（车辆工程专业论文）颈椎建模方法及模型应用研究.pdf

硕士学位论文 摘要 汽车交通事故每年都给世界各国造成了巨大的人员伤亡和社会经济损失。其 中，颈部损伤是交通伤中最为常见的损伤之一，已经引起了各国政府和研究者的 高度重视。各国研究者先后采用了各种方法对颈部损伤机理进行研究，以期望利 用其研究结果指导汽车乘员约束系统的开发与设计。计算机仿真方法是目前比较 普遍和成本最低的方法。该方法的关键就是如何快速建立一个解剖结构完整、生 物逼真度高的颈部有限元模型。 本文通过对大量参考文献和前人工作的研究与总结，对颈椎建模方法进行了深 入研究，提出了一套快速颈椎建模方法。目前，几何尺寸建模法和三坐标建模法比 较常见。但是，几何尺寸建模法的建模精度较低，三坐标建模法的成本较高、容易 丢失特征信息且建模效率也是相当低的。因此，本文研究采用的是c t 建模方法， 该方法不仅克服了以上缺点，而且还确保了数据均来源于活体，保证了数据的准确 性。映射网格划分方法也是本次建模的一大特点。它能够有效控制网格单元质量和 数量，保证模型的计算精度，大大缩短模型计算时间。多类别数据模型验证更是保 证了模型的有效性和应用广泛性，弥补了以往单一数据验证的局限性。 本文首先利用c t 断层扫描系统对国人5 0 百分位体型志愿者的颈椎进行扫 描，获得颈部二维c t 图像。然后通过对人体颈椎解剖结构的研究，利用m i m i c s 软件对c t 图像进行处理，提取颈椎的点云数据，并利用点云数据完成人体颈椎 几何模型的重构。通过对比分析表明，该颈椎几何模型的解剖结构表达完整，几 何轮廓准确的反映了颈椎的真实结构，建模速度较快。 在h y p e r m e s h 软件平台上对颈椎几何模型进行有限元的前处理工作，完成颈 椎有限元模型的建立。该模型对颈椎椎骨、韧带、椎间盘和肌肉等解剖结构进行 了准确细致的模拟。为了保证模型的有效性，本文对颈椎模型进行了头颈坠落离 体试验和前、后碰撞试验验证。验证结果表明，该模型具有良好的生物逼真度， 能够作为颈椎损伤机理研究的有效工具。 本文将该颈椎模型与韦恩州立大学所建立的人体模型进行耦合。经过耦合后 的韦恩人体模型在颈部方面得到了明显的改进，克服了此前颈椎结构简单、碰撞 情况下颈椎动态响应描述不准确、有效仿真结果输出缺乏等缺点。最后，本文以 前碰撞为例，采用该模型对人体颈椎响应进行了分析研究。研究结果表明，该模 型能够比较准确细致的对人体颈椎在碰撞条件下的响应进行描述，并能输出足够 的结果数据进行颈部损伤机理研究。 关键词：生物力学；c t 扫描；颈椎模型；建模方法 颈椎建模方法及模型应用研究 a b s t r a c t a l lt h ec o u n t r i e si nt h ew o r l da r es u f f e r i n gl o t so fc a s u a i t i e sa n de c o n o m i cl o s s r e s u l t i n gf r o mt r a f f i ca c c i d e n t se v e r yy e a r n e c ki n j u r yi so n eo ft h em o s tc o m m o n t r a f f i ci n j u r i e sa n dh a sa r r e s t e dh i g h l ya t t e n t i o n sf r o mg o v e r n m e n t sa n dr e s e a r c h e r s i no r d e rt og u i d et h ed e v e l o p m e n to ft h ep a s s e n g e rr e s t r a i n ts y s t e m ，r e s e a r c h e r sh a v e a d o p t e dv a r i o u sm e a s _ u r e st oi n v e s t i g a t et h ei n j u r ym e c h a n i s mo fn e c ki n j u r yi nt h e v e h i c l ec r a s h a tp r e s e n t ，s i m u l a t i o ni st h em o s tc o m m o na n dl o w e s tc o s tm e t h o d t h e k e yo ft h i sm e t h o di sh o wt od e v e l o pad e t a i l e df en e c km o d e lw i t h9 0 0 db i o f i d e l i t y r a p i d l y ag r e a tn u m b e ro fr e f e r e n c e sa n d p r e d e c e s s o r s a c h i e v e m e n t sh a v e b e e n r e v i e w e da n ds u m m a r i z e d a tp r e s e n t ，t h ec o m