（机械设计及理论专业论文）后碰撞中人体颈部冲击动力学响应的有限元分析及研究.pdf

u 1 1 1 11i i i iui l l l l l l iiil ：y 17 9 7 4 0 5 天津科技大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究 成果。除文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发 表或撰写的成果内容。对本文研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 乇葛 日期：硼年：月携日 专利权声明 本人郑重声明：所呈交的论文涉及的创造性发明的专利权及使用权完伞归天津科 技大学所有。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：孑丐 日期：硼8 年乃月7 8 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权天津科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有天数据库进行榆索，u ，以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密il ( 请在方框内打“”) ，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密ll ( 请在方框内打“”) 。 作者签名： 乇鸟 导师签名： 日期：枷年弓月 - 9 日 日期：年月 摘要 各种交通事故引起的损伤中，后碰撞所导致的颈部损伤占较大比例，常造成致命 伤害。理解后碰撞造成的损伤及其功能紊乱的潜在机制，对由此造成伤害的进一步防 护、诊断、治疗具有重要作用。随着计算机的发展，有限元模型被广泛应用于生物力 学研究。 旨在根据冲击动力学响应分析要求，建立中国人全颈椎三维有限元模型，以期用 于后碰撞中人体颈部冲击动力学响应分析及研究。 该模型以中国5 0 百分位成年男性为建模素材，通过螺旋c t 扫描生成d i c o m 格 式图像数据；利用m a t e r i a l i s tm i m i c s 、逆向软件g e o m a g i c 及p r o e 进行三维重建； 运用t r u e g r i d 划分网格，有限元模型由椎骨、椎间盘( 髓核、纤维环及软骨终板) 、 韧带和肌肉构成，用实体单元、梁单元和索单元进行模拟，其材料分别定义为线弹性、 粘弹性和索。在l s d y n a 中仿真，与后碰撞志愿者实验数据基本相符，从而验证了 模型的有效性。 验证后的模型用于后碰撞过程中人体颈部内、外部响应参数的分析及研究，得到 头颈部速度、加速度曲线，各椎骨间相对转角，各椎胃、椎1 1 日j 盘、韧带的应力、应变 曲线。颈部“s ”形曲线、“c ”形曲线得到很好体现：各组织应力及应变数值随时间 增长而增大，达到一定峰值后则随时间增大而减小，其峰值都发生在“s ”形、“c ” 形曲线出现阶段。各椎骨的最大应力、应变发生于椎体上，上位颈椎中c 2 应力、应 变值较大，而下位颈椎中t 1 数值最大。各髓核、纤维环、终板最大应力、应变主要 发生在其前后缘，其中髓核、纤维环最大值发生于c 7 t 1 间；终板最大应力值位于 c 4 c 5 间，最大应变值出现在c 5 c 6 间。前纵韧带c 7 t l 段的应力、应变值最大。后 碰撞易产生骨折及软组织撕裂等损伤。 关键词：后碰撞；颈椎；动力学响应；有限元；颈部损伤 厂 a b s t r a c t i nv e h i c l et r a f f i ca c c i d e n t s ，n e c ki n j u r i e si nr e a r - e n d c a rc o l l i s i o n sa c c o u n tf o r c o n s i d e r a b l ep r o p o r t i o n ，w h i c hf r e q u e n t l yo c c u rr e s u l t i n gs e v e r eo rf a t a lc o n s e q u e n c e w i t h t h ed e v e l o p m e n to fp o w e r f u lc o m p u t a t i o n a lc a p a b i l i t i e s ，f i n i t ee l e m e n tm o d e l sa r eh e l p f u l i nt h eu n d e r s t a n d i n go ft h eu n d e r l y i n gm e c h a n i s m so fi n ju r ya n dd y