是为进一步探究颈部损伤机理。颈部肌肉组织采用Hill-type模型作为理论模型进行模拟[5]，肌肉力由主动力与被动力两者相加得到，主动力与被动力计算表达式分别为

Fce=AFmaxfH(vr)fL(lr)

(1)

Fpe=Fmaxfp(lr)

(2)

式中：Fce为主动力；Fpe为被动力；A为激发状态数值(取值范围0～1)；fH(vr)表示收缩性单元的正规化主动力-速度关系；fL(lr)表示收缩性单元的正规化主动力-长度关系；fp(lr)表示平行弹性单元的正规化被动力-长度关系。由表达式可知激发状态数值A只影响主动力，而对被动力没有影响，且A的取值范围为0～1，因此A可理解为受神经兴奋性控制的肌肉力释放程度百分比。通过定义激发状态数值A-时间函数，实现神经控制信号的控制作用。

2 低速工况乘员颈部损伤的仿真研究

图11为3组仿真的NIC对比，不同的A值下，曲线变化趋势大致相同，但考虑肌肉神经兴奋性的条件下，NIC曲线达到峰值的时间略有提前，约为5ms，且幅值略有降低，约15%，这说明由于颈部肌肉紧绷，颈部发生轻微损伤的几率会降低15%左右。

2.1 低速工况碰撞模型的建立

低速工况碰撞模型包括座椅、乘员和安全带模型3个组成部分。座椅模型由头枕、靠背、坐垫以及地板组成。座椅模型采用四节点膜单元，表面变形通过不同的接触特性描述。坐垫倾角为11°，靠背倾角为24.4°。

2.3 乘员颈部肌肉组织神经兴奋性的模拟

25km/h正面碰撞模型中，对乘员模型加载重力场与加速度场，加速度场曲线如图4所示，峰值为104.5m/s2，持续时间为200ms；15km/h追尾碰撞模型中，对乘员模型施加重力场，座椅模型通过移动铰链和参考空间连接模拟车体，对移动铰链加载如图5所示的碰撞波形，使座椅模型加速向前运动，模拟车辆发生追尾碰撞时的运动。

基于智能互联的地质灾害监测预警技术的投入使用，填补了长期以来偏远山区重要地质灾害点监测的空白，解决了以往单靠人工巡查、监测所带来的监测数据误差大、监测不及时、数据库动态更新难及预警分析难等问题，有力的推动了地质灾害防治“四大体系”的深度融合。项目成果已广泛应用到山东省各级国土资源部门，对汛期全省地质灾害预警预报、地质灾害监测、防治、搬迁避让、应急指挥和演练起到决策、指导和辅助作用。

2.2 颈部损伤评价指标的选择

3.2 低速15km/h追尾碰撞

参考C-NCAP中对50km/h正面100%重叠刚性壁障碰撞试验的要求，使用颈部剪切力Fx、张力Fz以及伸张弯矩My作为低速25km/h正面碰撞颈部损伤的评价指标，并在此基础上添加颈部伤害指数NIC作为15km/h追尾碰撞颈部损伤的评价指标。其中NIC的计算式为

(3)

采用预模拟方法进行乘员模型定位，与一般假人模型定位不同的是，考虑颈部肌肉组织神经兴奋性的Facet乘员模型需要在相邻椎骨间添加cardan约束以重现更为真实的乘员坐姿。安全带模型采用混合型，即有限元与多刚体混合模型。模型中定义以下接触：头枕与头部，靠背与背部、臀部，坐垫与臀部，左右脚掌与地板以及肩带与胸部、腹部，腰带与腹部、盆骨等。构建的25km/h正面碰撞和15km/h追尾碰撞模型分别如图2和图3所示。

颈部肌肉组织神经兴奋性的作用效果具体表现为颈部肌肉力释放程度的不同，因此设置3组激发状态来模拟不同的神经兴奋性(表1)，包括两组极限情况以及一组平均情况。由于实际碰撞中乘员一般在碰撞前已实现肌肉紧绷状态，且碰撞时间较短，肌肉力作用在整个过程中持续存在，因此设置中将激发状态数值A定义为常函数。针对3组神经兴奋程度分别进行低速25km/h正面碰撞和15km/h追尾碰撞仿真，观察乘员模型的头颈部运动姿态，并输出相应的评价指标。

表1 3组神经兴奋性设置

追尾碰撞下的3组Facet乘员模型运动姿态如图9所示。对比可知，神经兴奋性的有无对头颈部响应有明显区别，由于颈部肌肉神经兴奋性作用，乘员头部在60ms后发生明显后倾与上扬，但神经兴奋程度A由1降低到0.5，乘员运动响应区别不大。

3 考虑乘员颈部肌肉组织神经兴奋性的损伤计算和分析

3.1 低速25km/h正面碰撞

老头子还依然玩着，依然常常故意把假脚举起，作为其中一个全身均被举起的姿势，又把肩背极力倾斜向左向右，便仿佛傀儡相扑极烈。到后便依然在一种规矩中倒下，毫不苟且的倒下。自然的，王九又把赵四战胜了。

