（光学工程专业论文）汽车追尾事故中乘员颈部的冲击生物力学响应和损伤机理研究.pdf

摘要 轻微的颈部损伤，也称“挥鞭伤”，在低速追尾事故中较为常见；而颈 部损伤机理非常复杂，即使在临床检查中，也不能发现明显的病变。目前的 研究中，提出了多种颈部损伤机理的假设，但这些假设，只能解释部分案例 中的颈部损伤。研究颈部损伤机理，要对颈部在事故中的冲击生物力学响应 有详细的分析。本文围绕着这个问题，开展了下面几方面的研究。 1 在了解颈部的组织结构、材料性能的基础上，根据文献资料，颈部损 伤从受伤的解剖位置可分为：椎体及周围韧带或肌肉的损伤、脊髓神经根的损 伤和关节突部位的损伤；在假设损伤位置的基础上，解释了导致损伤的机理。 探讨了颈部损伤准则内容、提出的基础和它们的计算方法。 2 利用汽车座椅模型，对座椅做了参数研究，选用了一些和颈部损伤相 联系的动力学参数，对修改后的模型进行了评价，得出了和文献中试验结果 相似的结论。发现优化座椅的一些参数，可降低发生颈部损伤的可能性。 3 针对驾驶员发现碰撞要发生时，可能会紧抓方向盘的情况下的颈部动 力学响应，发现这种情况会导致或加剧驾驶员的颈部损伤。 4 运用滑车试验，借助于高速摄影机和电测量系统，对h y b r i dt i t 假人在低速追尾碰撞中颈部动力学响应作了研究。 以上主要使用了两种研究方法：计算机仿真和试验。这两种方法有效地 研究了颈部在低速追尾碰撞中颈部的冲击生物力学响应，加深了对以有的颈 部损伤机理假设的理解，为颈部损伤机理的研究打下了基础。 关键词：兰尾黑霎部妊挥计算机瓿迥盟蓟 学、安全座椅 a b s t r a c t m i r r o rn e c ki n j u r y ，a l s oc a l l e d w h i p l a s h ，i sf r e q u e n t l yh a p p e n e d i nl o w s p e e dr e a ri m p a c t t h em e c h a n i s m o fn e c k i n j u r yi sav e r yc o m p l e xp r o b l e ma n d m a n yp r o b l e m sr e l a t i v et oi t s t i l ln e e dt ob es t u d i e d t h ef i r s ts t e pt os t u d yt h e n e c ki n j u r ym e c h a n i s mi st o a n a l y z et h ed y n a m i cb i o m e c h a n i c sr e s p o n s eo f h u m a nn e c k t h e o b j e c t i v e o ft h e p r e s e n t w o r ki st o s t u d y t h e d y n a m i c b i o m e c h a n i c sr e s p o n s eo fh u m a nn e c ki nl o ws p e e dr e a ri m p a c t ，t h u sc a nh a v ea g o o d b a s i st os t u d yn e c k i n j u r ym e c h a n i s m t h eb i o m e c h a n i c so fh u m a nn e c kw a sd i s c u s s e d n e c ki n j u r y w a s c a t e g o r i z e db a s e d o nt h ep o s i t i o no ft h ei n j u r e ds 仕u c t l l r et ot h r e et y p e s ：i n j u r yt o t h ev e r t e b r aa n dm u s c l e so rl i g a m e n t sa r o u n d ，i n j u r yt of a c e tj o i n to rc a p s u l a r l i g a m e n t sa r o u n d ，a n di n j u r yt og a n g l i o n n e c ki n j u r ym e c h a n i s mo f e a c ht y p e w a s e x p l a i n e d a n d t h en e c ki n j u r yc r i t e r i aa n dt h e i rb a s i sw e r er e v i e w e d ad r i v e r g r i p p i n g t h e s t e e r i n g w h e e l d u r i n g c r u s hw a sm o d e l e di n m a d y m o t h er e s u l ts h o w e di tw o u l di n c r e a s