飞行过程中头盔对飞行员颈部损伤的影响

王丽珍 刘景龙 赵彦鹏 卜伟平 柳松杨 樊瑜波

(1. 北京航空航天大学 生物与医学工程学院, 北京 100083;2. 北京航空航天大学 北京市生物医学工程高精尖创新中心, 北京 100083;3. 北京航空航天大学 生物力学与力生物学教育部重点实验室, 北京 100083;4. 空军特色医学中心, 北京 100142; 5. 北京航空航天大学 医学科学与工程学院, 北京 100083)

颈部疼痛是困扰飞行员的一种常见疾病[1]。在一项针对超过8 000 名飞行员的统计分析中,飞行员颈部疼痛的发生率高达51%[2]。 各国的研究显示,丹麦空军在飞行中及飞行后经历颈部疼痛的飞行员比例甚至高达97%[3],挪威空军为72%[4],中国战斗机飞行员颈部疼痛的比例也达33. 7%[5]。 颈 部 肌 肉 的 急 性 拉 伤[6]、 韧 带 撕裂[7]、椎间盘突出[8]甚至椎体的骨折[9]都会引发颈部疼痛,造成颈部损伤的原因有很多,包括头盔的佩戴[10]、头颈部姿势[11]、飞行时长[12]、飞行工况[13]等因素,尤其在实际飞行过程中,多种因素的共同作用加剧了颈部损伤风险。

头盔的佩戴能够保护飞行员头部免受损伤,为了增强飞行员的作战效能,往往会在头盔上集成显示器等装置,这导致了不同头盔的质量及质心位置不同。 研究显示,头盔质量的增加和质心位置的改变,增加了飞行过程中的颈部载荷,加大了颈部的损伤风险[10]。 自20 世纪80 年代瑞典空军开展头盔对颈部损伤影响的研究以来,国内外开展了大量的相关研究,主要包括流行病学调查、实验研究和数值仿真研究。 Sovelius 等[14]利用蹦床实验,测量了飞行员佩戴头盔在不同加载下颈部的肌电信号,发现头盔质量的增加,增大了颈部肌肉的拉力。 吴明磊等[15]利用志愿者和HYBRID Ⅲ假人实验,分析了不同弹射条件下头盔对人体头颈响应的影响,发现头盔对颈部载荷的影响随着加速度的增加而增加。 贾晓红等[16]利用AnyBody 软件平台建立头颈部肌骨模型,分析了不同头盔质量、质心位置及加速度对颈部肌肉力的影响,发现头盔质量的增加导致肌肉力的增加,而质心的后移会增加前伸肌肉的作用力。Mathys 和Ferguson[17]也利用头颈部模型分析了不同头盔在特定载荷下对颈部损伤的影响,同一工况下下颈椎的载荷较大。 包佳仪等[18]也建立了飞行员头颈部有限元模型,分析了阻拦着舰过程中飞行员颈部的损伤。 然而以上关于飞行员颈部损伤的相关研究中,主要集中在较短时间内的恒定载荷作用下颈部的损伤分析,对不同飞行工况下不同头盔对飞行员颈部损伤影响的研究还较为缺乏。

因此,本文采用头颈部多刚体动力学模型,对急转弯及稳定盘旋飞行工况下,不同头盔对飞行员颈部损伤的影响进行了仿真研究,通过肌肉力、椎间力及颈部损伤准则研究颈部损伤情况,分析飞行过程中头盔对飞行员颈部损伤的影响,研究结果可为飞行员头盔的设计优化及其颈部损伤的影响提供仿真数据支撑。

1 模型的建立与验证

1.1 模型的建立

本文中的人体头颈部多刚体动力学模型是基于笔者课题组的研究建立的[19]。 基于1 名中国成年男性头颈部的CT 图像,通过逆向建模得到头颈部的几何模型,导入多刚体动力学建模软件ADAMS 中建立多刚体模型。 模型包括头骨、7 个颈椎、1 个胸椎及胸部和肩部的骨骼结构,这些结构均设为刚体。 胸骨和肩骨用来给肌肉提供附着点,不考虑胸椎和胸骨与肩骨之间的相对运动,将三者连接成一个整体。