s f u n c t i o n ，l e a d i n gt o i m p r o v e dp r e v e n t i o n ，d i a g n o s i s ，a n dt r e a t m e n to f c l i n i c a lp r o b l e m s t h ea i m o ft h ep a p e ri st od e v e l o pa n dv a l i d a t eat h r e e d i m e n s i o nf i n i t ee l e m e n tm o d e l o fc h i n e s eh u m a nn e c kf o rd y n a m i cr e s p o n s ed u r i n gr e a r - e n di m p a c tc o n d i t i o n a5 0 t hp e r c e n t i l ea d u l th u m a nw a sc h o s e na sam o d e l t h e3 - df em o d e lo fc 1 一t 1 w a sc o n s t r u c t e db ym e a n so fs c ts c a n n i n gt e c h n o l o g yt og e td a t ao fd i c o mf o r m a t ， s o f t w a r em a t e r i a l i s cm i m i c s ，p r o et oa c h i e v et h r e e d i m e n s i o nr e c o n s t r u c t i o n ，s o f t w a r e t r u e g r i dt om e s h t h em o d e lw a sc o m p o s e do fc e r v i c a lv e r t e b r a ，d i s c s ( n u c l e u s ，a n n u l u s ， e n d p l a t e s ) ，l i g a m e n t sa n dm u s c l e s ，w h i c hc o n s i s t e de i g h t - n o d es o l i de l e m e n t s ，t w o 。n o d e c a b l ee l e m e n t sa n dh u g h e s 1 i ub e a me l e m e n t s t h em a t e r i a lp r o p e r t i e sw e r ed e f i n e da s i s o t r o p i c ，v i s c o e l a s t i ca n dc a b l e i nl s d y n a ，t h ed y n a m i cr e s p o n s eo f h u m a nn e c ku n d e r r e a r e n dc o l l i s i o nw a si n v e s t i g a t e da n dc o m p a r e dw i t he x p e r i m e n t a lr e s u l t st ov a l i d a t et h e m o d e l a p a r a m e t e rs t u d yw a sc a r r i e do u tt oi n v e s t i g a t et h eb i o m e c h a n i c a lr e s p o n s eo ft h e m o d e lu n d e rr e a r e n dc o l l i s i o ni n c l u d i n gt h ea c c e l e r a t i o n ，v e l o c i t y ，r o t a t i o n a la n g l e ，y o n m i s e ss t r e s s ，e f f e c t i v ep l a s t i cs t r a i n t h ep h e n o m e n ao ft h es - s h a p e da n dc s h a p e dw a s v i s i b l e t h r o u g ht h et i m e ，t h es t r e s sa n ds t r a i ni n c r e a s e df i r s t l y ，r e a c h i n gp e a kv a l u ed u r i n g t h ep h a s eo fs - s h a p e da n dc - s h a p e d ，t h e nd