中国成年男性全颈椎生物力学建模与验证*

陈吉清，吴 凯，兰凤崇，杜天亚，黄 伟

(1.华南理工大学机械与汽车工程学院，广州 510640； 2.广东省汽车工程重点实验室，广州 510640)

2016206

中国成年男性全颈椎生物力学建模与验证*

陈吉清，吴 凯，兰凤崇，杜天亚，黄 伟

(1.华南理工大学机械与汽车工程学院，广州 510640； 2.广东省汽车工程重点实验室，广州 510640)

为了深入分析汽车碰撞中乘员颈部动力学响应和损伤机理，基于完整颈部解剖学结构建立了中国50百分位成年男性高仿生精度的全颈椎生物力学模型，模型由椎骨(密质骨和松质骨)和椎间盘(纤维环、髓核和软骨终板)、韧带、小关节以及肌肉等软组织构成。对比分析模型仿真结果与国外志愿者低速后碰撞试验和4名中国成年男性志愿者20km/h急制动试验，发现人体测量学参数对头颈部响应有较大影响，模型能较好地预测中国50百分位成年男性生物力学响应，可用于汽车安全性设计和颈部防护措施的研究。

汽车碰撞；乘员安全；颈部损伤；生物力学模型

前言

颈部在人体中是连接头部与躯干、灵活性最大、活动频率最高的部位，同时相对薄弱，是交通事故中最容易受伤的部位，特别是碰撞事故由于乘员颈部和头部惯性运动造成的挥鞭损伤[1]。据统计，在美国180万起碰撞事故中，28%的事故会造成颈部损伤[2]，在日本追尾碰撞事故中，乘员颈部损伤占事故伤害的比例高达78.2%[3]。

鉴于碰撞事故中颈部损伤的严重性，国内外学者采用试验和生物力学模型分析的方法开展了颈部损伤的研究。文献[4]中进行了7km/h志愿者后碰撞台车试验，分析后碰撞中颈椎的响应；文献[5]中对11个未经防腐处理的尸体进行了头颈部冲击试验，分析颈椎椎骨的挫伤。由于志愿者试验危险性高和尸体试验重复性差，生物力学模型仿真分析逐渐成为颈部损伤生物力学研究的主要方法。文献[6]中建立了相对精确的颈部有限元模型，其颈椎椎体采用壳单元，对头颈部不同方向的撞击进行模拟，预测颈部损伤情况；文献[7]中在对椎骨几何模型复杂表面简化修正的基础上建立一个颈椎和脊柱的有限元模型，研究脊柱爆裂性骨折和骨折脱位等损伤形式；文献[8]中根据CT图像信息采用四面体单元建立了女性颈部有限元模型，分析肌肉内部载荷。文献[9]中根据美国ViewPoint DataLabs公司提供的椎骨几何模型建立了颈部有限元模型，椎骨采用壳单元，研究了软组织特性参数对颈部运动的影响；文献[10]和文献[11]中建立了中国男性除小关节外的全颈椎有限元生物力学模型，对后碰撞中椎骨和软组织的响应参数进行分析。

已经开展的研究工作为乘员颈部生物力学建模、损伤研究与分析奠定了重要的基础。鉴于人体颈部组织器官结构的复杂性，以往生物力学模型构建都做了简化处理，例如椎骨等结构几何形状的简化，骨质结构上忽略了密质骨和松质骨的区别等[9-11]。有限元单元大都采用壳单元或四面体[6-9]，相对来说模型的精度会受到影响。如何进一步提高颈部生物力学模型的精度和仿真可靠性是未来研究工作的重点。

本文中基于完整颈部解剖学结构建立了更加精细、生物逼真度更高的中国成年男性50百分位颈部生物力学模型，利用4名中国成年男性志愿者进行了20km/h急制动试验，将模型仿真结果与已有志愿者后碰撞试验[4]结果和20km/h急制动试验结果对比，以验证模型的有效性，分析志愿者身体尺寸特征对头颈部响应的影响。文中所建立的生物力学模型精确反映了中国50百分位成年男性生物力学响应，能用于汽车安全性设计，对于中国汽车标准法规和新车型自主开发设计规范的制定具有重要意义。