m o nm o d e l i n gm e t h o d sa r eg e o m e t r i c a l m e t h o da n dt h r e e - d i m e n s i o n a lm e a s u r i n gm e t h o d h o w e v e r ，t h ea c c u r a c yo ft h e m o d e lb u i l tb yt h eg e o m e t r i c a lm e t h o di sp o o r t h et h r e ed i m e n s i o n a lm e a s u r i n g m e t h o di sl o we f f i c i e n c y ，t o oc o s t l ya n dl o s i n gf e a t u r ei n f o r m a t i o ne a s i l y t h e r e f o r e ， ar a p i dm e t h o df o rh u m a nn e c km o d e l i n gb a s e do nc tm e t h o dw a sp r o p o s e di nt h i s p a p e r t h i sm e t h o dc a no v e r c o m et h o s ed e f e c t s a tt h es a m et i m e ，a st h ed a t aw a s g o t f r o mal i v i n gv 0 l u n t e e r ，g o o da c c u r a c yc a nb ee n s u r e d m a p p e dm e s hm e t h o dw a s u s e di nt h i ss t u d y i tc a nc o n t r o lt h eq u a l i t ya n dn u m b e ro ft h em e s ht oe n h a n c et h e p r e c i s i o no fr e s u l ta n dr e d u c ec o m p u t a t i o n a lt i m el a r g e l y t h em o d e lw a sa l s 0 v a l i d a t e db yv a r i o u se x p e r i m e n t a ld a t aa v a i l a b l e s o ， t h el i m i t a t i o n0 f s i n g l e v a l i d a t i o nc a nb ep a r t l yr e m o v e d t h ec ts c a ni m a g e so ft h ev e r t e b r a so fac h i n e s eh e a l t h y5 0 。hp e r c e n t i l ea d u l t m a l ev o l u n t e e rw e r eu s e dt og e tt h ec o o r d i n a t ed a t ao ft h ec e r v i c a ls p i n e t h e n ，t h e c e r v i xa n a t o m i cs t r u c t u r ew a ss t u d i e da n dt h ec t i m a g e sw e r ed e a l e dw i t hb yu s i n g m i m i c ss o f t w a r e a f t e r t h a t ，ap o i n tc l o u dt h a tc a nb eu s e dt or e c o n s t r u c tac e r v i c a l g e o m e t r ym o d e lw a se x t r a c t e d t h ec o m p a r a t i v ea n a l y s i si n d i c a t e st h a tt h i sg e o m e t r y m o d e lh a sad e t a i l e da n de x a c ta n a t o m i cs t r u c t u r e ，a n dt h i sr e c o n s t r u c tm e t h o di sa l s o f a s t h y p e r m e s hs o f t w a r ew a su s e dt od e v e l o pt h ec e r v i xf i n i t ee l e m e n tm o d e l t h em o d e li n c l u d e sv e r t e b r a ，l i g a m e n t ，i n t e r v e r t e b r a ld i s c ，m u s c l ea n ds oo n t h e r e