et h er i s ko fn e c ki n j u r y p a r a m e t e r ss t u d yo f c a rs e a tw a sc a r r i e do u t t h er e s p o n s eo f h u m a n n e c ki n s e a t sw i t hd i f f e r e n t p a r a m e t e r sw a sd i s c u s s e d t h e r e s u l ts h o w e dt h a tt h e h e a d n e c kk i n e m a t i c sw a si n f l u e n c e dt o a g r e a t e x t e n t b ym o d i f y i n g t h e p r o p e r t i e so f t h e s e a t b a e ka n dh e a dr e s t r a i n t a n dt h er i s ko f n e c ki n j u r yc o u l d b e r e d u c e d b yp r o p e r l yc h o o s i n gt h e s e a td e s i g n p a r a m e t e r s s l e dt e s t sw e r ec a r r i e do u t t h em o v e m e n to fh y b r i d _ i i id u m m yw a s r e c o r d e db yh i g l l s p e e dc a m e r a i tw a sp r o v e dt ob eag o o dm e t h o d t os t u d yt h i s p r o b l e m k e yw o r d s ：r e a ri m p a c t ；n e c ki n j u r y ；w h i p l a s h ；c o m p u t e rs i m u l a t i o n ；i n j u r y b i o m e c h a n i c s ；s a f e t ys e a t i i 第一章概述 随着我国汽车拥有量的增加，发生的交通事故有逐日上升的趋势。统计表明， 1 9 9 9 年全国发生交通事故4 1 2 8 6 0 起，死亡8 3 5 2 9 人，受伤2 8 6 0 8 0 人，直接经济 损失2 1 2 4 亿元i ij 。交通事故给我国带来巨大的经济和社会损失，给受害者及其 家属带来痛苦和不幸。 减少交通事故中的人员伤亡是汽车被动安全研究的首要目标。安全带、安全气 囊和最近提出的安全座椅、安全头枕l 叫，都属于这方面的研究成果。安全座椅、安全 头枕是国外研究者针对交通事故中导致的颈部损伤逐渐增多的趋势而提出的。 汽车事故导致的轻微颈部损伤，又称挥鞭伤，在汽车追尾事故导致的轻伤中 占很大比例，约占4 8 左右l j j ；由于发生率高，治疗困难，每年给社会带来巨大 的经济损失。研究表明，在美国，每年由于挥鞭伤造成的经济损失至少有4 0 亿美 元【2 】。国内在这方面还没有统计数据。颈部在乘员约束系统中运动幅度大，受到的 保护小，容易受到损伤，它的损伤机理和防护应该早日得到重视。 我国的人民生活水平有了较大的提高，国家保险业也发展很快，人民对汽车 安全提出了更高的要求。过多的交通事故，会给保险部门带来直接的经济压力一j 。 国内目前还只对产生的明显的伤亡要求索赔，但参照国际上的惯例和发展趋势， 今后国内对一些不明显、但实际上是交通事故产生的损伤，也会要求索赔。对这 些损伤，要有专门的鉴定部f - j 来确定，是否有损伤，是否是在交通事故中造成的。 在各种交通事故引起的损伤中，追尾事故所导致的颈部损伤占较大的比例， 约占3 3 左右，正面碰撞中也可能导致交通事故，但占的比例较小，约占1 4 左 右【2 1 。与其它交通事故相比，追尾事故在所有交通事故中的比例有上升趋势，一方 面由于道路条件的改善，如长沙某高速公路上发生的事故中，有5 0 左右属于追 尾事故；另一方面，在城市道路中，单行道的增加，也增加了追尾事故发生的可 能。 1 1 颈部损伤生物力学的研究内容 损伤生物力学主要研究人体的损伤，研究人体组织在碰撞条件下的动力学响 应5 1 。损伤生物力学的研究，包括研究其载荷条件，损伤机理和损伤的治疗。 汽车事故中的颈部损伤，是目前汽车安全与损伤生物力学研究领域的热点之 一r 下面结合一部分文献说明国外研究的内容： 一、在事故调查的基础上，对事故的各方面做统计学分析：如发生追尾事故 前两车的速度，车辆的加速度波形，损伤人群分析( 包括性别、年龄、身高和乘座 位置等) ，以及按症状对颈部损伤进一步的细分，和伤者康复所花时间进行分析等。 如v k o c h m 等人分析了交通部门和保险公司的数据，得到了相碰两车的重 量、司机的性别、两车的结构、和座椅的不同反弹特性等，对颈部损伤的出现都 有很大的影响。特别指出，女性在同等条件下，受伤的几率大一些。