结合图9和图10分析，忽略神经兴奋性的控制作用，即A=0.005情况，乘员头部于42ms时开始与头枕接触，在头枕反作用力下，Fx整体呈正向递增，于82ms达到峰值；而颈部开始阶段呈向后弯曲，My负向递增，Fz正向递增，50ms后颈部恢复直立为过渡阶段，60ms后颈部呈向前弯曲，My正向递增，Fz正向递增，皆到80ms达到峰值。之后，颈部受力随头部的前移逐渐减小。而考虑神经兴奋性的作用效果，即A=0.5和A=1情况，肌肉力在仿真初期就得到释放，头部在肌肉牵拉作用下呈明显后倾与上扬趋势，乘员头部更早与头枕接触，颈部姿态变化过程也相应提前。

图8为低速正面碰撞评价指标曲线。结合图7和图8，忽略神经兴奋性的控制作用，即A=0.005情况，由于安全带约束躯干，乘员头部前倾，头部与躯干在50ms左右相对运动产生位移差，颈部力增加，具体表现为：Fx负向递增，于90ms达到峰值；Fz正向递增，于97ms达到峰值；My正向递增，于86ms达到峰值。之后，颈部力随着头部的下潜逐渐减小，150ms时接近为0。而考虑神经兴奋性，即A=0.5和A=1情况，肌肉力释放，在颈部肌肉牵拉作用下，乘员头部受到约束，使头部运动明显滞后，且有后倾趋势。颈部受力表现为：Fx和Fz分别呈迅速的负向递增与正向递增；由于头部一直保持后倾状态，My恒为负值，整体呈负向递增趋势。由于A为常函数，因此Fx、Fz和My曲线在0时刻即有初值，且在仿真末期幅值未回落。对比A=0.5和A=1两种情况发现，约束作用随着兴奋程度的下降而降低。

内部控制体系建设是一项覆盖企业全部经营活动的长期性、不间断的工作，覆盖面包括:各项经济活动、企业内部各工作人员。高效的内部控制体系包括:一线的业务处理室和内部控制体系的执行、二线负责建设内部控制体系以及监督、自我完善评价的工作、三线的监督和检查内部控制体系的执行情况等这三道防线。但是在实际的公立医院运营过程中并未形成体系化的建设工作，同时医院上下对业务、风险预测、内部审计没有明确的定位和理解。导致多数医院在建立内部控制体系中各部门权责不明，降低了内部控制体系在医院经营过程中的工作效率。同时，不利于公立医院的健康发展。

仿真过程中，输出某段颈长肌肌肉主动力-时间曲线(图6)。前30ms肌肉主动力主要受激发状态数值A的影响，近似呈现两倍关系；30ms后由于肌肉主动力受fH(vr)和fL(lr)两个关系的影响较大，因此肌肉主动力不再近似呈现两倍关系，但能说明肌肉组织已经按照激发状态数值A的定义受到神经兴奋性的控制作用。

为更直观、全面地研究颈部肌肉组织神经兴奋性对乘员损伤的影响，损伤计算主要围绕两方面展开，分别为碰撞过程中不同神经兴奋程度下Facet乘员模型运动姿态的对比和颈部损伤评价指标曲线的对比。低速正面碰撞下的3组Facet乘员模型运动姿态如图7所示。通过对比发现，不同A值所对应的响应明显不同，在60ms后，由于颈部肌肉神经兴奋性，乘员头颈部发生明显后倾。

相对于A=0.005，仿真A=0.5和A=1的Fx与Fz曲线的幅值高，且增幅随神经兴奋程度的增加而增大；而My曲线趋势基本保持一致，负向幅值略有增加，正向幅值略有降低；同正面碰撞的仿真结果一样，由于A为常函数，因此Fx、Fz和My曲线0时刻即有初值，且在仿真末期保持高幅值呈平稳状态并未回落。

为研究低速工况下乘员颈部肌肉组织神经兴奋性对颈部损伤的影响，建立两种低速工况碰撞模型，分别为25km/h正面碰撞模型和15km/h追尾碰撞模型。

根据以上分析，研发团队研发了直线电机预警子系统的数据预处理模块，为后续的大数据综合分析提供了高质量的分析数据。

此外，颈部肌肉力的主动保护作用往往表现为约束乘员头部的运动。从低速工况下乘员运动响应发现：正面碰撞中颈部肌肉力约束乘员头部运动的效果比较明显，且这种约束作用随着神经兴奋程度的增加而愈加明显；但追尾碰撞中，由于乘员头部受到头枕的限位作用，颈部肌肉力的约束作用没有明显体现。进一步计算两种低速工况下3组不同神经兴奋程度下的乘员头部HIC值(表2)，对比发现：正面碰撞中，乘员精神紧张条件下，HIC有明显降低，且随着神经兴奋程度的增加，HIC值更小；而追尾碰撞中，是否考虑乘员精神紧张对HIC影响不大。这与从乘员运动响应得出的结论相一致。