s u l t so ft h ec e r v i c a ls p i n ed r o pt e s t ，t h ef r o n tc r a s ht e s ta n dt h er e a fc r a s ht e s tw e f e u s e dt od ot h ev a l i d a t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a tt h em o d e lh a sg o o db i o f i d e l i t ya n d c a nb eu s e di nf u r t h e rs t u d y 硕士学位论文 t h ec e r v i xm o d e lw a sc o u p l e dw i t ht h eh u m a nb o d ym o d e ld e v e l o p e db y w r a y n es t a t e u n i v e r s i t y t h e n ，t h e ，a y n em o d e lh a da no b v i o u si m p r o v e m e n ti n c e r v i x m a n yd e f e c t s ，s u c ha st h en e c km o d e lw a s t o os i m p l e ，t h ed y n a m i cr e s p o n s eo f t h en e c kw a sn o te x a c td u r i n gc r a s h ，a n dt h eo u t p u td a t aw e l en o te n o u g h ，w e r e o v e r c o m e d a tl a s t ，t h i sm o d e lw a sa d o p t e dt oa n a l y z et h er e s p o n s eo ft h en e c ki nt h e f r o n tc r a s h t h er e s u l t ss h o wt h a tt h i sm o d e lc a ne x a c t l yd e s c r i b et h er e s p o n s eo ft h e h e a da n dn e c kd u r i n gc r a s ha n de n o u g hr e s u l td a t ac a nb eg e tt od ot h es t u d yo ft h e n e c ki n ju r ym e c h a n i s m k e yw o r d s ： b i o m e c h a n i c s ；c ts c a n ； c e r v i xm o d e l ； m o d e l i n gm e t h o d 湖南大学 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。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的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： 缎日期：汐口年f 月衫自 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。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名 导师签名 日期：坶年仁月r 日 日期：硝午月矿日 硕士学位论文 第1 章绪论 随着现代化建设和交通运输业的迅猛发展，因汽车交通事故造成的人员伤亡 数目正逐年迅速增长。据统计【1 】我国1 9 5 1 年因车祸造成8 5 2 人死亡，5 1 5 9 人受 伤；1 9 7 8 年，死亡人数为1 9 0 9 6 人，受伤人数为7 7 4 7 1 人；1 9 9 7 年死亡人数已经 高达7 3 8 6 1 人，受伤人数为1 9 0 1 2 8 人。到了2 0 0 3 年，全球每年在车祸中的死亡 人数已超过1 0 0 万，受伤1 5 0 0 万，而且道路交通伤的发生还有不断增多的趋势【孙。 交通事故已然成为了“人类第一公害”。如何提高汽车安全性，保障人民的生命财 产安全问题成为了各国科学家亟需解决的问题。对此，各国研究者一直不断运用 各种不同的方法进行各种深入的研究以提高汽车的安全性能，从而实现对乘员和 行人的有效保护。本课题旨在从损伤生物力学的角度，通过建立一个生物逼真度 高的全颈椎有限元模型，为颈部在汽车碰撞中的损伤机理研究提供有效的工具， 进而为汽车结构设计提供可靠依据。 1 1 颈部损伤研究背景及意义 颈部损伤是所有汽车碰撞事故造成的交通伤中最常见的损伤之一，尤其是在 安全带和安全气囊得到广泛应用以后，颈部损伤出现了明显的上升趋势。瑞典 v r o l v o 公司对1 6 5 9 6 例交通伤病人的统计资料表明【2 1 ，颈部损伤在交通伤中所占比 例较高，追尾时达到了3 8 ( 5 3 1 1 3 9 8 ) 。