挥鞭伤是需 要长期治疗的主要交通伤之一，约占5 0 左右 7 1 。安全带的使用，使挥鞭伤发生的 可能性增大【8 】【9 1 。 w o l f r a nh e l l 等人对挥鞭伤的损伤程度和康复时间做了进一步的分析，根据 损伤的症状分为：颈部疼痛、颈部僵硬、头痛、颈部运动疼痛等。还对发生颈部 损伤时车辆的速度作了统计，发现有5 3 的颈部损伤发生在每小时1 5 公里以下， 有3 5 的发生在每小时1 6 - 2 5 公里之问，超过每小时2 5 公里发生颈部损伤的只占 1 1 左右【0 1 。 f o l k s a m 机构在事故统计基础上指出，在追尾碰撞中，平均减速度一般为 6 8 个重力加速度，持续时间大约为9 0 毫秒。在部分文献中，为了增加研究结果对 各种座椅的适用性，一般都会采用这个范围内的加速度波形作颈部损伤的研究。 现在德国、瑞典等国家的一些研究机构指定了一个在这个范围内的加速度波形作 为一个标准1 1 2 ，即所谓的典型滑车减速度( t y p i c a l s l e dd e c e l e r a t i o np u l s e ) 。 但在具体开发某个具体车型时，还是使用多种加速度波形。因为车型不同， 和相撞的两车等条件的不同，加速度波形都是不一样的。在o l ab o s t r i i 副研究中 认为，如果一个座椅在不同的碰撞加速度场作用下，颈部损伤准则值n i c 都比较 小，那么它是一个比较安全的座椅，颈部损伤发生的可能性降低。 二、研究中还包括对实验装置的开发( 如假人的研制，特别假人颈部的研制， 以及人颈部的其他替代品) 、计算机仿真模型的开发( 如颈部的有限元模型，多 刚体模型等) 。 研究颈部损伤，需要一个假人做滑车实验。这个假人受到的负载和动态响应 应该能够尽量逼近乘员的真实反应。7 0 年代，美国g m 为了就前碰撞伤害程度评 价汽车乘员约束系统设计了h y b r i di i i 假人，它有比较高的生物逼真度和仪器测量 能力，n h t s a 指定将其作为试验汽车的标准假人，用于f m v s s 2 0 8 标准。 9 0 年代后期，瑞典查尔摩斯大学o h a nd a v i d s s o n 等人开始研究了追尾碰撞 b i o r i d 假人 1 4 1 ，经过了多次检验和修改，现在已经发展到b i o r i d _ i i 。在追尾事 故中，b i o r i di i 比a y b r i h i 在低速追尾碰撞中的生物逼真度更耐”l 。并且根据 假人开发经验，提出一个假人要满足下面要求：简单，符合人体测量学标准尺寸， 2 生物逼真性，重复制造性，使用寿命长，成本低。 在碰撞中，人体暴露在一个冲击力环境中，受的负载很大，为了调查损伤机 理，进而给汽车安全系统的研究指出方向，k i n g h y a n g 等人开发了颈部三维有限 元模型i l “。模型中建立了椎骨、椎间盘和部分软组织等的有限元模型。 a s t r i d l i n d e r 用m a d y m o 软件开发了一个在低速碰撞中有较高生物逼真度 的新型多刚体颈部模型【l ”，他参考了文献中的一些自愿者的数据。由于数据的局 限性，他的这种研究在方法上更有参考意义。 三、对颈部损伤机理、损伤准则以及对人和人的替代品的损伤准则值的研究。 为防止汽车事故中的严重伤亡，有必要了解人体组织结构的载荷特性和它们 在重载条件下的动力学反应。在用假人做试验，提高汽车乘员安全性设计时，要 了解损伤机理和人体耐受度，还要研究在这种条件下假人的损伤准则值。原因是 假人的生物逼真性毕竟是有限的。如最近提出的颈部损伤准则n d c ，就分别给出了 人体、b i o r i d 假人和h y b r i di i l 假人的损伤准则值【旧。他是根据各种有关滑车实 验：自愿者实验，死尸实验，以及假人实验，在同等条件下，它们所测的物理参 数的值应是基本相同的。根据这些参数计算出各种替代品损伤准则值。 四、应用颈部损伤准则和上面提到的研究工具，开展安全座椅、安全头枕、安 全带等安全设备的研究。 现在提出了多种颈部损伤准则，一种做法是同时使用多种颈部损伤准则来作评 价标准【1 9 j ，但如果几种颈部损伤准则得出的结果相反，不知道该怎么处理；一种做法 是认定某一个颈部损伤准则，如用颈部损伤准则n i c 开发座椅郾】；还有一种做法是， 尽管损伤机理还不很明确，减少颈部的负载，将会减少颈部损伤发生的可能性 2 ”。 w o l f r a mh e l l 等在研究中发现：头部到头枕的距离是影响作用到头部受力的 主要参数；头部作用力、头部加速度和头部角加速度的峰值随着头枕距离增大而 增大。头枕高的座椅，表现出对颈部有良好的保护作用，而头枕较低的座椅 它 的保护性能比没有头枕时的座椅还差一些，他提出可能是基于下面原因：头枕较低 时，颈椎上部分的弯曲角度比没有头枕时的弯曲角度要大【i 。 m a r k u sh m u s e r 等利用b i o r i d 假人和h y b r i d 假人做滑车试验，研究追ill 尾事故中的座椅的反弹特性【2 2 】对颈部损伤的影响。 