r o p p e d t h em a xs t r e s sa n dm a xs t r a i no fe a c h c e r v i c a lv e r t e b r al o c a t e do nt h ec e n t r u mo ft 1 t h em a xs t r e s sa n dm a xs t r a i no fe a c h e n d p l a t e s ，a n n u l u sa n dn u c l e u sl a yt h ef o r e s i d ea n dr e a re n d t h em a x s t r e s sa n dm a xs t r a i n o fa n n u l u sa n dn u c l e u sl o c a t e db e t w e e nc 7 一t 1 t h em a xs t r e s so fe n d p l a t e sl o c a t e d b e t w e e nc 4 c 5 ，t h em a xs t r a i nw a sb e t w e e nc 5 c 6 t h ea n t e r i o rl o n g i t u d i n a ll i g a m e n t b e t w e e nc 7 t1w a st h es i t eo ft h em a xs t r e s sa n dm a xs t r a i n f r a c t u r ea n da v u l s i o no fs o f t t i s s u em a y h a p p e ni nr e a r e n dc o l l i s i o n k e y w o r d s ：r e a r e n di m p a c t ，c e r v i c a ls p i n e ，d y n a m i cr e s p o n s e ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ， n e c ki n j u r y l 天津科技大学硕士学位论文 目录 l 绪论l 1 1 车辆交通事故中颈部损伤问题l 1 2 研究目的和主要工作1 2 颈部解剖学结构及其后碰撞生物力学3 2 1 颈部解剖结构3 2 1 1 椎骨解剖学结构一3 2 1 2 颈部肌肉的解剖结构6 2 1 3 椎间盘的解剖结构8 2 1 4 韧带的解剖结构9 2 2 颈部在后碰掩中的运动学l o 2 2 1 颈部损伤生物力学lo 2 2 2 后碰撞的运动学分析1 3 2 3 颈部损伤现象和损伤机理l3 2 4 颈部损伤准则及耐受极限1 5 2 4 1 颈部损伤准则n i c 15 2 4 2 颈部损伤准则n 和n u 1 6 2 4 3 颈部损伤准则n d c 1 6 2 4 4 颈部损伤准则i v - n i c 1 7 2 4 5 颈部承受力和弯矩的耐受限度1 7 2 5 颈部损伤研究方法及现状17 2 5 1 实验研究18 2 5 2 仿真研究一2 0 3 颈部有限元模型的建立“2 5 3 1 有限元算法基础2 5 3 1 1 控制方程”2 5 3 1 2 有限元方程”2 7 3 1 3 数值计算一2 8 3 2 有限元模型的建立2 9 3 2 1 几何模型的建立：2 9 3 2 2 有限元模型建立3 4 4 颈部有限元模犁的验证“4 3 4 1 位移载荷方法4 3 目录 4 2 加速度载荷方法4 4 4 3 讨论4 5 5 后碰撞中人体颈部生物力学响应及研究4 7 5 1 后碰撞中人体颈部生物力学响应：4 7 5 1 1 头颈整体动力学响应4 7 5 1 2 颈椎局部动力学响应4 8 5 1 3 颈部各组织应力及应变”4 9 5 2 后碰撞中人体颈部耐受性分析 5 6 5 3 后碰撞中人体颈部损伤预测及保护措施5 8 5 3 1 损伤预测“5 9 5 3 2 建议及保护措施6 1 6 结论及展望6 3 6 1 课题研究总结6 3 6 2 今后工作展望6 4 7 参考文献6 5 8 论文发表情况：”7 l 9 致谢”7 3 天津科技大学硕士学位论文 1绪论 1 1 车辆交通事故中颈部损伤问题 由于交通工具的使用，每年都在世界范围内发牛大量交通车辆碰撞事故。在美国， 2 0 0 5 年就有4 3 4 4 3 人死于交通事故，2 6 9 9 0 0 0 人在交通事故中受伤；用于处理交通事 故的费用、用于受伤者康复治疗的费用以及由于事故所造成生产损失的费用达到了 2 3 0 6 亿美元；年龄在1 6 岁到2 0 岁之间的人，交通事故中的死亡率和受伤率最高1 1 1 。 在中国，2 0 0 6 年有8 9 4 5 5 人死于交通事故，平均每天2 4 5 人。