模型中的全局坐标系位于胸椎T1 的中心,x轴为人体前后向,y轴为人体侧向,根据右手定则z轴为竖直方向,如图1 所示。

图1 多刚体动力学模型及坐标系Fig.1 Multi-body dynamic model and definition of coordinates

参考de Jager[20]设置模型中头骨、椎体的质量特性,建立包含韧带、椎间盘和关节共同作用的集总参数关节,通过力和位移及速度之间的关系对集总关节进行定义,忽略了椎间盘、韧带和肌肉的质量[19-22]。 基于解剖位置,采用“绳索”单元建立了15 组颈部肌肉,在肌肉起止点之间建立滑动分割点,表示肌肉的弯曲效应,如图1 所示,使用Hill 三元素模型表示肌肉的收缩作用[23],所建多刚体模型如图1 所示。

1.2 模型的验证

使用关于志愿者的加速度峰值为15G的前向冲击数据[24]及针对志愿者的8G和10G沿脊柱方向的冲击数据[25]对模型进行了验证。 将验证输入的运动学数据施加在模型的第一胸椎T1 处,开展动力学计算。 提取模型头部质心处的x向和z向加速度与志愿者的实验数据进行对比,结果如图2 所示。

图2(a)、(b)展示了模型及实验的前向冲击结果,可以看出,前向验证下头部质心x向和z向加速度能够较好地复现实验结果。 图2(c)、(d)为沿脊柱方向的冲击结果,可以看出,沿脊柱方向8G和10G冲击的z向冲击结果与实验数据有着相似的趋势。

图2 模型仿真结果与实验数据对比Fig.2 Comparison of simulation results and experimental data

使用相关性分析方法对模型仿真度进行定量评估,采用区间评估和截面评估来评价曲线相似度,表示模型的仿真度。 区间评估用于评价仿真曲线在实验区间内的相似度,截面评估通过幅值、相位等评价曲线的相似度,可用来评估仿真假人或模型与实验数据的相似度[26]。 通过总得分定量评估模型的仿真度,对4 种验证结果分配了相同的权重计算总得分,得分在0 ～0.26 表明模型是不合格无法接受的,0.26 ～0.44 表明模型仿真度尚可,0. 44 ～0. 65 表明模型仿真度合适,在0.65 ～0.86 则被认为仿真度良好,本文模型的综合得分为0.694,如表1 所示,在0.65 ～0.86 区间内,表明本文中的头颈部模型可以用来进行仿真计算。

表1 头颈部模型的生物仿真度评估Table 1 Biofidelity assessment of head and neck model

2 仿真计算及结果分析

2.1 计算工况

本文采用2 种输入工况,分别为急转弯工况和稳定盘旋工况。 提取飞行实验中2 种工况下飞行员胸椎处的加速度载荷曲线,如图3 所示。 本文评价3 种头盔在2 种飞行工况下对颈部损伤的影响,采用无头盔情况作为对照组,共计4 种头盔情况。添加头盔后,按照重心分布及平行移轴定理,得头部的整体质心及转动惯量,如表2 所示。 将2 种飞行工况的载荷曲线施加在4 种头盔模型的第一胸椎处开展动力学计算,共计8 种计算工况。

表2 头部质量特性Table 2 Mass properties of head

图3 飞行中加速度时间曲线Fig.3 Acceleration-time curves in-flight

2.2 肌肉力分析

分别提取2 种飞行工况下4 种头盔情况对应的头夹肌、斜方肌及集总舌肌的肌肉力,如图4 和图5 所示。 在2 种飞行工况下,无头盔和B 头盔情况的头夹肌和斜方肌肌肉力较大,对应的集总舌肌肌肉力很小,而A 头盔和C 头盔情况的集总舌肌肌肉力较大,对应的头夹肌和斜方肌的肌肉力较小。 头夹肌和斜方肌为屈肌,位于颈部后侧,在头部前倾时被拉长,而集总舌肌为伸肌,在颈部前侧,在头部后仰时被拉长。 表明在2 种飞行工况下,无头盔和B 头盔情况下头颈部均发生前倾,而A 头盔和C 头盔情况头颈部均发生后仰。此外,在2 种飞行工况下,佩戴B 头盔时,斜方肌肌肉力均最大,在急转弯工况下为34.2 N,在稳定盘旋工况下为25.2 N,均明显高于其他头盔情况,表明B 头盔对颈部斜方肌具有较大影响,斜方肌更容易受到损伤。