1 2 颈部损伤生物力学中常用研究方法 颈部损伤生物力学，是一个与汽车工程学、生物力学和医学等相关联的学科， 在研究中广泛使用了这些学科的研究方法。各种研究方法得到的数据的价值是不 同的。对颈部损伤的研究来讲，最有价值的是伤者的实际碰撞过程中得来的数据， 显然，这种数据是不太可能得到的。其次是自愿者试验、死尸试验和动物试验得 出的数据。由于自愿者试验的局限性，不可能在产生损伤的负载条件下做试验， 得出的结果也有局限性；死尸试验可以在产生损伤的负载条件下做试验，但和活 人反应肯定有区别，不过它可以用来研究碰撞后颈部出现的病变。假人模型的验 证，一般都是借助于自愿者试验、死尸试验的数据。动物试验有它明显的局限性， 但可用于某些组织的研究。再其次要算假人和其它替代品的实验得出的数据。最 后的应该是计算机仿真模型得出的数据。下面介绍几种文献中的研究方法。 n a r a y a ny o g a n a n d a n 等人做了死尸试验和自愿者试验，使用立体超薄切片机 ( c r y m i c r o t o m c ) 来记录发生细小的病变，可以发现颈部内部的细微损伤。并且试 验中使用x 光( x r a y ) 对颈部上铰接点0 c 定位。分析中主要记录下列数据：滑 车的加速度，头部质心x 和z 方向的加速度，头部角加速度，颈部下铰接点t 1 的 x 和z 方向的加速度，轴向力，剪切力和转矩。通过这些参数来检查损伤准则的可 行性【2 3 1 。 t a k e h i k o t a k a t o r i 介绍了一种研究颈部损伤的方法。他在低速自愿者试验基础 上，使用了高速摄影机，肌电图分析仪，加速度传感器和普通摄影机等设备，来 分析头部和颈部的运动，以及试验中各装置的动力学响应。并且使用了跟踪和重 叠技术，对高速摄影机和普通摄影机记录的结果进行了图像分析。对头部和颈部 的运动做了详细的描述1 2 4 1 。 o l ab o s 缸s m 等人用一个数学模型来模拟汽车在追尾碰撞中乘员的动力学响 应。用数学模型得出了些动力学参数，然后根据参数计算不同工业中使用的座 椅n i c 值。结果和事故统计结果作了比较，发现n i c 值较低的座椅发生颈部损伤 的风险低一些，认为颈部损伤准则n i c 对颈部损伤的预见性比较高【2 ”。 k o s h i r oo n e 等人做了一些自愿者试验，使用x r a yc i n e r a d i o g r a p h y 详细地记 录了颈椎椎骨的运动，分析了每块颈椎的瞬时旋转轴，测量了头部的加速度，计 算了颈部上铰接点受到的剪切力、压缩力和转矩。在研究基础上，提出了面铰损 伤机理。并发现在正常情况下，颈部后仰时，颈椎间的间隙厚度变化平顺并且很 小的。但在碰撞中，颈椎间的间隙很不均匀口“。 w o l f r a mh e i i 通过自愿者实验，观察人体颈部在碰撞中的运动，以分析可 能导致颈部损伤的动力学因素。发现在同等实验条件下，不同的自愿者的动态反 映有明显不刚1 0 】。这也是自愿者试验的一个缺陷。 4 1 3 本课题研究的意义 一 在低速追尾碰撞中的颈部损伤，可产生颈部长期疼痛和其它不良后果。研究 颈部损伤的损伤机理，通过汽车安全设计降低颈部损伤风险，具有现实的经济和 社会意义。 我国以汽车工业作为推动国民经济发展和技术水平进步的支柱产业，并将汽 车安全、环保与节能作为重点发展的技术。最大限度地减少交通事故中的人员伤 亡是车辆工程和相关领域要解决的重要科技问题。 汽车事故中的颈部损伤机理和颈部损伤防护研究是国家自然科学基金委员会 资助项目之一，本文课题是这个项目的一部分研究内容。主要研究汽车追尾事故 中乘员颈部的冲击生物力学响应，深入了解颈部损伤机理，掌握m a d y m o 仿 真和滑车试验两种的研究方法。 目前的研究中，提出了多种颈部损伤机理的假设，但这些假设，只能解释部 分案例中的颈部损伤。研究颈部损伤机理，要对颈部在事故中的冲击生物力学响 应有详细的分析。 现在有提出的多种颈部损伤准则，实际使用时如何选择是一个问题。了解每 个损伤准则提出的基础，以便在实际安全座椅设计中，根据车的结构和一些统 计数据，如颈部损伤的具体症状、受伤具体部位来确定选用哪几种颈部损伤值来 评价。 国内在这方面的研究刚刚起步，本课题在消化和吸收国内外相关文献中的研 究成果的基础上，探索国内外研究成果的应用，并希望能对颈部损伤的研究有 所发展。 1 4 本文的研究重点 ( 1 ) 汽车低速追尾碰撞中乘员颈部损伤类型和机理的分析研究。 ( 2 ) 通过计算机仿真，分析颈部在追尾事故中的动力学响应。研究驾驶员在 碰撞瞬间，紧抓方向盘的情况下的颈部动力学响应。 ( 3 ) 通过滑车试验，分析颈部在追尾事故中的动力学响应。并且对汽车座椅 的仿真模型的建立和模型参数的测量方法做了研究a ( 4 ) 用计算机仿真模型进行参数研究。探索汽车碰撞在尾部碰撞的过程中有 关动力学参数与颈部损伤的关系，进而对有关座椅设计参数进行优化t 以增加座椅安全性。 第二章追尾碰撞中的颈部损伤和防护方法研究现状 2 1 追尾事故与颈部损伤症状 2 1 1 追尾事故 前面车辆静止，或后面车辆的车速比前面车辆车速大，后面司机来不及刹车 时，会发生追尾事故。相撞后，两车连成一体，做平移运动。