1 人体颈部生物力学模型的建立

1.1 颈部几何模型的建立

根据中国男性人体50百分位标准尺寸(身高1 678.0±59.33mm，体质量59.0±6.66kg)[12]，选定身高1 680mm，体质量60kg的一名30岁男性志愿者，利用CT断层扫描和MRI图像扫描获取颈椎DICOM数据，结合两种形式的医学影像数据对颈椎进行几何重建，生成C1-C7颈椎的点云图像如图1所示。再对点云图像去噪、滤波和数据平滑等处理，将点云数据按照选定的精度，以曲面拟合方式生成表面光滑的几何曲面，最终得到的颈椎椎骨几何模型如图2所示。

图1 颈部组织点云提取

图2 颈椎椎骨几何重构模型

1.2 全颈椎有限元模型的构建

有限元网格划分是影响后续计算结果准确性至关重要的一步。映射网格划分方法是通过适当的映射函数将待剖分物理域映射到参数空间中形成规则参数区域，再对规则参数区域进行网格剖分，最后将参数域的网格反向映射回物理空间，从而得到物理域的有限元网格。颈椎椎骨包括椎体、前结节、后结节、关节突、椎孔、横突及横突孔等结构，几何外形极不规则。采用映射网格划分方法完成C1-T1椎骨有限元网格的划分，然后根据真实解剖结构建立软组织的有限元模型。

1.2.1 椎骨有限元模型

颈椎由C1-C7 7段椎骨组成，C1和C2结构比较特殊，又分别称为寰椎和枢椎，相比于下颈椎的解剖结构，寰椎没有椎体，枢椎椎体上特有称为齿突的骨状突起，作为寰椎的旋转枢轴。其余5段椎骨结构相似，尺寸略有差异，称为普通颈椎。椎骨分为外层的密质骨和内部的松质骨，将椎骨几何模型导入ANSYS中，生成实体并完成松质骨网格的划分。由于密质骨在椎骨最外面，厚度很薄只有0.4mm[13]，在椎骨有限元模型的表面生成一层壳单元模拟密质骨。以寰椎、枢椎和普通颈椎C4为例，其有限元模型如图3所示。

图3 颈椎椎骨有限元模型

第一胸椎T1与普通颈椎结构相似，由椎体、椎弓和突起等构成，在椎体侧面后部近体上缘和下缘处各有半球形肋凹，与肋骨形成横突关节，上下关节突的关节面几乎呈冠状位，相比于普通颈椎，T1的棘突较长。T1有限元模型如图4所示。

图4 胸椎T1有限元模型

1.2.2 软组织有限元模型

(1) 椎间盘 椎间盘是连接相邻椎体的主要结构，起着缓冲外力、吸收能量的作用。椎间盘由髓核、纤维环和软骨终板3部分组成，纤维环四周包绕着中间的髓核，软骨终板上下包绕着纤维环和髓核。椎间盘有限元模型采用直接法进行建模，拉伸椎骨间面网格生成髓核有限元模型，在髓核外围生成一层实体单元模拟纤维环，并在髓核和纤维环的上下表面生成一层壳单元模拟软骨终板，完成椎间盘有限元模型的建立，如图5所示。

图5 椎间盘有限元模型

(2) 小关节 小关节位于相邻椎骨的关节面之间，由关节软骨和外层的关节囊韧带构成，决定颈部的侧弯和旋转运动。通过拉伸椎骨上下关节面建立小关节的有限元模型，在小关节外表面生成一层壳单元模拟关节囊韧带。小关节有限元模型如图6所示。

图6 小关节有限元模型

(3) 韧带 韧带是坚韧性的纤维带，对颈椎的内在稳定起着重要作用。颈部韧带主要有前纵韧带、后纵韧带、横突间韧带、黄韧带、棘间韧带和棘上韧带等。CT中无法直接提取出韧带的点云数据，根据解剖学知识确定韧带的具体位置，通过拉伸生成壳单元建立韧带的有限元模型，如图7所示。

