汽车碰撞瞬间驾驶员颈部肌电信号变化规律研究*

高振海，李 钊，赵凯姝，赵 会，禹慧丽，陈朝阳

(1.吉林大学，汽车仿真与控制国家重点实验室，长春 130022; 2.汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室，重庆 401120；3.长安股份有限公司汽车工程研究院，重庆 401120; 4.吉林大学白求恩第一医院，长春 130021;5.韦恩州立大学生物医学工程系，美国底特律 48201)

前言

现有的假人模型通常是从生物医学角度建立的静态人体模型，其力学参数基本源于捐献尸体的肌肉与骨骼切片离体实验，无法反映出人体肌肉黏弹性等力学特性，更无法描述在碰撞发生瞬间真实乘员的肌肉收缩紧张等本能性自我保护特性[1]。文献[2]～文献[5]中通过实车实验发现真人和碰撞假人在碰撞发生前的反应存在明显差异。为此，国际学术界始终存在“碰撞安全性的设计保护了假人却保护不了真人”的争议。

近年来伴随着人体生物力学研究的深入，研究人员开始尝试利用肌肉骨骼生物力学和运动损伤生物力学的建模、分析与实验测试等最新研究成果，分析真实驾驶员的骨肌动力学变化机理乃至人体脑颅与胸腹部脏器的生理结构，以建立具有更高仿生保真度的碰撞实验用假人模型，并指导汽车碰撞设计以获得更好的乘员保护性能。美国韦恩州立大学从生物医学和真实人体结构角度出发，建立了人体各组织和器官的数字化模型，并与日本丰田公司联合开发了THUMS系列数字化人体模型；文献[6]和文献[7]中开展了使用真实驾驶员的碰撞台车实验，测试分析了碰撞过程中驾驶员肌肉力的主动变化，并将肌肉力加载到有限元模型进行仿真验证；文献[8]和文献[9]中针对挥鞭伤，基于台车碰撞实验测试了志愿者颈部肌肉电信号等，对不同速度、方向和坐姿的碰撞过程中乘员颈部肌肉的激发时刻以及各肌肉的激活程度进行分析。

以上研究的特点和发展趋势是利用肌电图仪等人体生物电测试设备，实现在虚拟碰撞工况下人体生理结构与骨肌动力学特性测试。主要技术路线是测试志愿者在碰撞发生前后的肌肉电信号来表征人体骨肌动力学特性。考虑到对志愿者的身体保护，现有的测试工况大多是志愿者坐在碰撞台车上进行与固定障碍物的10km/h以下低速碰撞实验。此类实验可以反映两辆质量相同的车辆低速碰撞工况，并根据志愿者的骨肌动力学特性，通过建立数学模型预测它们在更高速度(仍为低速)碰撞工况下的乘员反应[10]。此类实验的局限性在于：无法为驾乘人员提供与真实道路交通碰撞事故具有高虚拟现实沉浸感的虚拟碰撞环境，也无法描述汽车高速行驶突发碰撞或失控等更为真实的碰撞工况及其引发的人体肌肉下意识主动收缩紧张的特性。

针对以上实验方法的不足，研究人员开始尝试利用汽车性能模拟器为驾驶员提供的具有高仿真度沉浸感的人-车-交通环境和可重复无风险地实施极限工况实验的特点，构建碰撞虚拟场景，并测试真实驾驶员的骨肌动力学反应。文献[3]中在汽车性能模拟器上设计了包含城市、郊区和乡间的一段复杂工况，并设计了突发的正面碰撞，使用摄像机记录驾驶员的驾驶过程以及在碰撞发生时的反应。

为更真实地获取驾驶员在碰撞发生前后的本能性的骨肌动力学特性变化规律，本文中基于吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室的汽车性能模拟器，设计实施了使用真实驾驶员，从低到高不同行驶速度，车与车之间正面碰撞工况的汽车虚拟碰撞实验，并重点测试分析了驾驶员颈部肌肉动态变化特性。研究中首先结合挥鞭伤产生原理，从人体颈部运动及其生物力学角度，分析了主要工作肌肉群的运动规律和生物力学机理；然后，在汽车性能模拟器上构建车车正碰虚拟实验场景，使用真实驾驶员进行从低到高不同车速下的车车虚拟正碰实验。实验中，利用人体表面肌电测试仪等人体生物电测试设备测试了驾驶员在突发性车车对碰场景下胸锁乳突肌、头夹肌和斜方肌等挥鞭伤研究所涉及到的颈部主要工作肌肉群的肌电信息变化；最终，利用人体表面肌电信号的肌电图分析方法，对肌电信号进行降噪、全波整流和线性化处理，得到与肌肉力密切相关的肌电图数据，分析真实驾驶员在面临碰撞时颈部主要工作肌肉群的力学特性及其肌肉群之间协同工作规律。