由于路面的摩擦力， 碰撞后的剩余动能被消耗掉，最终停车。碰撞后的运动时间约为几秒。 对后面车辆来说，它受到一个向后的加速度场作用，和正面碰撞类似；而对 前面车辆，它受到是一个向前的加速度场作用。两种情况下，乘员的动力学响应 有明显差别。研究中，一般研究被撞车辆中乘员的运动。 在碰撞发生的瞬间，和其后的几十毫秒内，乘员运动剧烈，有可能发生二次 碰撞，研究时，一般只研究这段时间内车辆和乘员的运动。 图2 - 1追尾碰撞的典型过程 2 1 2追尾碰撞中的颈部损伤症状 国外常提的w h i p l a s hi n j u r y ，国内称为挥鞭伤，或国内有些文献所提的头部震 颤性损伤2 7 1 ，都是指在汽车碰撞事故中导致的颈部的损伤。 颈部的a i s 等级中1 级损伤主要症状有疼痛、虚弱和颈部、肩部等部位的不 良反应，还可能包括头昏、头痛、失去知觉等；但颈部疼痛是其中最为普遍的。 6 2 2 追尾事故中的颈部运动分析 2 2 1 颈椎的运动 在追尾事故中，颈部的典型运动情况【2 引如下 图2 - 2追尾事故中颈部的动力学响应 在下面的几节内容当中，运用运动生物力学来研究碰撞中的颈部运动过程。 运动生物力学让9 l 是研究生物体宏观运动的- - f l 学科。它将力学与解剖学、生理学 结合起来，分析生物运动的空间特征和时间特征，分析这些特征与生物体的内力、 外力、能量和功率之间的关系。 2 2 2 颈椎运动的结构分析 运动的结构分析口9 1 是分析在各个力的相互作用下，该动作的形式、外貌、性 质以及它与前后动作之间的关联。通常可以从以下三个方面对动作结构进行分析： 运动学分析、动力学分析和功率分析。本节运用m a d y m o 仿真模型，对颈部运 动作了前两方面的分析。 在追尾事故中，车辆受到的是一个向前的加速度场，由相对运动原理，人体 受到的是一个向后的加速度。图2 - 3 是人体的受力简图。 7 i 删童协奇f = 毫m 图2 - 3 追尾事故中人体受力简图 m 下面以m a d y m o 中的h y b r i d 1 1 1 假人模型为例，分析颈部的运动过程。 为研究方便，选用的刚性座椅和典型加速度。平均加速度在6 9 左右，相对应的碰 撞速度为1 5 k m h 。这个加速度场是参考德国、瑞典等国家的一些研究机构指定标 准加速度波形】【1 2 】而选用的。 ， ， ， 、 f 、 、 | l 、 i 、 ! | |l 、 、 | 、 l | 、 t i m e i s ) 图2 - 4选用的加速度场 假人颈部的运动可分为下面三个阶段。 第一阶段，假人没有和靠背接触，整个身体相对于车做向后的运动，头部和 颈部基本上没有相对运动。运动时间：0 - 1 3 7 毫秒。 第二阶段，假人身躯沿着靠背上升，颈椎伸长到最大值，由于颈椎受到压力， 各椎间盘受压，负载向上传递。对人体来说，由于身躯受到座椅的压迫，血液可 能有向头部去的趋势，颈部左右两边的肌肉都有所运动。运动时间：1 3 7 3 2 0 毫秒。 8 一啊co一-芒。一算v譬 第三阶段，由于受到安全带约束，假人身躯停止向前运动，头部由于惯性 继续向前运动。运动时间：3 2 0 3 5 0 毫秒。 下面是o c 在颈部体坐标系中x 方向的加速度。 八 1 1 j 卜j b l v 一 哩 l _ ， 图2 - 5颈部体坐标系中x 方向的加速度 向前运动的最大加速度在7 0 毫秒时达到最大值。这个加速度是在体坐标系计 算的数值。它的物理意义是颈部传感器在碰撞中的加速度的时间历程曲线。它不 是在绝对坐标系中x 方向的速度。 p 7 、 、 f k ? | 、 | | 一， 1 t l2 - 6颈郝鲍对坐标系中x 方向的速度 由速度曲线可看出，在5 4 毫秒时，向后运动速度达到最大；在1 3 5 毫秒时， 它向后的运动速度为零。反弹的速度最大时刻是2 2 5 毫秒。 绝对坐标中的水平加速度可以由它的水平速度计算出来。 9 飞 卜 一 u 、 似 u 3 1 0 0o1 0 02 0 03 0 04 0 0 t i m e ( m s ) 图2 7颈部绝对坐标中的水平加速度 头部相对于胸部的转角，也是其中的一个因素，可计算出转角和时间的关系。 在运动中颈部上铰接点的受力图如下： ；。 ， 一) 1 认 l， j j u 图2 - 8颈部上铰接点的剪切力图 剪切力在1 3 0 毫秒时达到最大值。在2 3 5 毫秒时刻受力为零。 1 0 一，s、ec o!lejaia。适 宝io，- l v l 、 。；。 。| 删。 1 图2 9 颈部上铰接点受到的轴向力 在4 0 毫秒内达到正向最值，在8 0 毫秒时颈部轴向压力达到负的最大值。在 6 8 秒时压力为零。 八 ，、厂、 一v j ， j n ， t h - 图2 1 0颈部上铰接点受到的转矩 颈部力矩在6 0 毫秒时达到最值。在7 5 毫秒时力矩为零，在1 0 0 毫秒时达到 最值。从5 0 到1 0 0 毫秒时刻内，从正1 2 n m 到负1 9 n m ，变化很快。 2 2 3颈部运动的解剖学分析 颈部的主动力来源于肌肉，各种运动都是通过肌肉的协同动作来实现的。