据亚洲开发银行2 0 0 5 年1 2 月发布的报告估计，中国由于交通事故所造成的损失每年超过1 2 5 亿美元，g d p 也因此减少1 3 个百分点。而且由于生活水平的提高，轿车进入家庭的速度加快，可 以预见未来几年中国的交通事故会更多，由此造成的损失也会更大。 在各种交通事故引起的损伤中，后碰撞所导致的颈部损伤占较大比例，约占3 3 左右f 2 】。生物力学研究得出，8 - m i l e h 的后部碰撞，在3 0 0 m s 甚军更短时问，使车体 产生2 g 加速度，头部产生5 g 加速度，此时传给颈部的能量会导致急性或慢性疼痛【3 】。 由后方或侧方撞击所致的颈部加速减速机制所造成的骨或软组织损伤，被称为“挥鞭 样损伤( w h i p l a s hi n j u r y ) ”。据统计，8 5 以上的挥鞭样损伤系发生于低速( 7 - 2 0 m i l e h ) 追尾交通事故中【4 j ，追尾相撞的程度越严重，发生挥鞭样损伤的可能性就越低，这并 不是指乘车者可以幸免于受伤，相反却意味着他们将面临更为严重的生命威胁。 对车辆驾驶员和乘员的保护，如进行汽车的座椅、安全带等主动和被动安全措施 的研究，从而最大限度地减轻由于冲击给他们带来的伤害，无疑具有重大的经济和社 会意义。而要实现对车辆驾驶员和乘员的保护，就必须研究当人体在受到直接或非直 接冲击时，头颈部的动力学响应，进而研究头颈部损伤与功能紊乱的机理，这些正是 冲击生物力学( i m p a c tb i o m e c h a n i c s ) 所要研究的内容。 1 2 研究目的和主要工作 有限元模型对于分析损伤及其功能紊乱的潜在机制，实现车辆驾驶员和乘员的保 护，具有重大意义。目前有限元模型分为两类：静力学和动力学研究模型。用丁二静力 学分析的模型更加注重颈椎的几何形态，往往模型只包含一两个运动节段，很少有完 整的颈椎模型；而用于动力学分析的模型常包含完整颈椎以及与其相连的椎间盘、韧 带及其它软组织。 目的是建立并验证一个基于人体解剖学结构的中国人全颈椎有限元模型，用于分 析及研究后碰撞事故中人体颈部的冲击动力学响应，获得颈部内、外部响应参数，探 讨颈部的损伤类型和机理，从而有助于防护、诊断和治疗。 主要工作如下： ( 1 ) 查阅了大量关于汽车碰撞方面的文献，系统了解相关解剖学、生物力学、 有限元方面的知识； i 绪论 ( 2 ) 建立了详细的、具有较高逼真度的人体颈部有限元生物力学模型，模型包 括：颈椎c 1 c 7 、胸椎t 1 ，椎间盘( 髓核、纤维环及软骨终板) ，前纵韧带、后纵 韧带、棘间韧带、棘上韧带、囊韧带、项韧带、黄韧带、横突间韧带等主要韧带，颈 浅肌群、舌骨上下肌群和颈深肌群等肌肉群。模型共3 5 0 4 2 个节点和2 2 6 1 8 个单元： 2 2 4 4 4 个实体单元，7 4 个索单元，1 0 0 个梁单元。其中椎骨1 9 0 2 7 个实体单元，髓核 1 1 2 个实体单元，纤维环3 0 4 个实体单元，终板8 2 3 个实体单元，韧带2 1 7 8 个实体 单元、7 4 个索单元，肌肉1 0 0 个梁单元。将其材料分别定义为线弹性、粘弹性和索。 ( 3 ) 运用两组后碰撞志愿者实验数据对所建立模型进行仿真，验证了模型的有 效性； ( 4 ) 利用验证后的有限元模型进行了后碰撞生物力学响应分析，得到人体颈部 整体、局部响应以及各组织的应力、应变曲线，通过对响应参数研究预测了颈部可能 造成的损伤，并给出相应意见和建议。 天津科技大学硕十学位论文 2颈部解剖学结构及其后碰撞生物力学 为了建立一个具有较高生物逼真度的颈部有限元模型，颈部的解剖学知识和颈部 的生物力学特性是必不可少的基础，本章将对颈部的解剖结构【5 l 和生物力学特性做简 要的介绍。 2 1 颈部解剖结构 颈椎主要由起支撑和运动作用的颈椎骨构成，椎间盘、韧带和肌肉等软组织起连 接作用。 颈椎支持头部，使头部在相当大的范围内运动，包含最上面的七块脊柱，被分别 称作c 1 一c 7 。颈椎分为上位颈椎和下位颈椎两部分。上位颈椎即通常所指寰椎、枢椎 ( 包括与寰椎相联结的枕骨部分) 及其相：巨间联系的关节、关节囊和韧带结构等；下位 颈椎即c 3 c 7 颈椎及其相互间联系的关节、关节囊和韧带结构等。枕骨部或头部称为 c o ，第一胸椎被称为t l ，它们也构成了颈部关节。图2 1 为c 1 t l 椎骨。 ( a )( b ) 图2 1c 1 - t 1 椎骨 ( a ) 主视图：( b ) 左视图；( c ) 后视图 f i g 2 - lv e r t e b r ao f c l 一t 1 ( a ) f r o m a lv i e w ，( b ) l e f tv i e w ，( c ) r e a rv i e w 2 1 1 椎骨解剖学结构 第1 、2 和第7 颈椎结构形态特殊，属于特殊颈椎。第3 、4 、5 、6 颈椎为普通颈 椎，结构相似。t 1 为第一块胸椎骨。 1 、普通颈椎 普通颈椎由椎体、椎弓和突起3 部分组成，如图2 2 所示。 