据o n o 和k a n n o 统计【3 j ，在日本5 0 的车辆碰撞事故中都造成了颈部的损伤。1 9 9 0 年，h e l l 等人对德国1 5 0 0 0 例汽车 碰撞事故所造成的交通伤进行了数据统计，统计结果表明颈部损伤所占比例高达 5 4 ，这一统计结果与o n o 和k a n n o 的统计结果十分相近【甜。根据澳大利亚研究 者的研究报告，r y a n 和g i b s o n l 5 l 估计澳大利亚每年交通事故造成了3 万人颈部损 伤，平均每1 0 万人就有1 6 7 人存在不同程度的颈部损伤。在近十年里，英国因交 通事故造成的颈部损伤也增加了一倍1 4 1 。在美国，每年有6 6 的身体损害保险索 赔都涉及到了颈部伤害1 6 j 。 颈部损伤不仅对伤者造成了身体和精神上的伤害，还对社会造成了巨大的经 济损失和负担。如在美国，包括医疗保险、残障、病假和丧失工作能力在内的颈 部损伤相关费用每年差不多有3 9 亿美元，如果算上上诉费用，这个数目将超过 2 9 0 亿美元【2 1 。上世纪九十年代初期，德国因颈部损伤造成的经济损失高达7 亿欧 元1 4 1 ，到了2 0 0 0 年，德国因此而造成的经济损伤上升到了2 0 亿德国马克【7 1 。1 9 9 5 年，加拿大i c b c ( 卑诗省汽车保险公司) 用于赔偿因汽车交通事故造成的颈部 损伤金额高达5 9 亿美金1 8 】。而在总人口只有1 6 0 0 万的荷兰，每年因颈部损伤而 颈椎建模方法及模型应用研究 造成的经济负担达3 亿欧元【4 1 。澳大利亚每年用于颈部损伤的费用约5 4 亿美元， 该费用仅比其它所有交通伤所花费的总和少1 0 【引。 近年来，我国汽车工业迅速发展，汽车产销量大幅度增加，到2 0 0 6 年底，我 国民用汽车保有量达到4 9 8 5 万辆，大量的汽车、不健全的交通法规以及落后的汽 车安全技术等因素造成了我国交通事故发生率在迅速攀升，交通事故死亡率更是 居世界之首【9 1 。根据交通部统计结果，我国交通事故死亡人数占全球1 5 。因此， 通过对颈部和其他身体组织器官损伤机理和耐受限度的研究，来指导汽车结构安 全设计，进而降低甚至消除乘员颈部损伤及其他交通损伤，具有明显的经济和社 会意义。 1 2 颈部损伤研究内容和方法 1 2 1 颈部损伤研究内容 随着颈部损伤研究的不断深入和发展，颈部损伤的研究已经逐渐发展成为一 个庞大的体系，它所涉及的研究领域越来越为广泛。目前颈部损伤研究主要包括 了汽车碰撞事故调查研究、临床研究、尸体试验研究、志愿者试验研究、生物材 料试验研究以及仿真试验研究。 1 汽车碰撞事故调查研究主要是指对所有可能影响颈部损伤的事故特征进 行统计分析对比研究，如碰撞形式、碰撞速度、是否系安全带和乘员特征等等。 目前，各国事故调查研究者通过调查分析得出了以下结论： ( 1 ) 颈部损伤的发生概率与汽车的碰撞速度有很大关系。在后碰撞情况下， 当速度低于1 5 k m h 时，颈部损伤发生概率为5 3 ：当速度在1 6 2 5 豇n h 时，颈部 损伤发生概率为3 5 ；当速度高于2 5 k m h 的时候，颈部损伤发生概率为1 2 【1 0 】； ( 2 ) 颈部损伤的严重程度与碰撞形式和速度有关，其中后碰撞中颈部损伤最 为严重【1 1 】； ( 3 ) 在同等条件下，女性乘员要比男性乘员更容易发生颈部损伤【1 2 1 ； ( 4 ) 在碰撞发生前就已经意识到了碰撞即将发生将有利于颈部的保护，降 低颈部损伤f 1 3 】； ( 5 ) 安全带的使用有可能增加颈部损伤现象发生的概率【1 2 】； ( 6 ) 乘员座椅的特性对颈部损伤的影响要比汽车的结构对颈部损伤造成的 影响更大f 1 4 j ； ( 7 ) 座椅头枕对降低颈部损伤有比较明显的作用，根据n y g r e n 的调查发现， 在后碰撞情况下，固定头枕的使用可以使颈部损伤的风险降低2 4 ，可调整的头 枕使用后，颈部损伤的风险降低了1 4 【1 5 】： ( 8 ) 前排乘员的颈部损伤风险要高于后排乘员，乘员的颈部损伤风险随着乘 2 硕士学位论文 员身高的增加而升高【1 5 】。 2 临床的研究结果表明，4 5 9 的颈部损伤病症在事故发生1 小时内病发， 2 8 6 的是在事故发生后的2 4 小时内出现，另外的2 5 5 则是在事故发生2 4 小时 后才表现出来【4 1 。目前，很多传统治疗手段对颈部损伤的疗效已经达不到预期效 果了。对于一些颈椎疼痛患者，采用一般的x 射线扫描手段已经找不到任何病痛 原因。实际上，当采用x 射线等医疗手段不能发现颈部疼痛根源时，该患者很有 可能已经成为了慢性颈椎病患者了。根据o n ok 的调查发现，1 4 4 2 的颈部损伤 患者将发展成为慢性颈椎病患者，而且接近1 0 的患者将承受长期的不确定的颈 椎疼痛【3 1 。1 9 9 3 年，l o r d 等人认为这种慢性颈椎疼痛5 0 都是由于椎体的关节突 造成的【1 6 r 。随后，l o r d 等人采用双盲法麻醉封闭实验获得了充分有力的实验数据 证明自己的理论假设【1 7 1 。 3 尸体试验是颈部损伤研究的主要组成部分，利用该试验可以获得颈部在多 种碰撞速度条件下颈椎各椎体的动态响应数据，还可以获得全颈椎在动态载荷条 件下的动态响应数据。