在 碰撞中，由于惯性力很大，肌肉在其中的运动大部分是被动性的参与，如果有主 动力的参与，可能会加剧颈部的损伤程度。 颈椎在碰撞中的运动和平常的运动是有区别的郾1 ，在正常运动情况下椎间 一邑，-#芑，ipo芒写 盘的转角变化均匀，但在冲击条件下，其变化很不平顺。它的旋转中心( i a r ) 比正 常运动的位置高一些，这样椎体的旋转半径小一些，对椎间盘和周围韧带的冲击 力大一些。 工 i m z 1 且il c n 体h i 从1 且l c r l h i i i z 、2 j l 蘧融 1 n s l 帕 j1 i l j t 击 脚 、 图2 - 1 i椎体的瞬时中心位置 在颈部s 变形处，出现应力集中，剪切力和弯矩都达到最大值。从图中可看 出，颈5 一颈6 发生关节突的冲突，容易导致关节突部位的损伤。 图2 - 1 2颈部s 变形哳】 2 2 4 颈部运动的生理学分析 颈部有骨骼肌，它是随意肌，在很大程度上受太脑的指挥，但在冲击载荷下， 它的运动很可能只受潜意识或人体本能作出一些反应，更多的是由于外在强加的 1 2 负载。但如果碰撞前人已经觉察到碰撞不可避免的发生，大脑的潜意识可能会使 骨骼肌作出一定的运动。有下面生理学方面的问题有待解决。 ( 1 ) 碰撞中，由于头部剧烈运动，血液涌向头部，是否可能引起神经系统的紊 乱。这对人体的意识有什么影响。 ( 2 ) 碰撞发生的相对速度一致，但绝对速度不一样，在乘员生理上的反应是否 一致。 ( 3 ) 如果驾驶员发现后面有车过来，忙脚踩加速踏板，手紧握方向盘，身体向 前弯曲，这种情况下的运动和手没有握方向盘是否有所区别。 对第三种情况，用m a d y m o 作了仿真，见下面章节。 2 3 颈部损伤生物力学基础 针对国内在追尾事故中颈部损伤生物力学的研究刚刚开始，本节对颈部损伤 研究中的几个基本问题作了简要介绍，为了解颈部损伤机理打下基础；然后介绍 了颈部的部分结构和材料特性。 2 3 1 颈部损伤生物力学定义 损伤生物力学【5 1 亦称为碰撞生物力学，是汽车被动性安全研究的重要理论基础 之一。碰撞事故中，人体暴露在一个机械冲击载荷的环境中，在惯性力和接触力 的作用下，人体的各部分组织将产生一定的生物力学响应。若生物力学的响应使 人体的组织超过了可以恢复的限度或导致解剖学组织的破坏和正常生理功能的变 化或丧失，这时就发生了人体损伤。人体组织在碰撞过程中所包含的有关力学就 称之为损伤生物力学。 从医学观点出发是就损伤的诊断、治疗、和康复来讨论车辆交通事故中的人 体组织和器官所受到的破坏。 从工程学观点出发是就损伤的起因和在工程设计中考虑避免和减少事故损 伤来讨论车辆交通事故中的人体损伤。汽车碰撞事故中损伤生物力学的研究内容 包括： 人体的损伤机理的研究 人体在冲击载荷条件下的耐受限度 损伤准则的研究和制定 损伤准则在汽车安全开发研究中的应用 2 3 2 颈部的结构和材料特性 2 3 2 1 软组织的材料特性 在追尾事故中，导致的损伤主要是软组织的损伤，如椎体上软骨损伤，关节囊 和棘间韧带的损伤；并且，椎骨间的联结主要由肌肉、韧带等软组织构成，骨骼 肌在颈部的运动中起了很重要的作用。下面介绍一下软组织的材料特性【2 9 1 。 软组织的特点是柔软易变形，具有不同程度的抗拉强度，但不能抗弯和抗压。 生物软组织材料与常用的金属材料之间的差别主要在它具有明显的非线性，各向 异性和粘弹性，( 包括滞后、蠕变和松弛特性) 。 1 非线性 生物软组织的应力一应变关系一般都不服从虎克定律。应力应变曲线不 是一条直线。而是先刚度小，到一定变形时有较大的刚度。 2 滞后性和拟弹性 软组织的加载应力一应变曲线与卸载应力一应变曲线不同，只有在卸掉较 多载荷的情况下，才能恢复到原有载荷条件下的变形，材料的这一特性称为滞后 性。滞后现象为物体反复加载和卸载时能量丧失的一种现象。 而这种软组织的应力一应变关系特性和金属材料的塑性特性有有所不同，只 要完全消除载荷并经过一段时间后，它能恢复到原有形状而无明显残余变形。软 组织这种与常规弹性材料性质即相似又有所不同的特性称为“拟弹性”。 3 循环载荷下的趋近性 软组织的材料在每个加载循环中的载荷一变形曲线都不相同，但随着循环次 数的增加，得到载荷一变形的关系才稳定。 4 松弛和蠕变 如果将试件固定在一定变形之下，开始材料内部有较大的应力，以后随着时 间的延长，该应力逐渐减小，这一过程称为松弛。 如果对试件施加一个不变的载荷，则试件的变形将随着时间的延长而增长， 这一过程称为蠕变。 2 3 2 2 颈部的主要结构和材料性能 下面介绍颈部的主要结构和材料性能。研究中发现，肌肉的运动对颈部损伤 的产生有很大的影响。 1 4 1 颈椎的整体结构【3 0 】 颈椎为整个脊椎中最小的真椎，共7 块，第1 、2 和第7 颈椎形态结构特殊， 属于特殊颈椎，余下4 块为普通颈椎。 图2 1 3颈部结构【2 0 】 ( 1 ) 椎体 椎体是人体承受轴压的的主要构件，它呈短圆柱型，中部略细，上下端较大， 端面平坦，面粗糙，与椎间盘相连。它主要由松质骨组成，表面密质骨很薄。在 受强力作用时，可能被压扁，形成压缩性骨折。 椎骨的载荷一挠度曲线口9 1 如图所示。椎骨大体上属于弹性材料。 。 。 。 