1 面向挥鞭伤研究的人体颈部运动机理及其生物损伤力学分析

汽车乘员头部是最易遭受损伤的部位，汽车交通事故统计数据表明，头部损伤比率为44.6%。伴随着汽车安全带与安全气囊等汽车乘员约束系统的引入，乘员头部损伤的严重程度明显降低，颅骨或硬脑膜损伤数量明显减少。考虑到头部和颈部(包括颈椎骨与起连接作用的肌肉、韧带和椎间盘等软组织)构成一个运动功能实体，颈部肌肉的强度和调节是保持人体头部平衡和实现运动控制的必要条件，近年来国际碰撞安全领域的研究热点已从早期的头部与仪表板接触导致的硬脑膜开放性损伤和颈椎损伤逐步转向挥鞭损伤等颈部软组织损伤[11-13]。

围绕汽车乘员颈部损伤这一热点问题，本文中将汽车乘员颈部损伤定义为汽车碰撞过程中驾驶员颈部被动快速地前后晃动引发的颈部肌群、韧带、椎间各关节、椎间盘和神经根等软组织损伤，并将研究重点聚焦在碰撞过程中人体颈部主要工作肌群的运动力学特性上。

人体颈部是一个复杂的生物系统，肌肉主要包括胸锁乳突肌、颈阔肌、舌骨下肌群、颈长肌等前侧肌肉和头夹肌、斜方肌、头半棘肌、颈半棘肌等后侧肌肉，如图1所示。通常情况下，颈部肌肉在关节和其他软组织共同作用下，相对于胸部产生弯屈、伸展、侧弯和旋转运动，主要体现在矢状面内的拉伸-弯屈、拉伸-伸展、压缩-弯屈、压缩-伸展和侧弯等运动形式上。

颈部损伤主要包括骨骼、神经、韧带和肌肉4个方面的伤害。汽车发生碰撞时由于车辆自身速度发生突变，此时人体头颈部由于惯性和载荷作用将承受过大的加速度。头部与风窗玻璃剧烈碰撞会产生颈椎骨折；颈椎腔内压力突变对神经的损伤，“S”形变韧带超出其弹性形变范围。文献[14]中在论述挥鞭综合症病例时指出，在汽车遭受后方车辆的猛烈碰撞时，汽车座椅加速推动乘员躯干向前，没有支撑的头部向后倾仰，颈椎产生过伸动作，肌肉张力随速度升高而增大，当张力超过肌肉长度牵引曲线时胸锁乳突肌发生部分断裂；在颈部发生“S”形变的过程中，颈部肌肉在拉伸时收缩，即乘员头部在向后拉伸时胸锁乳突肌被外力拉伸，由于受到外部刺激，肌肉本能性地收缩，叫离心收缩，这也是颈部肌肉损伤的一个原因；本车与前方车辆发生碰撞时，本车忽然减速导致乘员突然向前方甩出，颈椎过度屈曲，此时易导致颈部肌群中的头夹肌和斜方肌发生损伤。

综合以上对人体肌肉骨骼生物力学、运动控制和损伤机理的分析，并结合前期开展的汽车乘员挥鞭伤研究，将研究重点放在颈部主要肌肉也是挥鞭伤症状中最易受损的胸锁乳突肌、头夹肌和斜方肌3个工作肌群上，分析其在正常行驶状态和临撞状态下的肌肉电信息变化规律。

2 真实驾驶员在汽车性能模拟器上的突发性车车正面碰撞实验

为给驾驶员提供一个更具虚拟现实沉浸感的碰撞工况，从而更为准确地获取驾驶员的颈部肌肉电信息变化，在研究中利用了吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室的汽车性能模拟器，构建了一个突发性车车正碰实验场景，如图2所示。

以往的研究认为，挥鞭伤发生在追尾即后撞过程中，实际上，近1/3的挥鞭伤是由正面碰撞引发的[15]。为此，在汽车性能模拟器上构建了临近车道的车辆忽然驶入本车行驶车道而与本车发生无法规避的车车正撞这一典型碰撞事故虚拟实验场景，来测试驾驶者在紧急情况发生时的临场反应。首先，测量志愿者颈部肌肉在最大自主收缩(max volunteer contraction,MVC)状态下的表面肌电信号，作为衡量肌肉激活程度的参照；然后，志愿者驾驶汽车性能模拟器，测量碰撞工况下颈部肌肉的表面肌电信号；最后，对志愿者的肌电信号进行处理，重点分析平均肌电图RMS，统计在碰撞工况下志愿者颈部肌肉%RMS平均值。