通过对试验后尸体的解剖，还可以帮助我们了解颈部各软 组织的损伤情况，从而获得人体颈部的耐受限度。 4 志愿者试验是尸体试验的一个补充和完善，该试验弥补了尸体试验缺乏主 动肌肉力和人在碰撞情况下的条件反射的缺陷。利用高速摄像拍摄下的志愿者试 验将更进一步帮助研究人员了解颈部在碰撞条件下的响应情况。 5 生物材料试验研究是颈部损伤研究的一个重要组成部分。一方面通过对生 物材料的研究，将有助于了解颈部各组织结构的生物力学特性，帮助研究者确定 颈部耐受限度；另一方面可以为颈部模型仿真研究提供材料参数，帮助建立生物 逼真度高的颈椎仿真模型。 6 仿真试验研究是研究颈部损伤的一个比较有效的手段。利用生物材料试验 研究所获得颈部生物材料参数，可以帮助研究者建立一个能准确反映在碰撞条件 下颈椎动态响应情况的颈椎模型。尽管利用仿真模型可以对颈椎在动态载荷条件 下的动态响应情况进行准确模拟，但是现在仍然不能足够准确的描述颈椎软组织 的损伤机理【1 8 】。 1 2 2 颈部损伤生物力学研究方法 颈部损伤生物力学是一门涉及面广的、多学科相互融合的边缘学科，它涉及 到了汽车工程学、生物力学和医学等多个领域学科。a n o 曾对损伤生物力学的 研究目的和研究方法进行了如下定义：“损伤生物力学的研究目的是了解人体的损 伤过程并研究人体在受到过载荷时的防护方法【”】。为了达到这个研究目的，研究 者必须了解损伤类别、人体的损伤机理、不同载荷条件下人体各组织和器官的响 应、人体的耐受限度；研制出防护装置和材料来降低人体的受伤程度；开发出可 3 颈椎建模方法及模型应用研究 用来代替人体进行生物力学试验的机械假人和数学模型。 为了切实有效的实现颈部损伤生物力学的研究目的，各国科学家在研究的过 程中总结并采用了多种有效的研究方法来对颈部的损伤机理进行研究，其中包括 了尸体试验、志愿者试验、假人模型试验和数学模型仿真试验。 1 尸体试验：尸体试验也称为体外模型试验。它是采用人和动物的尸体标本 来进行相关的试验。当试验中解剖因素占据比较重要的地位时，通常需要使用此 类试验，也是使用最为频繁的一种研究方法【2 们。以没有处理过的人体尸体作为试 验的标本所获取的试验数据将具有非常高的价值。因为这种标本与活体几乎没有 多大的差异，他们的肌肉和韧带等软组织仍然具有丰富的弹性，力学性能没有发 生大的变化。p c i v a n c i c 和p a n j a b i 等人利用颈椎标本进行了后碰撞模拟试验，在 试验中采用了加速度传感器对台车加速度进行监控，以保证试验的有效性和准确 性【2 1 1 。同时，采用高速摄像以5 0 0 帧秒的速率对颈椎动态响应过程进行了拍摄记 录。而动物与人体在结构上虽然有着比较明显的差异，但是动物的某些组织结构 和人体还是有很大的相似之处。因此，通过动物试验来对人体的某些组织结构进 行研究仍然具有一定可行性和有效性。1 9 9 3 年，瑞典学者s v e n s s o n 等人采用猪 作为试验标本，在试验中对标本进行快速的颈部屈伸运动，然后测量中枢神经系 统的压力，并作组织病理学检测【2 2 1 。该试验结果很好的验证了a l d m a n 提出的颈 椎在快速伸屈运动时产生的短暂压力阶差导致了颈椎神经根区损伤的假设。 2 志愿者试验：志愿者试验是以活的人体来进行试验的，因此该试验中所获 得的颈部响应情况将与真实碰撞碰撞中的颈部响应情况保持很高的相似性。但是 志愿者试验受到了医学伦理学的强烈限制，试验必须在保证志愿者不受损伤的情 况下进行，因此，该类试验通常是低速碰撞试验，其应用范围具有一定的局限性。 然而，该试验数据可以用于假人模型和数字化模型的验证。目前比较典型的志愿 者碰撞试验有e w i n gc 在美国海军生物力学实验室进行的加速度峰值分别为1 5 9 和7 9 的正面志愿者碰撞试验及侧面志愿者碰撞试验【2 3 1 。 3 假人模型试验：假人模型是通过采用类似人体生物材料的合成材料来对人 体进行模拟，该类模型主要是追求模型的力学响应与真实的人体一致，基本忽略 了人体的解剖特征和生理特点，因此该模型试验更多的是应用于人体损伤情况的 研究，用于损伤机理的研究比较少。假人模型家族中的h y b r i d i 是一款比较经典 的假人模型，该模型已经被各高校、研究所和汽车公司广泛应用于人体生物力学 等研究工作了。但是日本研究者y o s h i d a 认为，该假人的颈椎硬度比正常人的要 大些，在撞击速度较低的试验中得出的结果敏感性较差【2 4 1 。m c c o n n e l l 等人发现 在志愿者碰撞试验过程中，人体的脊柱有一个由弯变直的响应过程，从而使得头 部产生一个向上的位移，而该假人模型的颈椎却无这一过程【d j 。d a c i d s s o n 等人 和沃尔沃汽车公司开发了一种生物仿真度较高的后碰撞假人模型b i o r i d 【2 6 】。经 4 硕士学位论文 过不断的发展和改型，b i o r i d 假人模型已经由b i o r o da 型发展到了b i o r i dp 3 型，模型的逼真度已经具备了相当高的水平。 4 数学模型仿真试验：根据数学模型所基于的理论知识不同，数学模型主要 分为集中参数模型、多刚体模型和有限元模型。 ( 1 ) 集中参数模型 集中参数模型是一种简化的数学模型，它将头、颈、躯体分别采用一维阻尼 弹簧单元进行模拟，并通过铰链将各部分连接起来，人体的质量则集中到各节点 上。该模型虽然比较简单，但是在颈部的早期研究中发挥了比较重要的作用。集 中参数模型如图1 1 所示【2 6 】： 图1 1 集中参数模型 ( 2 ) 多刚体模型 多刚体模型是基于多刚体系统动力学理论而建立的。模型由多个刚体组成， 每个刚体有六个自由度，三个平动，三个转动。刚体之间通过铰链连接在一起， 每一种链接形式都对应着一个动力学约束模型，它定义了基于铰运动的摩擦、阻 尼和弹性特性。d ej a g e r 曾先后建立了两个生物逼真度较高的颈部多刚体模型， 尤其是第二个模型比较完整的描述了颈部的解剖结构。整个模型包括了定义成刚 体的椎骨和头骨，线性粘弹性的椎间盘，非线性粘弹性的韧带，肌肉以及非线性 粘弹性的小关节。该模型具有良好的生物特性，很好的描述了真实碰撞中假人的 运动学和动力学响应。多刚体模型如图1 2 所示【2 6 1 。 ( 3 ) 有限元模型 早在1 9 7 2 年b r e k e l m a n s 等人就已经开始将有限元法应用到损伤生物力学的 研究当中【2 7 1 。然而，早期计算机水平比较落后，计算机的处理速度比较低，所能 处理的数据量有限，从而在一定程度上限制了有限元模型在损伤生物力学中的发 展。直到上世纪九十年代，随着计算机水平得到了迅速发展，颈部有限元模型也 相应得到了很大发展，许多颈部损伤问题都可以通过有限元模型解决。而且有限 5 颈椎建模方法及模型应用研究 元模型具有计算成本低，重复性和再现性好的特点。比较典型的有限元模型有 1 9 9 8 年y a n g 等人建立的有限元颈部模型，该模型比较准确细致的对颈椎的各解 剖结构进行了模拟，验证结果表明该模型具有良好的生物逼真度，y a n g 等人运用 该模型进行了安全气囊对颈部损伤所造成的影响的研究【2 8 1 。2 0 0 5 年，s u s u m u e i i m a 等人也建立了一个头颈部有限元模型，该模型对肌肉的解剖结构进行了比 较准确的描述【2 9 1 。有限元模型如图1 2 所示1 2 6 】： 审c ， 硬 鼋 猡窀翻 窀岱 铂 c 7 a ) 多刚体模型b ) 有限元模型 图1 2 多刚体和有限元颈部模型 1 3 本课题研究特点、方法及拟解决的关键问题 1 3 1 本课题研究特点 本课题研究特点主要表现在颈椎建模方法、网格划分和模型验证等方面。由 于人体骨骼结构十分复杂，各国科学家为了研究出一种合理的建模方法一直在不 断探索。本课题同样也在研究一种建模方法，该建模方法在追求模型结构表达准 确和完整的基础上，还强调一个“快”。随着有限元在损伤生物力学研究中的不断 发展，人体有限元模型已经不仅仅局限于汽车安全领域的研究，还扩展到了医学 临床领域的研究。面对千差万别的临床个体和各种不同的病症，我们无疑需要针 对这些单独的个体建立各种有限元模型，因此，我们只有掌握了一种快速建模的 方法才能够适应医学临床领域的研究。 网格划分质量的好坏是影响模型计算精度的一个重要因素。为了能够获得最 佳的网格划分方法，本次研究对多种网格划分方法进行了对比研究。对网格划分 方法的选择，我们主要是依据网格划分难易程度、网格质量控制、网格计算精度 和网格数量等标准。对网格单元的选择我们也是根据颈椎各结构的生物力学特性 进行合理选择，以确保模型的生物逼真度，如颈椎韧带采用的就是只具有张力特 硕士学位论文 性的膜单元。 模型验证是否合理将直接关系到该模型的有效性和应用性。本次研究中采用 了三组不同试验数据对模型进行了验证。它们分别是头颈坠落离体试验、前碰撞 试验和后碰撞试验。本次验证的思想就是采用逐步验证的方法对模型进行验证。 首先对未加肌肉模拟的模型进行验证，在该次验证中采用的是头颈坠落离体试验 数据。因为在坠落离体试验中，颈部肌肉对颈椎运动的影响可以忽略，因此该数 据比较适合验证还未加肌肉的颈椎模型验证。最后再对完整的颈椎有限元模型进 行验证。本次验证数据选择的是在汽车碰撞事故中最容易造成颈部损伤的前碰撞 和后碰撞试验数据，该验证最终保证了有限元模型的应用广泛性和实用性。 1 3 2 本课题研究方法 ( 1 ) 对颈部损伤机理研究历史和现状进行文献研究，了解颈部损伤机理研 究发展情况和存在的不足之处，明确目前颈部损伤机理需要研究解决的问题，从 而指导本次颈椎建模。同时，对目前比较常用的颈部损伤评价标准进行介绍，确 定在有限元模型后处理中所需要采集的数据。 ( 2 ) 对国内外几何建模方法进行评价分析，确定本次几何建模的方法。通 过对国人5 0 百分位颈椎进行c t 扫描，获取颈椎几何坐标数据，进而利用该几何坐 标数据建立颈椎几何模型。在建模的过程中将模型与颈椎点云数据的误差控制在 允许的误差范围内；将颈椎几何模型结构与解剖结构进行对比分析，保证几何模 型没有丢失解剖信息。 ( 3 ) 对国内外颈椎有限元模型进行大量的文献研究，讨论分析现有颈椎有 限元模型的优缺点，并且对人体生物材料的特性进行研究分析。最后分别对椎骨、 韧带、椎间盘和肌肉等组织结构进行有限元建模。 ( 4 ) 对颈椎有限元模型有效性进行验证分析。验证采用三种不同的试验数 据进行验证，它们分别是头颈坠落离体试验数据、前碰撞志愿者试验数据和后碰 撞志愿者试验数据。验证过程中将按照试验的边界条件和加载条件对模型进行加 载。最后对仿真结果和试验数据进行对比分析。 ( 5 ) 将该有限元模型与韦恩人体模型进行耦合并应用于前碰撞研究中，以 此说明该模型的应用可行性。 1 3 3 本课题拟解决的关键问题 ( 1 ) 研究解决颈椎建模中的组织识别精度、合理简化结构、材料定义及网格 划分等关键技术问题，提出一种合理的快速建模方法； ( 2 ) 提出合理的颈椎模型验证方法，解决模型生物力学特性和生物逼真度等问 题； ( 3 ) 研究解决不同模型之间的耦合问题。 7 硕士学位论文 齿突有坚强的韧带附着，为寰枢问的旋转提供膜性枢轴。枢椎侧块的上、下关节 面分别与上位的c 1 及下位的c 3 构成关节。寰枢椎解剖结构如图2 2 所示： 椎动脉沟 寰椎( 上面观) 上 下 上关 枢椎( 前砸观) 寰椎( 下面观)枢椎( 后面观) 图2 2 寰、枢椎解剖结构 下颈椎由c 3 c 7 五节颈椎构成，该节段颈椎的解剖结构十分相似，下面将对 下颈椎解剖结构特点进行简单介绍。 椎体：一般较小，呈横椭圆形，上面的左右径约为2 4 1 m m ，下面约为2 2 8 m m ， 均大于前后径。椎体中部略细，上、下两端膨大，高约1 4 7 m m ，上面在左右径上 凹陷，下面在前后径上凹陷。上、下椎体之间形成了马鞍状的对合，以便保持颈 部脊柱在运动中的相对稳定。椎体上面的后缘两侧有向上的脊状突起称为钩突， 它们与上位椎体下面的后缘两侧呈斜坡形对应部分相对合，形成所谓钩椎关节。 椎弓：椎弓向前与椎体相连处较细，称为椎弓根。上、下椎弓根之间合成椎 间孔。椎间孔的前内侧壁为椎间盘，上下为椎弓根，后外侧壁为关节突关节及其 9 颈椎建模方法及模型应用研究 关节囊，脊神经也在此合成并由此孔穿出。神经根的营养动脉也经此孔进入椎管。 椎弓根向后是板状部分称为椎板，上下椎板之间有黄韧带连接。 突起：棘突位于椎弓的正中，呈前后位，突向后下方，棘突的末端一般都是 分叉的，而第七颈椎分叉率只有4 。横突呈额状位突向外方，略短而宽，上面有 一深沟称为脊神经沟，有脊神经通过。横突的末端分裂成前、后两个结节，围成 横突孔。关节突呈短柱状，位于横突之后，上下关节突之间的部分称为峡部，颈 椎关节突的排列便利前屈和后伸运动；关节面平滑，呈卵圆形，覆有关节软骨， 关节面朝下前方，可以在下一个颈椎的关节突上向前滑动。图2 3 是第c 6 节颈椎的 解剖结构示意图。 图2 3c 6 节颈椎解剖结构示惹图 2 1 2 椎间盘 椎间盘位于两个椎体终板表面的凹面关节之间，由髓核、纤维环和软骨板三 部分构成，其中髓核为中央部分；纤维环为周围部分，包绕髓核；软骨板为上、 下部分，直接与椎体骨组织相连。髓核为一粘性、透明的富有弹性的胶状物质， 其主要成分为胶原蛋白，位于问盘的内部，与纤维环逐渐地融合。髓核就像一个 承载的球，在相邻脊椎骨间的运动中起支点和缓和冲击的作用。纤维环主要由胶 原纤维组成，分为外、中、内三层，包围髓核，构成椎问盘的外围部分，像一盘 旋的弹簧，使上下椎体互相连接，并保持髓核的液体成分，维持髓核的位置和形 状。软骨板为透明无血管的软骨组织，在椎体上下各有一个，可以承受压力，起 1 0 硕士学位论文 保护椎骨、缓冲压力、连接椎体和椎问盘之间的营养交换的作用。每个椎间盘都 允许轻微的伸、屈及侧屈活动，也可进行轻微的旋转及环形运动。单个节段活动 范围有限，但是由于运动节段的迭加，脊柱可有相当大范围的运动。除了允许脊 柱活动外，椎间盘还可以吸收震荡，防止椎体及神经结构的损伤。然而，由于间 盘的强度较大，以致在脊柱被压缩时，往往在问盘尚未损伤前就已经有了椎体损 伤。总之，椎间盘不但是椎体间主要的坚强连系和支持结构，同时也是脊柱运动 吸收震动的主要结构，起着“弹性垫”的作用，能承受身体的重力，能保护和控制 脊柱各种活动，平衡缓冲外力。椎问盘解剖结构如图2 4 所示 欤量终鬟 纤肇环 t 簟 翳簟环 羹傣 图2 4 椎间盘解剖结构示意图 2 1 3 颈椎关节 枕颈关节：颅骨得基底部有两个骨性突起称为枕骨髁，枕骨髁与寰椎上方得 关节面构成枕颈关节，也叫寰枕关节。枕颈关节主要完成伸、屈运动。 寰枢关节：位于寰椎和枢椎之间，在横断面有一定程度得旋转运动。枢椎得 齿突作为寰椎旋转的枢轴点。 小关节：小关节也叫椎骨关节突关节，由相邻椎骨的关节突构成。上位椎骨 的下关节突与下位椎骨的上关节突构成关节。因关节面间相互滑动故为滑膜关节。 同时由于含有起润滑作用的滑液，因此也是关解囊关节。颈椎的小关节为扁平的， 与水平面成4 5 度角。这就意味着颈椎在六个自由度活动度上均可有较大的运动范 围。 钩椎关节：颈椎上外侧缘的骨性隆凸称为钩突，它与上一节椎骨的下外侧部 分构成钩椎关节。它属于纤维关节，没有关节囊，有助于维持颈椎m l 面上的稳 定性。 2 1 4 韧带 所谓韧带即富有坚韧性的纤维带，是颈椎内在稳定的重要因素。韧带的弹性 颈椎建模方法及模型应用研究 一方面保持颈椎在生理范围内的活动，一方面又有效地维持各节段地平衡。颈椎 主要包括的韧带有：横韧带，齿突尖韧带，翼状韧带，前纵韧带，后纵韧带，黄 韧带，关节囊韧带，棘上韧带，棘间韧带。 