图4 三组肌肉的示意图Fig.4 Schematic diagram of three muscle groups

图5 不同头盔工况下的最大肌肉力Fig.5 Maximum muscle force for different helmet conditions

2.3 椎间受力分析

通常,使用上下颈椎的最大作用力和弯矩对颈部损伤进行评估[27]。 根据输入曲线特点,头颈部在人体矢状面内运动,椎体主要受到压力作用及前屈后伸的力矩作用。 因此,提取各计算工况下头部枕骨大孔与第一颈椎(OC-C1)之间和第七颈椎与第一胸椎(C7-T1)之间的轴向压力和前屈后伸力矩的时间曲线,如图6 所示。 此处取轴向压缩及前屈力矩为正,轴向拉伸及后伸力矩为负。

图6(a)、(c)显示,急转弯工况下OC-T1 与C7-T1 之间的轴向压力具有相似的变化趋势,与输入曲线中的z向载荷趋势相似。 稳定盘旋工况中,两颈椎节段的轴向压力也具有相似的变化趋势。 对于急转弯工况下的同一颈椎节段,B 头盔情况下的轴向压力高于其他头盔情况。 图6(b)、(d)显示,急转弯工况下无头盔和B 头盔情况的力矩变化趋势相似,且均为正值,表明颈部发生前屈;而A 头盔和C 头盔情况的力矩变化趋势相似,均为负值,表明颈部发生后仰。 图6(e)、(g)显示,针对稳定盘旋工况,OC-C1 与C7-T1 之间的轴向压力也具有相似的变化趋势,对于同一节段,B 头盔情况的轴向压力最大。 图6(f)、(h)显示,稳定盘旋下,两节段在无头盔和B 头盔均为前屈力矩,而A 头盔和C 头盔为后伸力矩。 由表2 可得,无头盔和B 头盔情况下,头部质心的整体位置靠前,可能导致头部更容易发生前倾。

图6 相邻椎体间轴向压力和前屈后伸力矩随时间的变化曲线Fig.6 Axial force and flexion/extension moment time curves of adjacent segment

表3 展示了OC-C1 及C7-T1 节段的轴向压力和前屈后伸力矩极值及相应的损伤评估参考值[28],超过损伤评估值,则认为相应椎体发生严重损伤。 取轴向压力及前屈力矩为正,拉伸力及后伸力矩为负。 在2 种飞行工况佩戴不同头盔的情况下,轴向发生压缩,压缩力均小于临界值。 其中,急转弯工况佩戴B 头盔的情况下,C7-T1 节段的轴向压力最大,为1 141.6 N,小于临界值4 000 N;前屈力矩也最大,为72. 2 N·m,小于临界值190 N·m。 同样,急转弯工况中佩戴C 头盔的情况下,C7-T1 节段的后伸力矩最大为-80.1 N·m,小于临界值-192 N·m。 表3 中的结果表明,2 种飞行工况中,佩戴4 种头盔情况下均不会造成颈部的严重损伤。 表2 显示,B 头盔和C 头盔质量相近,B 头盔质心位置更靠前,结合轴向压力结果显示,质心靠前增加了轴向压缩作用;C 头盔质心较为靠后,结合前屈后伸力矩结果,质心靠后可能会造成颈部后仰,增加后仰力矩。 由表3 可知,同一颈椎节段,后仰的损伤临界值小于前屈的临界值,意味着C 头盔容易造成更大的损伤风险。