椎体( c o r p u sv e r t e b r a e ) 是支持体重的主要部分。颈椎椎体呈短圆柱形，中部略 细，两端膨大。白枢椎( 颈2 ) 至颈6 椎体逐渐增大，椎体的横径约为矢状径的1 5 倍，上面略小于下面，后缘略高于前缘。相邻椎体i h j 有椎| h j 盘附着。 2 颈l l 解剖学结构及其后碰撞生物力学 椎弓( a r c u sv e r t e b r a e ) 从椎体侧后方发出，呈弓状。椎弓根短而细，与椎体后外 缘相连接，上、下缘各有一较狭窄的凹陷，称为颈椎椎骨上切迹和颈椎椎骨下切迹。 相邻两个椎骨上、下切迹形成椎间孔，有脊神经和伴行血管通过。 突起包括横突，上、下关节突和棘突。 ( 1 ) 横突颈椎的横突短而宽，较小，发自椎体和椎弓根的侧方，向外并稍向前 下。横突上面有脊神经沟，颈神经跨过其中。 ( 2 ) 关节突颈椎的关节突由上关节突及下关节突组成，左右各有一个。起于椎 弓根和椎板的连接处，位于横突后方，呈短柱状。 ( 3 ) 棘突位于椎弓的正中，呈矢状位，微斜向下方，为肌肉与韧带的附着部。 对脊柱的伸直及轻微旋转运动起杠杆作用。 ( a )【b ) 图2 - 2 普通颈椎解剖结构 ( a ) 俯视图：( b ) 右视图 f i g 2 2a n a t o m i c a lc o n f i g u r a t i o no fc o m m o n c e r v i c a ls p i n e ( a ) t o pv i e w ，( b ) r i g h tv i e w 2 、特殊颈椎 第l 颈椎：寰椎( a t l a s ) ，如图2 3 所示，位于脊柱的最上端，与枕骨相连。呈 不规则的环形。无椎体及棘突，由两侧的侧块及连结于侧块之间的前、后弓构成。枢 椎的齿突实际上即是寰椎的椎体。其上关节面朝向内上，与枕骨髁相连接形成寰枕关 节，丰要完成点头的运动功能，下关节面朝向内下与c 2 颈椎上关节面接触。 第2 颈椎：枢椎( a x i s ) ，如图2 4 所示，白椎体向上有柱状突起，称之齿状突。 齿状突长约1 4 1 6 m m ，根部较扁，前后各有一卵圆形关节面，分别与寰椎前弓的齿状 突关节面及寰椎横韧带相连。齿状突末端较尖，称为齿突尖，为齿尖韧带附着。其两 侧分别有翼状韧带附着。齿状突两侧，各有圆形关：宵面，向外侧，即与寰椎下关节突， 和第l 颈椎构成关节，椎弓根短而粗，椎板较厚，棘突粗大，末端分叉。横突短小， 不分叉，有一斜形横突孔。齿状突原属于寰椎椎体一部分，发育中与其分离并与枢椎 融合。 天津科技大学硕士学位论文 第7 颈椎：隆椎( v e r t e b r ap r o m i n e n s ) ，如图2 - 5 所示，系颈椎最下面一个，棘 突长而粗并接近水平状，但不分叉而有小结节，项韧带就附着其上。横突孔变异较多， 通常无椎动脉通过。 图2 3 寰椎解剖结构( 俯视图) f i g 2 - 3a n a t o m i c a lc o n f i g u r a t i o no fa t l a s ( t o pv i e w ) 借突， 图2 4 枢椎解剖结构 f i g 2 - 4a n a t o m i c a lc o n f i g u r a t i o no fa x i s ( a ) 节 下 图2 5 隆椎解剖结构 ( a ) 俯视图；( b ) 右视图 ( b ) f i g 2 5a n a t o m i c a lc o n f i g u r a t i o no fv e r t e b r ap r o m i n e n s ( a ) t o pv i e w ，( b ) r i g h tv i e w “2 颈邮解剖学结构及其后碰撞牛物力学 图2 - 6 第1 胸椎解刮结构 ( a ) 俯视图；( b ) 右视图 f i g 2 - 6a n a t o m i c a lc o n f i g u r a t i o no ft 1 ( a ) t o pv i e w ，( b ) r i g h tv i e w 3 、第l 胸椎 第l 胸椎( t 1 ) ，如图2 - 6 所示，由椎体、椎弓构成。椎体横截面近三角形。椎体 的后外侧上下缘与肋骨头相接的关节面叫肋凹。横突的前面也有横突肋凹，与肋结节 形成关节。棘突长，伸向后下方，临位椎骨的棘突依次掩叠。关节突明显，其关节面 位于冠状方向。 2 1 2 颈部肌肉的解剖结构 茎突舌骨肌 二腹肌后腹 胸锁乳突肌 夹肌 肩胛提肌 前斜角肌 中斜角肌 后斜角肌 肩胛舌骨 肌下腹 腹 天津科技大学硕十学位论文 图2 - 7 肌肉解剖学结构 ( a ) 侧视图；( b ) 主视图 f i g 2 - 7a n a t o m i c a lc o n f i g u r a t i o no fm u s c l e s ( a ) l a t e r a lv i e w ，( b ) f r o n t a lv i e w 颈椎的运动【6 】需要肌肉来完成，肌肉与一般软组织不同，它不但可以被动的承载， 而且可以产生主动力做功。