表2 低速工况下乘员HIC值

4 考虑乘员颈部肌肉力学特性的正面碰撞实验验证

为验证正面碰撞仿真中颈部肌肉组织神经兴奋性对乘员响应的影响，使用吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室的小型汽车驾驶模拟器构造正面碰撞虚拟工况。为实现不同的肌肉神经兴奋性，志愿者分别以20、50、80和100km/h时速驾驶模拟器，记录碰撞工况下颈部主要肌肉的表面肌电信号(EMG)。驾驶员颈部主要肌肉(头夹肌、斜方肌和胸锁乳突肌)及驾驶模拟器的示意图如图12所示。

第四步，根据风险估计的结果确定总体风险等级。本次项目共存在隐患风险点123处，其中，必须实施风险管控的II级风险点，且会产生严重或非常严重后果的风险点有10处，占总数的8.1%；可采取风险处理措施的III级风险有22处，占总数的17.9%。因此,本项目必须采取风险控制措施以消除或降低风险。

对志愿者的肌电信号进行处理，将预先测量的颈部肌肉在MVC(max volunteer contraction)状态下表面肌电信号作为衡量肌肉活性的参照，用志愿者驾驶模拟器时肌肉EMG与MVC状态下EMG的RMS比值(%RMS)表征碰撞发生时产生的肌肉力，结果如图13所示。可以看出，随着志愿者驾驶模拟器速度的增加，头夹肌、斜方肌和胸锁乳突肌的%RMS逐渐增加，这是由于驾驶速度越高，突然出现的障碍物对志愿者产生越大的刺激，志愿者在采取自我保护时，肌肉的紧张程度随之提高[7]。

上市公司设立并购基金的信号效应研究..................................................................................................................王永妍 肖 玥 佟 岩（40）

在实验过程中，志愿者头部有不同程度的后倾和上扬趋势，这一现象与仿真中预测的乘员在碰撞发生时的响应一致。依据解剖学，双侧头夹肌收缩使头部后仰，斜方肌协助头部后仰，胸锁乳突肌收缩则会使头部前屈。通过实验数据发现，在所有工况下，头夹肌激活程度最高，斜方肌次之。乘员在碰撞发生时，由颈部肌肉紧张引起的一系列生理反应，头部发生后仰的趋势，能够起到约束头颈部运动响应的作用。

5 结论

当不可避免的汽车碰撞即将发生时，乘员精神紧张程度的差异会导致不同的肌肉组织活性，具体表现为释放不同大小的肌肉力。为探究这种差异对乘员颈部损伤造成的影响，从人体颈部肌肉组织出发，设置3组不同的神经兴奋程度，对25km/h正面碰撞与15km/h追尾碰撞工况下乘员响应进行数字仿真。结果表明：低速工况下由神经兴奋所引起的颈部肌肉紧张会约束头部和颈部的运动响应，使头部有后倾和上扬趋势，颈部受力幅值随着神经兴奋程度的增加而增加；追尾碰撞中颈部伤害指数NIC峰值时刻提前，且略有下降；正面碰撞中，由于颈部肌肉对头部运动的约束作用，头部伤害明显降低，而追尾碰撞中由于头枕对头部的相互作用占主导，颈部肌肉的约束作用没有体现。最后，对于正面碰撞仿真得出的结论，通过志愿者使用汽车驾驶模拟器模仿碰撞工况下的响应得到进一步的理解和验证。

剧本是文学作品的一种体裁，主要由人物对话（或唱词）和舞台提示等构成。是喜剧演出的文字底本。剧本按容量大小可以分为独幕剧和多幕剧。剧本的情节结构一般可分为：开端、发展、高潮、结局。

MRI检查：采用西门子1.5T磁共振，使用表面线圈，常规矢状位扫描观察腰椎间盘信号及椎体形态，同时进行横轴位T2WI扫描；仔细观察硬膜囊受压情况，并确定椎管是否存在狭窄。

在汽车碰撞中考虑神经兴奋性的作用效果可以更真实地再现乘员头颈部的运动响应。接下来的研究工作将根据目前所得出的实验数据与软件对接，修正现有的模型，为正面碰撞假人和头颈部损伤评价准则的改进、防护装置的开发提供更真实的有力工具；同时，为开展汽车碰撞中乘员心理和生理变化对人体损伤影响的研究奠定基础。

[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,卢畅.基于CT 图像颈椎有限元模型的建立及验证[J].湖南大学学报(自然科学版),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] 中国汽车技术研究中心.C-NCAP试验评价规程[S].2012.

[7] 高振海,李钊,段立飞.汽车碰撞时驾驶员颈部肌肉动力学特性的肌电信息描述[C].第十六届汽车安全技术学术会议论文集,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

*长春市科技计划项目(12ZX19)和湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室开放基金项目(31115004)资助。

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