横韧带( t l ) ：横韧带附着于寰椎两侧块前方，并与其前弓共同构成骨纤维 结构，包绕并限制齿突状过度向后的活动，保护寰枢椎稳定，当横韧带损伤或断 裂时即可出现寰枢关节的脱位或半脱位。 齿突尖韧带：齿上韧带也称为齿突悬韧带，位于寰椎横韧带的深面，连接齿 突尖于枕骨大孔前正中缘，甚薄，有的认为是脊索的残余。 翼状韧带( a l ) ：翼状韧带是两个坚强的韧带，由齿突的上外侧面向外上，止 于两侧枕骨髁的内侧。此韧带断面呈圆形，直径约8 m m 。翼状韧带是重要的节制 韧带，有限制头及寰椎在枢椎上旋转及侧方半脱位的作用。 前纵韧带( a l l ) ：前纵韧带位于椎体前面，上起于枕骨底部和寰椎前结节， 下至骶骨上半部，韧带的宽窄厚薄各部有所不同，前纵韧带内层纤维与椎间盘外 层纤维和椎体的骺环相连，但并不进入椎体，前纵韧带整个看来是一条长而宽的 纤维带，非常坚韧，在尸体上试验，在6 0 0 7 0 0 磅压力下并不致折裂。前纵韧带的 主要功能是限制脊柱的过度后伸活动，位于颈椎的部分能对抗头颅的重量，增强 颈椎的稳定性。 后纵韧带( p l l ) ：后纵韧带位于椎管内椎体的后方，上起枢椎向下延伸到 骶椎；较前纵韧带狭窄，含深浅两层纤维，浅层跨越了3 或4 个椎体，深层呈“八” 字跨越一个椎间盘，连于相邻两椎体间，“八”字弧形边缘部分紧靠椎弓根部，有 椎体血管通过，后纵韧带在椎体后面比较松弛，与椎间盘的纤维环及椎体的骺环 附着紧密，与椎间盘纤维环外层不能区分，此韧带的中央部分较厚而向两侧延展 部的韧带宽而薄。后纵韧带的主要作用为椎体间的连接并防止脊柱过度前屈。 黄韧带( l f ) ：黄韧带位于椎管后的两个椎板间，起于上一椎板的前下方， 止于下个椎板的后上方，呈叠瓦状，扁平、坚韧。因其呈浅黄色，故有此称。黄 韧带弹性较大，有较强的伸缩性，可协助颈部肌肉维持头颈直立。 关节囊韧带( f c ) ：关节囊韧带含有黄色和白色的弹性纤维，其中有一部分黄韧带 纤维参与。关节囊韧带包绕在相邻椎体椎间关节的关节囊外面，此韧带比较松弛， 便于脊柱运动。 棘上韧带( s s l ) ：棘上韧带起于颈棘突，向下至于骶中脊，在颈部也叫项 韧带，棘上韧带在腰部是一条较为表浅的纤维束状腱性组织，其深部纤维与棘突 相连，浅部纤维跨越3 4 节段与棘间韧带和起自棘突的骶棘肌腱性纤维相连，浅部 纤维具有较好的弹性，棘上韧带具有限制脊柱前屈的作用。 棘间韧带( i s l ) ：棘间韧带位于棘突间，从上一棘突的基底部到下棘突的尖 部，此韧带前缘接黄韧带，后方移行于棘上韧带，在颈椎和上胸椎处韧带较薄， 硕士学位论文 在腰椎棘间韧带明显增厚，它和棘上韧带都具有限制脊柱前屈的作用。颈椎各主 要韧带如图2 5 所示。 田显圈l i 芒蔓= d 型己丑 图2 5 韧带示意图 2 1 5 肌肉 在解剖上，将颈部划分为前后两部分，前面的部分是狭义的颈部或称颈前部， 也就是一般意义上所谓的颈部，后面的部分则被称为项部或颈后部。在颈后部的 肌肉，被称为项部肌群，又叫做项背肌、项肌、颈项肌等；在颈前部的肌肉则被 称为颈前部肌群。 颈部的肌肉，根据其功能的不同，可以分为三组：第一组为控制头颈各个方 向的运动并保持其稳定性的肌群；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。为了保持头颅的体位和它在颈椎上的稳 定性，颈部肌肉必须有一部分经常处于较紧张的状态；而另一部分则处于较松弛 的状态，以保持头颅和颈椎的平衡，并控制全身的姿态。姿态不良能影响颈项部 肌肉紧张和松弛的正常平衡。 颈部肌肉主要有斜方肌，胸锁乳突肌，肩胛提肌，前斜角肌，夹肌，头后大 直肌，头后小直肌，头上斜肌，颈半棘肌等肌群。 斜方肌：位于颈部和背上部的浅层。起自上项线、枕外隆凸、项韧带、第七 颈椎和全部胸椎棘突，止于锁骨的外侧三分之一处、肩峰和肩胛骨。作用：使肩 胛骨向脊柱靠拢；上部肌束可上提肩胛骨，下部肌束使肩胛骨下降。 颈椎建模方法及模型应用研究 胸锁乳突肌：属于颈浅肌群，在颈阔肌的深面，是颈部两侧强大的扁柱状肌 肉。它起于胸骨柄和锁骨的内侧三分之一处，斜向后上方，止于颞骨乳突及枕部 上项线的外侧部。 肩胛提肌：肩胛提肌位于项部两侧，肌的上部位于胸锁乳突肌的深侧，下部 位于斜方肌的深侧，为一对带状长肌。起自上位四个颈椎横突的后结节，肌纤维 斜向后下稍外方，止于肩胛骨的上角和肩胛骨内侧缘的上部。此肌收缩时，上提 肩胛骨，同时使肩胛骨下角转向内；肩胛骨被固定时，使颈向同侧屈曲及后仰。 肩胛提肌受肩胛背神经( c 2 c 5 ) 支配。 前斜角肌：斜角肌为颈部深层肌肉位于脊柱的颈部两侧，由前、中、后斜角 肌组成。前斜角肌起于c 3 到c 6 颈椎横突前结节，止于第一肋骨斜角肌结节；中 斜角肌起于c 3 到c 7 颈椎横突后结节，止于第一肋骨中部上面( 肌纤维由内上斜 向外下) 。前、中斜角肌之间有一三角形间隙( 称斜角肌间隙) ，由臂丛神经及血 管束通过，后斜角肌起于c 5 、c 6 颈椎横突后结节，止于第二肋骨粗隆，该肌受 c 3 、c 4 神经前支支配。作用：如肋骨固定，该肌单侧收缩，使颈侧屈并回旋； 双侧收缩，则使颈部前屈。若颈部固定，该肌收缩可上提