圈2 - 1 4 推骨的栽荷一挠度曲线【2 9 】 从椎体的正面观，椎体的上面的横径上中部微凹，其两侧稍后方有唇状隆起， 形似钩状，称钩突。钩突多半为椭圆形，尤为颈5 为多见，少数可呈三角形或鞍形。 椎形下面在横径上凸起，在其两侧稍后方与下位椎骨椎体钩突的对应部呈斜坡状， 称椎体斜坡。 图2 一1 5普通颈椎的结构 ( 2 ) 椎间盘 椎问盘是连结于上下椎体相对面的纤维软骨，第1 、2 颈椎之间除外，故脊柱 颈段共有6 个。椎间盘在颈椎总长度中占2 0 2 4 。椎间盘的厚度以颈为最 大，上部颈椎则小。椎间盘由髓核和纤维环两部分构成。椎间盘富有弹性，其生 理功能除连接椎体外，还可减轻和缓冲外力对脊柱与颅脑的震荡，并参与颈椎的 活动及增加运动幅度。 椎间盘的刚度偏低，在小变形下其数值仅仅为椎体的1 5 ，它与椎体的差别还 在于它具有明显的粘弹性性质。从下图可看到，当变形速度提高时，为了得到同 样的变形，就需要加上大得多的载荷。在实际碰撞中，变形速度都很高。 m m 轻 芝。 描 崮 一史i 嘲嘲o 毫柑t f i ，同 ， ， 巴_ f 。、， ， k 一 ， 1 6 但椎体和椎间盘同时加载时，先受到破坏的是椎体；在低速追尾碰撞中在 沟突部位可能会出现应力集中，使该部位的松质骨受伤；在研究中，往往更关心 由于椎间盘前突、后突对周围组织的影响。 ( 3 ) 椎弓和关节突关节 椎弓的主要作用是使韧带和肌肉附着在它上面组成一个强有力的承载系统。 椎弓根短而细，与椎体的外后缘呈4 5 。相连接，上下缘各有一较狭窄的凹陷，分 别称为颈椎椎骨上切迹和颈椎椎骨下切迹。在相邻的两个颈椎上、下切迹之间形 成椎间孔，有脊神经和伴行血管通过。由于椎弓根短，颈椎上、下切迹亦较浅， 故颈椎的椎问孔前后径和上下径均较小，是颈脊神经根易受挤压的原因之一。 椎弓板是椎弓根向后延伸的部分，呈板状，较胸、腰椎狭长，在椎体后缘与 两侧椎弓根合拢构成椎管。侧面观呈斜坡状，上缘靠近前方使椎管与神经管入口 处的矢状径略小；下方则较远离椎管而使椎管与神经根管的矢径略大。下缘前面 有弓间韧带( 或称黄韧带) 附着，并向下延伸止于一椎节椎板的上缘，在两节椎 弓根之间构成椎管后壁，当其肥厚或松驰时，可突向椎管而压迫脊髓，尤其后方 更为明显。 上下关节突是椎弓板表面的一部分，它可分为上关节突和下关节突，左右各 一，呈短柱状，发自椎弓和椎板连接处。关节面呈卵圆形，表面平滑，与椎体纵 轴呈4 5 。角，因此颈椎易受来自水平位或后上方之外力作用而引起脱位。此关节 属滑膜关节，表面有软骨面，周围为较松驰的关节囊。其前面直接与脊神经根相 贴因此当该处增生、肿胀或松动脱位时，则易压迫脊神经根。关节周围有丰富 的肌群附着，以增加其稳定性。 图2 1 7钩突与神经根、椎动脉的解剖关系 ( 4 ) 脊髓和脊髓神经根 椎管内有脊髓、脊髓被膜、脊神经根、脂肪组织和静脉丛等。脊髓本身属于 低弹性模量，而其连同脊髓被膜、脂肪组织则具有较大的弹性模量。 脊神经前根和后根离开脊髓后，即横行穿过蛛网膜下隙，到达其相对应的椎骨 平面。在此，前、后根分别穿出蛛网膜囊和硬脊膜囊，然后位于硬膜外腔中。一般 在相应椎间孔处，两根合成脊神经。颈i 神经通过寰椎与枕骨之间出椎管，颈2 7 神经经过同序数颈椎上方的椎间孔穿出。 ( 5 ) 肌肉 颈椎前后方的肌肉是维持脊柱稳定、保持姿势和提供活动的必需条件。发达 的肌肉可增加颈椎的稳定性。 颈部的肌肉大多属于骨骼肌，其作用除了被动的承受、传递外力以外，还能 够执行神经系统下达的指令，使身体发生运动。它可分为颈肌和项肌。根据功能 的不同，可分为三组：第一组为控制头颈运动并保持其稳定性肌群；第二组为悬 吊上肢并与其运动有关的肌群；第三组为悬吊胸壁并与其运动有关的肌群。 2 4 颈部损伤机理 颈部损伤机理的研究，一般都要经过下面几个分析过程：对症状的分析；对 导致症状的运动进行分析；对伤者的性别、年龄等进行分析；对治疗和恢复时间 进行分析：对上面提到的问题综合分析，提出损伤机理。颈部损伤大多数是软组 织的损伤，由于软组织的拟弹性特性，即使受到损伤，它也可能恢复其原有形状， 这可能是颈部损伤在临床中很难发现组织损坏的原因。 在追尾碰撞中，由于惯性力作用，躯体和车辆向前加速运动，而头部保持碰 撞前速度运动，头部和胸部有较大的相对运动，使颈部过度后伸，超过了人体运 动的正常生理范围，造成颈部部分软组织的拉伤或扭伤。颈部损伤机理在假设 损伤部位的基础上，解释损伤产生的原因。目前颈部a i s l 级损伤的机理的假 设，根据损伤具体部位，主要可分为下面三种： 1 ) 椎体及周围韧带或肌肉的损伤。1 9 6 5 年，m a c n a b 【3 l 】用猴子作了颈部损伤 的研究，结合他在医院的临床经验，提出了第一个颈部损伤机理。碰撞瞬间， 在椎间盘的相对于椎体的运动很剧烈，导致椎体周围肌肉或韧带的撕裂，或者导 致交感神经或椎体上钩突部位表面的损伤。 研究中发现，椎体上下面的椎骨板，有一部分是粘弹性材料，它的刚度比椎 骨其它部分低 2 9 1 。在同等负载下，椎骨板比椎间盘先损坏，在追尾事故中，椎间 盘的大幅度运动，可能对椎体上钩突和前后的肌肉或韧带产生一个很大的剪切力， 1 8 导致椎体及周围软组织的损伤。 2 ) 脊髓神经根损伤。