在神经的控制下，肌肉通过自身的主动收缩而造成颈椎的 机械运动。这些肌肉按其附着部位可分为三大类。第一类为连接相邻椎骨的肌肉，这 些肌肉控制着单块颈椎的运动。第二类颈椎肌肉连接于颅骨和颈椎之间。第三类颈椎 肌肉连接于颅骨和锁骨、胸椎之f h j 。 颈部肌群主要包括颈浅肌群、舌骨上、下肌群和颈深肌群，如图2 7 所示。 1 、颈浅肌群 颈浅肌群主要包括颈阔肌和胸锁乳突肌。 颈阔肌起自胸大肌和三角肌表面的筋膜，止于口角，是典型的皮肌结构，肌肉较 薄但是覆盖面很广。 胸锁乳突肌起自胸骨柄和锁骨端，止于颞骨乳突，是颈部肌肉的主要标志。胸锁 乳突肌肌肉强大有力，斜列于颈部两侧皮下，大部分被覆盖于其他肌肉下。胸锁乳突 肌可看成由四段肌肉组成，主要功能是维持头部的正常端正姿势，当一侧肌肉收缩时 可使头部向该侧倾斜、脸转向对侧；双侧肌肉同时收缩时可使头部后仰。 2 、舌骨上、下肌群 舌骨j 二肌群主要有4 种肌肉，分别是二腹肌、上凳舌骨肌、茎突舌骨肌、颏舌骨 肌。这些肌肉丰要控制l j 部器官运动，与颈椎的运动没有关系。 舌骨下肌群的4 种肌肉是胸骨舌骨肌、胸骨甲状肌、甲状舌肌、肩胛舌骨肌。它 们均位于颈椎前部，锁骨突到咽结节之间，主要的作用是收缩时使颈部向前弯曲。 2 颁f | j 解剖学结构及其后矶掩生物力学 3 、颈深肌群 颈深肌群又可以分为； i - n 肌群和内侧肌群，其中外侧肌群作用相当重要，标志性 的肌肉就是斜角肌群。斜角肌群又可分为前斜角肌、中斜角肌、后斜角肌。它们位于 颈椎的外前侧。前斜角肌起于c 5 c 6 颈椎横突的前结节，斜向外下方延伸止于第1 肋 骨上面的斜角肌结节。中斜角肌位于前斜角肌之后，起于c 2 c 6 颈椎横突的后结节斜 向外下方延伸至于第1 肋骨上面。后斜角肌起于c 6 c 7 颈椎横突的后结节，斜向外下 方延伸止于第2 肋骨的外侧面中部。斜角肌群的主要作用是当一侧肌肉收缩时，可以 使颈椎向同侧弯曲；当两侧肌肉同时收缩时可以上提最上面两根肋骨，使胸廓变大； 如果肋骨固定，则可使颈部弯曲。 内侧肌肉群包括颈k 肌、头长肌。主要的功能是使颈部向前弯曲。 颈长肌位于颈椎和上三个胸椎椎体的前面，止于寰椎前结节和第3 胸椎椎体之间。 颈长肌两侧收缩时，能使颈弯曲；单侧收缩时，使颈同向侧弯。 头长肌居颈长肌的上方。起自c 3 c 6 颈椎横突的前结节，肌纤维斜向内上方，止 于枕骨底部的下面。双侧头长肌同时收缩时，使头向前弯曲；单侧收缩时，使头向同 侧倾。 与颈部运动有关联的背部肌肉群主要有斜方肌群和夹提肌群等。 斜方肌是颈后的主要肌肉之一，起点广阔，起自上项线、枕外隆凸、项韧带、第 7 颈椎和t 1 0 以上胸椎的棘突，止于锁骨的外侧1 3 、肩峰和肩胛冈。由于起点广阔 斜方肌可以完成多种功能，如可以使肩胛骨上提而使上肢上举。当肩胛骨固定不动时， 斜方肌对颈椎和头部起主要作用。当两侧斜方肌同时收缩时，颈椎伸展，头部后仰。 当只有一侧斜方肌收缩时，头部后仰，颈部伸展，脸转向对侧。 夹提肌群位于斜方肌后部，包括肩胛提肌和夹肌。肩胛提肌起白上4 个颈椎止于 颞骨乳突和第1 3 颈椎横突。夹提肌双侧同时收缩，颈椎伸展；单侧收缩，头部侧倾 旋转，颈部伸展。 2 1 3 椎间盘的解剖结构 椎间盘在相邻锥体间起着缓冲垫的作用，在各种不同的载荷下，产生相应的变形 来吸收冲击能量，稳定颈椎。颈部椎间盘存在于c 2 到c 7 颈椎间，共5 个。单个椎间 盘，如图2 8 所示，都是由髓核、纤维环和软骨终板组成，具有受压、受拉、受弯、 受扭、受剪等多种力学特性。髓核中7 0 9 0 的成分是水，占据了4 0 6 0 椎间盘 的空间。纤维环位于髓核四周，是薄层的、各向异性的结构。纤维环可以分为内外两 层，内层连接软骨终板，外层连接椎体。软骨终板在椎体上下各一个，可以承受压力。 三部分形成一个密封的有弹性的液体容器，在颈椎运动时，通过椎问盘的变形来分散 压力，缓冲震荡。 天津科技大学硕十= 学位论文 ( a ) 髓核 纤维环 图2 - 8 椎i 司盘解剖学结构 ( a ) 俯视图；( b ) 侧视图 f i g 2 8a n a t o m i c a lc o n f i g u r a t i o no fd i s c s ( a ) t o pv i e w ，( b ) i a t e r a lv i e w 2 1 4 韧带的解剖结构 颈椎的韧带具有多种生理功能：首先要保证准确的生理运动及固定相邻锥体的位 置姿势，提高整个颈椎的稳定性；其次要限制过度的运动以保护脊髓；最后，在高速 大载荷的创伤环境中保护脊髓。 颈椎中主要的韧带有前纵韧带，后纵韧带，黄韧带，项韧带、棘上韧带、棘间韧 带和横突间韧带等等。