2.1 汽车性能模拟器实验方法的特点

与台车实验只能进行低速碰撞不同，模拟器可以提供安全的实验方法从而实现低速到高速的全工况实验。同时也可以更加真实地获得驾驶员在驾驶环境中，由碰撞前视觉、听觉等感官感受到危险而激发的精神紧张和恐慌下的本能反应。

我在这个时候往往会在心里狠狠地骂上一句：“你给我闭嘴！”但仍要不动声色地跟家属讲清楚道理：“我个人不认为这个时候做X检查有什么必要，我高度怀疑患儿就是生长痛，你要非给孩子做这个检查也行，反正……有辐射，你看着办。”

2.2 实验方案

2.2.1 碰撞工况设计

正面碰撞工况设计为：本车以要求速度在公路上行进，同向和逆向均有车辆行驶，在行驶中，一辆逆向行驶的汽车突然失控，驶入本车道，并在本车正前方10m处停止，作为障碍壁，如图3所示。

2.2.2 选取志愿者

选取10名男性志愿者，要求具有相似的脂肪含量和骨肌结构，身材尺寸接近混III假人，志愿者信息见表1。相似的身体结构可以最大程度上避免因身体结构差异引起的肌电-肌力关系离散程度，在后续研究中使用碰撞仿真分析软件嵌入具有肌肉特性的假人，以此次实验的数据作为肌肉参数设置假人，与实验结果进行验证。

表1 志愿者基本信息

注：BMI全称是body mass index，即身体质量指数，是用体质量除以身高平方得出的数字，是目前国际上常用的衡量人体胖瘦程度的一个标准。

2.2.3 颈部肌肉选取

因为表面肌电仪只能测量表层大块肌肉的电信号，因此选取支撑头部运动的主要表面肌肉胸锁乳突肌、头夹肌和斜方肌作为研究对象，其中胸锁乳突肌是前侧主要肌肉，双侧收缩使颈部收缩；头夹肌和斜方肌是后侧主要肌肉，双侧头夹肌收缩使颈部伸展，斜方肌在这一过程中起到配合作用。使用Biopac 150生理记录仪采集它们的表面肌电信号。

2.2.4 实验过程

参照SENIAM协会建议[16]为志愿者粘贴电极，如图4所示。依次测量志愿者静止状态MVC的肌肉电信号和碰撞过程中肌肉电信号。

各肌肉取得MVC状态方法如下：测试斜方肌时，受试者坐在椅子上，两臂垂直于躯干以减少肱二头肌和三角肌的介入，背倚着椅背上，避免竖棘突肌活动，脚悬空避免下肢肌肉发力，用最大力做耸肩动作；测试胸锁乳突肌和头夹肌时，受试者采取同样坐姿，头部分别尽力向左侧和右侧转动，达到最大点保持静止。假定肌肉已经达到MVC，此时相关肌肉则最大程度地释放肌电信号EMG。以肌肉做MVC时EMG的RMS值作为在碰撞实验时计算肌肉紧张程度的参考值[6-9]。

志愿者分别以20、50、80和100km/h时速驾驶汽车性能模拟器，记录驾驶员驾驶过程中的肌电信号，并且记录碰撞发生的时间。

2.3 实验数据处理流程

2.3.1 肌肉电信号分析方法

对表面肌肉电信号的分析主要集中在时域和频域，其理论方法分为3类：时域法、频域法和时域—频域法。在这3类方法的众多指标中，选取与肌肉力密切相关的均方根振幅RMS。RMS反映一定时间内肌肉放电的平均水平，被认为与运动单位募集的数量和肌纤维放电的同步化有关，用来判断肌肉活动的开始与停止时间，以及估计肌肉产生肌力的大小[6]，其计算公式为

(1)

此外，选择肌电斜率作为研究指标，将肌电值大于MVC下肌电值的5%定义为肌肉激活时刻，则

(2)

式中：SlopeEMG为肌电斜率；EMGmax为峰值肌电信号值；EMGavr为激活肌电信号值；T为肌电信号从激活状态到峰值所经历的时间。

2.3.2 肌肉电信号处理流程

采集的肌肉电信号不能直接使用，须经过降噪、全波整流、线性化，处理流程如图5所示。

3 驾驶员颈部主要工作肌群的肌电数据分析

志愿者驾驶汽车性能模拟器，采集碰撞发生时颈部肌肉电信号，并使用上述方法对肌电信号进行处理。采集到的原始肌电信号如图6所示，图7为经过处理得到的碰撞时颈部肌肉RMS。

在10名志愿者中，9名志愿者在故障车出现时，右脚踩制动踏板，双手紧握转向盘，伸展肘关节，将躯干推向座椅靠背，头部由于这一动作相应有略微后仰的趋势，这与之前文献中描述的乘员在碰撞发生时规避动作是一致的[3]；有1名志愿者习惯性规避动作是，右脚踩制动踏板的同时转动转向盘躲避障碍物，在数据处理时，没有采纳这名志愿者的实验数据。