a l d m a n 3 2 1 用麻醉的猪作了颈部损伤的研究，当猪以一定 的速度和加速度向后运动时，发现脊管内体积瞬时变化很大，引起脊髓的压强瞬 时变化，它可能会导致脊髓神经根的损伤。它是颈部损伤准则n i c 提出的基础。 3 ) 关节突部位的损伤口3 】 3 4 1 。研究者从不同方面提出了关节突部位损伤的发 病机理，y a n g 和b e g a m a n 认为是关节突周围的关节囊的损伤，k a s h i mo n e 和 k o j ik a n e o k a 认为是上下关节突表面的冲撞引起的软骨面损伤等。k a n e o k a 在自愿 者试验中，通过x 光扫描自愿者的颈部，发现下颈段的运动不正常，其中的几块 颈椎的旋转瞬时中心偏上，并且颈6 比其他的颈椎开始伸展的时间早一些，这时形 成“s ”型，其他颈椎随着颈6 伸展，在颈5 与颈6 之间产生一个极大的转矩，使脊 柱前纵韧带拉伸，以及颈5 的下关节突关节面与颈6 的上关节面发生冲撞，导致关 节突上软骨面和周围关节囊的拉伤。 尽管软组织不能承受压载，但如果压得太厉害，变形太大会导致软组织的 扭伤或拉伤。并且由于运动很不正常，除压缩力外，它还可能受到剪切力，扭矩 等。 2 5颈部损伤准则和颈部耐受限度 损伤准则嘲是用一个物理参数或几个物理参数的函数组成，与人体某个部位受 到损伤的危险度相关，用来衡量负载是否超过了导致某种损伤的程度。颈部损伤 准则常用的物理参数有剪切力和压力、拉力、扭矩，和加速度，速度等。相应于 损伤准则，耐受限度胪堤对应的物理参数或者函数的阅值，超过它就会产生某种伤 害或者有可能导致某种损伤。开发新的安全性产品时，一般要求准则值低于耐受 限度。目前至少有5 种颈部损伤准则。 2 5 1 颈部损伤准则n i c ： 它是由b o s t 6 m 3 s 在1 9 9 6 年提出的，它的基础是上面提到过的脊髓神经根损 伤机理和生物力学试验，n i c 由o c 相对于t l 的水平方向的速度和加速度构成的 函数。 n i c = a ”l n i v e + 0 2 + vr e l a t i v c 2 ( 2 1 ) 其中a 汕慨是颈椎上下铰接点间的水平相对加速度， v 一鲥，。 是颈椎上下间铰接点间的水平相对速度 1 9 o 2 是长度量，单位是m n i c 耐受限度是1 5 m 2 s 2 。 b o s t 6 m 最初提出n i c 时，计算的是人体在惯性力下后退阶段最后时刻的值， 2 0 0 0 年，他建议了n 1 c 。【3 6 】，计算在碰撞发生后5 0 毫秒内n i c 的最大值。对 h y b r i d _ i i i 假人，专门设计了n i c 5 0 。n i c 、n i c 。和n i c 5 0 的耐受限度值都是 1 5 m z s 2 2 5 2 颈部损伤准则n h 和n ；j 1 最开始时，研究者主要对对绕y 轴的转矩( 由于屈曲和伸展产生的弯矩) 感 兴趣。但是，由于运动中出现的“s ”型，剪切力在其中也起了不少作用。如果同 时出现转矩和剪切力的最大值，将可能会导致颈部损伤。由此提出了颈部损伤准 则- k 。它由o c 承受的转矩和剪切力联合组成，由下式计算： ( f 1 ：业+ 业( 2 2 ) ，h肘i m 其中f 。代表颈部前后方向上受到的剪切力，m ，代表屈伸时的转矩。带下标 i n t 的分别是剪切力和转矩的指标值。对于混合i i i 假人来说， f i 。t ( 前) = f i 。后) = 9 4 5 n ，m i m ( 屈) = 8 8 1 n m ，m i 。t ( 伸) - - 4 7 5 n m n h 的耐受度是l 。 颈部损伤准则n i 同颈部损伤准则n k m 把转矩和剪切力联系起来一样，颈部损伤准则n i j 把轴 向力和转矩联系起来，作为一个损伤准则。它是为了评价前碰撞中导致的严重颈 部损伤而提出的。基本公式如下： = 笔+ 篆 ( 2 - s ) 其中f 。m ，分别是o c 所受的轴向力和屈伸时的转矩。f z e 和m z e 是轴向力 和转矩的指标值。对于h y b r i d假人来说：_ih f i n t ( 压) = f i n t ( 拉) = 4 5 0 0 n ；m i n t ( 屈) = 1 2 5 n m ；m i n t ( f 申) = 3 1 0 n m n k m 的耐受度是1 。 2 5 3 颈部损伤准则h r d c n 町 它是在自愿者试验的基础上提出的，主要是根据o c 相对于t 1 的角位移和线 位移都是有一定限度的。由两个直角坐标系内八条直线划分成的范围确定为4 个 等级，既：优，良，中，差；两个坐标圈分别是o c 相对于t 1 的z 方向位移和 o c 相对于t 1 的x 方向位移之间对应的函数关系的曲线图：o c 相对于t 1 的转角 和o c 相对于t l 在x 方向上的位移之间对应的函数关系的曲线图。对于混合i i i 型假人，各等级要求如下： 优：o c 相对于t l 的角度 2 0 度 o c 相对于t l 的x 方向位移 o c 相对于t 1 的z 方向位移 良：o c 相对于t l 的角度 3 5 度