表3 OC-C1 及C7-T1 节段的最大轴向力与前屈后伸力矩Table 3 Maximum axial force and flexion/extension moment for OC-C1 and C7-T1 segment

2.4 Nij损伤风险分析

为了综合分析颈部轴向压力和前屈后伸力矩对颈部损伤的影响,使用颈部损伤Nij准则进行定量评估。 颈部损伤的Nij准则是由美国高速公路安全管理局(NHTSA)提出的用于评价汽车前向碰撞中乘员颈部发生严重损伤的评估标准[29],计算公式为

式中:Fz为轴向的压缩力或拉伸力;My为矢状面内的前屈后伸力矩;Fint为压缩/拉伸力的临界值,Mint为前屈/后伸力矩的临界值。

针对OC-C1 及C7-T1 颈椎节段,临界值取值如表4 所示[28,30]。Nij越大,表明颈部损伤风险越大,在航空领域,为了保证飞行员的安全不发生严重损伤,一般认为Nij不超过0.5[31]。

表4 OC-C1 和C7-T1 节段Nij临界值的选取Table 4 Nij critical intercept values for OC-C1 and C7-T1 segment

图7 和图8 分别显示了急转弯工况和稳定盘旋工况下Nij随时间的变化曲线,图9 为各工况下Nij的最大值。 可以看出,各工况Nij值均小于0.5,表明在2 种飞行工况下,佩戴4 种头盔均不会对颈部造成严重损伤。 对于同一飞行工况,两节段的Nij随时间变化的曲线具有相似的趋势。

图7 急转弯工况Nij随时间的变化曲线Fig.7 Nij time curves under sharp turn condition

图8 稳定盘旋工况Nij随时间的变化曲线Fig.8 Nij time curves under steady hover condition

图9 Nij的最大值Fig.9 Maximum Nijvalues

对于急转弯工况,同一头盔佩戴情况下C7-T1 节段的Nij高于OC-C1 节段,表明下颈椎损伤风险较高;针对同一节段下,C 头盔的Nij最大,A头盔次之,B 头盔最小。 而在最大轴向压力及最大前屈后伸力矩的分析中,对于同一颈椎节段,B头盔的轴向压力最大,远高于其他头盔情况,而C头盔情况下的后伸力矩大于B 头盔的前屈力矩。由表4 可看出,前屈力矩的临界值约为后伸力矩的2 倍,说明颈部在后伸情况下更易损伤,因此导致了C 头盔情况下颈部具有最大的Nij值。 由表2可知,B 头盔和C 头盔质量相近,而C 头盔质心靠后,显示质心的过度后移会增加颈部的损伤风险。

3 结 论

本文对急转弯及稳定盘旋飞行工况下,不同头盔对飞行员颈部损伤的影响进行了仿真模拟研究,得到了不同工况下颈部肌肉力、椎间力与力矩及颈部损伤Nij的变化规律,分析了不同飞行工况下头盔对颈部损伤的影响,得到以下结论:

1) 在2 种飞行工况下,B 头盔的佩戴使得头部质心前移,均增加了颈部前屈时斜方肌的肌肉力,容易造成斜方肌的拉伤;A 头盔和C 头盔的佩戴使得质心后移,导致集总舌肌受到拉伸。

2) 对于特定头盔情况,下颈椎的轴向压缩力高于上颈椎;对于同一颈椎节段,B 头盔的情况下轴向压缩力最大,C 头盔导致的后伸力矩最大。

3) 在所有的飞行工况下,上下颈椎的Nij均小于0.5,表明4 种头盔情况均不会造成颈部严重损伤,满足航空领域的安全要求。

4) 对于同一飞行工况相同的颈椎节段,C 头盔导致的Nij最大,其次是A 头盔情况,而B 头盔导致的轴向压缩力大,Nij却较小,这与颈部在前屈后伸过程中的损伤容限有关。 B 头盔和C 头盔质量相近,而B 头盔靠前,C 头盔靠后,说明头盔质心的前后位置对颈部的损伤产生严重影响。