采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，计算9名志愿者在发生碰撞时头夹肌、胸锁乳突肌和斜方肌3块肌肉的均值。车速与肌电%RMS关系如图8和图9所示。从图中可以看出，随着志愿者驾驶速度的增加，颈部肌肉的%RMS呈上升趋势，这是因为随着驾驶速度的提高，突然出现的障碍物对志愿者产生更大的刺激，志愿者在采取自我保护时，肌肉紧张的程度随之增加。

比较各块肌肉肌电均值，头夹肌最小，低于13%，斜方肌最大，在18%～27%之间。使用双因素方差分析法对实验结果进行分析，本车速度和所关注肌肉对EMG的均值有重要的影响(P<0.01)，EMG随着车速的增加而增大，使用最小显著差异方法(LSD)对不同肌肉进一步检验，正面碰撞工况中头夹肌的激发状态与胸锁乳突肌和斜方肌不同(P<0.001)，胸锁乳突肌与斜方肌之间没有明显不同。

同时，本车速度对EMG的斜率有影响(P<0.05)，斜率随车速增加。相同车速下不同肌肉间的EMG斜率也有显著区别，头夹肌的肌电斜率与其他两块肌肉明显不同。

依据解剖学，头夹肌和斜方肌作为后侧肌肉是头部伸展的主动肌，胸锁乳突肌是头部后仰的拮抗肌。在碰撞发生时，驾驶员由肌肉紧张引起一系列运动学反应，头部发生向后伸展的趋势。头夹肌作为颈部伸展的主动肌，激活程度反而小于作为拮抗肌的胸锁乳突肌，经过分析，由于转向盘的引入，为驾驶员提供了除座椅和安全带之外新的约束，在碰撞发生前，驾驶员双手紧握转向盘，伸展肘关节，将躯干推向座椅，头部随着躯干向后运动，并由于惯性产生伸展的趋势，分担了头夹肌的部分功能。制动踏板对腿部提供的支撑，也会影响到包括颈部肌肉在内的全身运动学变化。

高速碰撞中，乘员颈部发生“S”形变，肌肉在拉伸时产生离心收缩，会加重对颈部肌肉的损伤；在低速碰撞时，乘员颈部肌肉将更多地起到减缓颈部运动的作用，从而降低颈部损伤几率。而现有假人不能表征肌肉主动收缩，无法反映高速时颈部肌肉损伤加重和低速时损伤减弱的趋势。同时，肌肉收缩引起的运动学变化，将引发整个碰撞过程中乘员颈部运动学响应的变化，也势必对乘员约束系统的设计产生影响。以上对车辆乘员颈部肌肉损伤的定性分析结果会在后续研究中采用挥鞭伤病理观察、碰撞仿真分析和志愿者台车实验进行更为客观准确的研究。

4 结论

在汽车性能模拟器上设置碰撞工况，选取与颈部活动相关的主要肌肉，使用肌肉电信号描述汽车碰撞时驾驶员颈部肌肉的紧张程度。从研究结果中可以得到以下结论。

(1) 在汽车性能模拟器上设置碰撞仿真场景，能激发出驾驶员在真实驾驶过程中因遇到突发状况引起的紧张和恐慌，与传统的台车实验相比，使用此方法进行碰撞仿真实验，可以安全获得车速和驾驶环境等因素对驾驶员生理信息的影响。

(2) 驾驶员由于意识到即将发生的碰撞，会采取本能的自我保护动作，这一本能反应会使肌肉电信号比正常驾驶时有明显的升高，如车速为100km/h时，斜方肌肌电由正常驾驶时的3%提高至27%。

(3) 在正面碰撞中，随着本车车速的升高，驾驶员颈部肌肉电信号整体呈上升趋势，胸锁乳突肌(66%)和斜方肌(50%)这一趋势更明显，头夹肌激活程度偏低，且与车速没有确切相关性。

(4) 肌肉电信号斜率随着车速升高而增加，不同肌肉的肌电信号斜率有明显区别。

(5) 相比而言，现有假人模型缺乏对车辆乘员肌肉收缩等主动变化的描述，无法准确反映高速碰撞中乘员颈部“S”形变及其对颈部肌肉损伤带来的影响，更无法反映肌肉主动收缩对碰撞发生时乘员颈部运动响应的影响。

以上研究与实验数据描述了车辆乘员在碰撞时颈部运动学和动力学特性变化，为分析乘员骨肌主动反应对颈部损伤的影响提供了依据。在后续研究中将重点研究在现有的碰撞假人模型中导入驾驶员颈部肌肉和肌肉力的主动变化，更为真实准确地分析骨骼与肌肉协同作用下对颈部损伤的影响。

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