图7 韧带有限元模型

图8 部分肌肉有限元模型

(4) 肌肉 肌肉能够产生张紧力，牵动椎骨和软组织实现颈部的弯曲、伸展和侧弯等运动。肌肉不仅能被动地承受载荷，还可产生主动力。与韧带一样，肌肉的点云数据无法直接从CT中提取，根据人体解剖学结构中肌肉起始点和终止点位置[14]，用杆单元建立肌肉的有限元模型。由于本模型只建立了颈椎部分，对于不能从模型上直接确定起始点位置的肌肉，根据解剖学描述的肌肉位置建立参考点作为起始点。模型中建立了包括胸锁乳突肌、肩胛提肌、头长肌、颈长肌和前、中、后斜角肌等的颈前肌群以及包括头最长肌、颈最长肌、斜方肌、头夹肌、颈夹肌、头半棘肌和颈半棘肌等的颈后肌群。部分肌肉的有限元模型如图8所示。

1.3 头颈部有限元模型的组合

在文献[15]中建立的中国人体50百分位头部有限元模型基础上，建立寰枕关节及其韧带，完成头部与颈部有限元模型的连接。整个颈部模型包括39 967个实体单元，31 251个壳单元，92个Hughes-Liu梁单元，完整的有限元模型如图9所示。

图9 头颈部有限元模型

模型材料参数参考尸体试验与组织材料试验[16-17]，密质骨和松质骨采用弹塑性材料模拟，材料参数如表1所示；髓核和肌肉采用黏弹性材料模拟，材料参数如表2所示；纤维环、软骨终板、韧带和小关节采用线弹性材料模拟，材料参数如表3所示。

表1 椎骨弹塑性材料参数

表2 髓核和肌肉黏弹性材料参数

2 头颈部模型有效性分析

头颈部生物力学响应与撞击力、加速度和各组织的应力应变有关。志愿者试验是分析颈部组织生物力学响应的主要方法，然而志愿者试验必须限制志愿者于非异常力场中，有限元分析是弥补这类问题的有效方法。文献[18]中指出碰撞事故引起的颈部挥鞭损伤发生前颈部肌肉主动力是不起作用的，由于仿真与试验中分析时间较短，因此不考虑肌肉主动力作用对结果的影响。通过有限元模型仿真结果与志愿者试验结果的对比分析来验证模型的有效性，然后将其用于汽车事故的碰撞分析。

表3 颈部其他组织线弹性材料参数

2.1 基于已有志愿者试验的仿真分析

文献[4]中在瑞典查尔摩斯大学进行了7km/h志愿者后碰撞台车试验，选取了11名无颈椎损伤的志愿者(年龄28～50岁，身高173～185cm，体质量65～85kg)进行了23次后碰撞试验。志愿者以正常的驾驶坐姿坐在试验座椅上，双手平放在腿部，双脚放在脚踏板上，并用安全带进行约束。用560kg的滑车撞击志愿者所在的台车(除志愿者外，台车本身质量890kg)，使其加速向前运动，试验记录了T1冠状面法向位移和轴向位移。

将试验测得的T1的冠状面法向位移和轴向位移加载到颈部有限元模型胸椎T1上，约束胸椎和肌肉下端点X，Y和Z3个方向的转动自由度。整个模型处于1g的重力场中。

仿真与试验的对比结果如图10所示，试验的数据点分布在两条虚线形成的试验区间内。可以看出，仿真头部位移曲线与志愿者试验曲线趋势基本一致，仿真中头部水平位移的幅值略大于志愿者试验结果，整体上来看，模型表现出与志愿者相一致的生物力学响应。

图10 头部相对于T1在冠状面法向位移仿真与试验对比

2.2 志愿者试验研究与仿真对比分析

已有志愿者试验中的志愿者身体尺寸特征与模型来源的志愿者尺寸特征存在较大的差别，选取在中国50百分位身体尺寸特征范围内的4名男性志愿者进行试验，通过仿真结果与试验结果的对比验证模型的有效性。