如图2 - 9 所示。 棘上韧带 赫间韧带 项韧带 韧带 韧带 韧带 图2 - 9 颈椎中的主要韧带 ( a ) 右视图；( b ) 俯视图 f i g 2 - 9a n a t o m i c a lc o n f i g u r a t i o no fp r i m a r yl i g a m e n t s ( a ) r i g h tv i e w ，( b ) t o pv i e w 前纵韧带：( a n t e r i o rl o n g i t u d i n a ll i g a m e n t ) 为全身最长的韧带，很坚韧，位于锥体 的前面，上自枕骨大孔前缘，下达第l 或第2 骶椎骨，与椎体边缘及椎问盘结合较紧。 前纵韧带有防止脊柱过伸和椎间盘向前脱出的作用。 后纵韧带：f p o s t e r i o rl o n g i t u d i n a ll i g a m e n t ) 位于各椎体和椎间盘的后面( 椎管前 臂) ，它较前纵韧带狭窄，起自枢椎，终于骶管前臂。它有限制脊柱过分前屈和防止 2 颈_ | j 解剖学结构及其后伺i 撞，卜物力学 椎间盘向后脱出的作用。 黄韧带：( 1 i g a m e n tf l a v a ) 又称弓间韧带，是连接相邻椎弓后部的韧带，由弹力纤 维构成，坚韧且富有弹性。黄韧带协助围成椎管，并有限制脊柱过分前屈的作用。 棘上韧带：( s u p r a s p i n a ll i g a m e n t ) 是连结胸、腰、骶椎各棘突的纵行韧带，能限制 脊柱过屈。 棘间韧带：( i n t e r s p i n a ll i g a m e n t ) 连结于各棘突之间，后接棘上韧带或项韧带。 项韧带：( 1 i g a m e n tn u c h a e ) 为在项中线呈矢状位的板状韧带，由弹力纤维构成， 向上附着于枕外隆突，向下附着于第7 颈椎棘突，续于棘上韧带，其后缘游离，前缘 附着于棘突。 横突间韧带：( i n t e r t r a n s v e r s el i g a m e n t ) 位于相邻的横突之间。 2 2 颈部在后碰撞中的运动学 2 2 1 颈部损伤生物力学 生物力学是根据已经确定的力学原理来研究生物体中力学问题的学科。是力学、 生物学、医学等学科之间相互渗透的边缘学科，它将这些学科的基本原理和方法有机 的结合起来，体现了近代科学的发展。 对于生物力学的研究有着悠久历史，许多著名科学家在此领域做出了卓越贡献【7 j 。 g a l i l e i ( 1 5 6 4 1 6 4 2 ) 发现了施加载荷与骨形态之间的关系 h a r v e y ( 1 5 7 8 1 6 5 8 ) ：发现了血液循环 b o r e l l i ( 1 6 0 8 1 6 7 9 ) ：测量了肌肉运动 e u l a r ( 1 7 0 7 1 7 8 3 ) ：发现了血管壁压力波的传播 p o i s e u i l l e ( 17 9 9 18 6 8 ) ：发明了测量血压的方法 损伤生物力学是牛物力学的一个重要分支。损伤生物力学【8 。】亦称为碰撞生物力 学，其定义如下：在交通碰撞事故过程中，人体暴露在一个机械冲击载荷环境中，在 惯性力和接触力作用下，人体各部分组织将产生一定的生物力学响应。若生物力学响 应使人体组织超过可以恢复的限度或导致解剖学组织破坏或使正常生理功能变化或 丧失，就会造成人体损伤。人体组织在碰撞过程中所包含的有关力学问题就成为损伤 生物力学。生物体结构的生物力学功能和在外界载荷下的生物力学响应是损伤生物力 学研究的重点之一。 颈部的生物力学功能是支撑头部，将头部载荷传递给躯干，完成头颈部运动，保 护脊髓。头颈部的运动主要由颈椎椎骨和韧带组成的关节完成，同时各种软组织提供 缓冲、减震和约束的功能。颈部主要关节包括寰枕关节、寰枢关节、小关节和钩椎关 节。 1 、寰枕关节 由头部的枕骨髁与寰椎侧块的上关节凹构成，关节面上覆有软骨，周围由松弛的 关节囊包裹。寰枕关节是一种单纯滑液性关节，上关节凹的侧向边缘防止了头部的侧 天津科技大学硕i ：学位论文 向滑移；上关节凹的前后边缘防止了头部的前后向滑移。此关节只允许头部相对于寰 椎的弯曲或伸展运动。当枕骨髁绕着寰椎的上关节凹的前侧边缘向前转动同时向后滑 移时就产生了头部相对于寰椎的弯曲运动，伸展运动的运动方式中枕骨髁绕寰椎的旋 转方向和滑移方向均相反。头部相对于寰椎的运动，如图2 1 0 所示。 伸晨 弯曲 图2 10 头部相对于寰椎的运动 f i g 2 - l0t h er e l a t i v em o v e m e n to fh e a da n da t l a s 2 、寰枢关节 图2 11 寰枢关节的旋转运动 f i g 2 11t h er o t a t i o n a lm o v e m e n to fa t l a sa n da x i s 由寰椎和枢椎构成，包括两个运动副：一是旋转运动副，由寰椎齿突凹、寰椎横 韧带和枢椎齿突构成，其中枢椎齿突深入寰椎齿突凹中，被寰椎前弓和横韧带所约束， 因此寰椎只能绕齿突旋转；另一个是由寰椎侧块的下关节面与枢椎的上关节面构成的 滑动运动副。