2.2.1 试验方案设计

选取无颈椎损伤且在中国50百分位身体尺寸特征范围内的4名男性志愿者(编号分别为A，B，C和D)进行20km/h急制动试验，志愿者身体尺寸特征如表4所示。志愿者以正常的坐姿坐在汽车副驾驶座椅上，双手放在腿部，并用安全带进行约束。志愿者佩戴眼罩并放松颈部肌肉，在其未知急制动时刻点的情况下进行试验，以获得无肌肉主动力作用下头颈部的响应。将3个压电式加速度传感器分别布置在胸椎T1棘突末端、眉间和蝶骨大翼处，记录3个测点处200ms内冠状面法向和轴向加速度，测点布置如图11所示。采用DH5922动态信号测试分析系统采集加速度信号数据，加速度测量系统如图12所示。

表4 志愿者年龄和身体尺寸特征

图11 20km/h急制动试验和加速度测点位置

图12 加速度测量系统图

2.2.2 试验数据处理

通过控制急制动时胸椎T1在200ms内X方向加速度峰值的相对误差和Z方向加速度峰值的相对误差，以减小误差因素对试验结果的影响，选取每名志愿者T1在X和Z方向加速度峰值相对误差均小于5%的5组加速度曲线，将5组加速度曲线平均得到T1在X和Z方向的平均加速度曲线，作为模型仿真的初始载荷。4名志愿者的T1在X和Z方向平均加速度曲线如图13所示。

图13 胸椎T1在X和Z方向的平均加速度曲线

2.2.3 仿真与试验对比分析

分别将4名志愿者胸椎T1在X和Z方向的平均加速度曲线作为模型仿真的初始条件，加载到有限元模型的T1上，并约束T1在X、Y和Z3个方向的转动自由度，整个模型处于1g重力场中。

仿真得到200ms时头颈部有限元模型眉间和蝶骨大翼在X方向相对于T1的4组速度值，分别与试验中测得的相对速度均值(数据处理时每名志愿者中筛选出的5组眉间和蝶骨大翼在X方向相对于T1速度的平均值)进行对比，结果如图14所示。

图14 两测点相对于T1速度仿真值与试验值对比

由图14可以看出，仅有与模型来源的志愿者身体尺寸特征差别最大的志愿者C的仿真值与试验值的相对误差超过5%，其他3组两测点处的相对误差均小于5%，其中与模型来源的志愿者身体尺寸特征相同的志愿者B的试验值与仿真值相对误差最小，两测点处的相对误差分别为-2.4%和-2.1%。通过模型仿真与试验结果的对比可以看出，身体尺寸特征对头颈部的生物力学响应有较大的影响，模型能够较好地反映出中国50百分位成年男性头颈部的响应。

3 结论与讨论

建立了中国50百分位男性人体全颈椎，包括椎间盘(软骨终板、纤维环和髓核)、韧带、小关节以及肌肉的有限元模型，生物逼真度高，能够计算全颈椎内部各组织的生物力学响应，并适用于汽车碰撞中颈部损伤的研究，探索各种车辆行驶状态下或事故发生时乘员颈部的力学响应及损伤评价。通过完善其模型的建立和研究为未来汽车安全设计法规从假人阶段向真人过渡提供借鉴和参考。

通过仿真计算与已有志愿者后碰撞试验结果的对比分析，发现仿真的力学响应曲线与后碰撞中志愿者实际响应曲线具有相同趋势，说明生物力学模型仿真的主要规律是正确的。由于模型简化，尺寸、材料参数等因素与试验志愿者真实情况的差别，仿真和已有试验的数值结果有偏差。为进一步研究所建立模型的仿真精度和可靠性，选取在中国50百分位身体尺寸范围内的4名志愿者进行20km/h急制动试验。通过仿真与急制动试验的对比，发现身体尺寸特征对头颈部响应有较大影响，所建立的模型能够较好地反映出中国50百分位成年男性的生物力学响应。

后续工作将开展多方位的低速碰撞志愿者试验，在生物力学模型有效性得到全面验证的基础上，进行动态生物力学响应分析，使模型得到更有效的应用。

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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

*国家自然科学基金(51375170)和广东省自然科学基金(2015A030313213)资助。

原稿收到日期为2015年9月8日，修改稿收到日期为2015年11月20日。