因此寰枢关节的主要作用是允许轴向的两侧沿着滑动运动副作滑移运 动，如图2 1 1 所示。 3 、小关节 又称关节突关节，从枢椎开始向下，相邻两块椎骨中上位椎骨的下关节突与下位 椎骨的上关节突形成关节面，如图2 。2 至2 - 6 所示，然后被关：符囊包裹构成。小关节 的关节面较平，向上约呈4 5 。倾斜，这种特殊的关竹形成决定了小关仃主要起到引导 和限制运动节段运动方向的作用。 4 、钩椎关节 在下5 个颈椎体之间，由椎体上面两侧缘向上突起的椎体钩与上位椎体下面两缘 的陷凹构成。关节的周缘有滑膜囊包绕，如图2 1 2 所示。 关节囊 图2 1 2 钩椎关节 f i g 2 12t h el u s c h k aj o i n t s 由于以上关节和其它软组织共同作用，头颈部的基本运动可分为四类：弯曲、伸 2 颈部解剖学结构及其后碰撞牛物力学 展、侧弯和旋转，如图2 1 3 所示。从生物力学角度分析，颈椎的曲伸运动是可以单独 存在的，而其侧弯与旋转却是两者相互关联的，即在侧弯时必然伴有旋转，旋转也必 然伴有侧弯，这是一种共轭现象。从运动学角度看，颈部的上位颈椎完成头颈部的点 头和旋转运动，下位颈椎主要允许颈部曲伸和带旋转的侧弯运动。 喻印 弯曲伸展侧弯旋转 图2 一1 3 颈部的四类基本运动 f i g 2 一l3f o u rb a s i cm o t i o no fn e c k 颈部各节颈椎都有一定活动范围，见表2 1 。 表2 1 颈椎生理运动范围 t a b 2 - 1t h e r a n g eo fn e e kp h y s i o l o g i c a lm o t i o n 颈部所承受的机械载荷为：弯矩、压力、拉力、扭矩、剪切力。如图2 一1 4 所示。 弯矩压力 拉力扭矩剪切力 图2 一1 4 颈部承受的机械载荷 f i g 2 14m e c h a n i c a ld e s c r i p t i o no fn e c kl o a d i n g 大津科技大学硕士学位论文 2 2 2 后碰撞的运动学分析 后碰撞中人体头颈部响应【l 仉1 1j 的运动情况可以分为三个阶段，如图2 1 5 所示。 第一阶段：回收伸展( r e t r a c t i o n e x t e n s i o n ) 在碰撞瞬间，车身有一个向前的加速度，由于靠背的阻碍和头部的惯性，躯体胸 部向前运动并有上提的趋势，而头部水平向后运动，导致出现颈椎下部伸展而上部弯 曲的反“s 形出现，此时下部颈椎受到较大的剪切力和转矩作用，椎间盘均受到轴 向压缩，随后头部继续后仰，整个颈部伸展。 第二阶段：向前的运动( f o r w a r dm o v e m e n t ) 在有头枕的情况下，头部与头枕接触并继续后仰，但是头枕的存在阻止了这种趋 势的继续，在头枕的反弹作用下，头部开始向前运动。如果没有头枕，头部将进一步 后仰，颈部伸展达到极限。然后开始反向运动。 第三阶段：拉伸弯曲i 漫$ 1 j ( p r o t r a c t i o n f l e x i o nr e s t r a i n t ) 在向前运动超过正常位置后，头颈部继续向前运动，并带动躯干向前，胸部接触 到安全带，人体开始在安全带约束下向前运动，此时颈部开始向前弯曲，并处于拉伸 状态，直到头部运动达到极限。上述运动响应过程是追尾碰撞的典型运动过程。其中， 后两个过程被总称为“回弹过程( r e b o u n dp h a s e ) ”。 第一阶段第二阶段第三阶段 _ - _ - _ i _ _ - - _ _ - - _ o 昏p 魄 图2 1 5 后碰撞中人体头颈部运动 f i g 2 - 15n o r m a lp h a s e so fr e a r e n di m p a c t 2 3 颈部损伤现象和损伤机理 由于颈椎本身结构的特殊性和功能的重要性，在交通事故中往往在与头部一起的 惯性运动中发生各种形式的伤害。颈部损伤可以分成三种程度【l2 1 。第一种是轻微的伤 害：颈部僵硬或些许疼痛；第二种是较严重的损伤：颈部动作范围到达极限，引起肌 肉与骨骼损伤；第三种是最严重的损伤：由于骨折错位或者外物刺入导致神经系统受 损，机体部分功能丧失，甚至瘫痪。 大部分颈部损伤为轻微伤害，a i s 分级为1 级，这一级别损伤困外称为m i n o r i n j u r y ，其中最主要的足在后碰撞中普遍出现的“挥鞭伤”( w h i p l a s hi n j u r y ) 。这类伤 害的损伤机制是加速和减速过程中能量传输到颈部造成损伤。挥鞭伤主要出现在车辆 的追尾碰撞和