头部旋转姿势下的颈部低速后碰响应

武和全 龚创业 任启凡 周惠来 Mao Haojie

关键词：汽车安全；低速后碰；头部旋转；颈椎损伤；乘员损伤

颈椎在受到高负荷或超出生理活动范围的异常运动时容易发生损伤，低速追尾碰撞事故中的颈部损伤在简明损伤定级（AbbreviatedInjuryScale，AIS）中被划为AIS1（轻度损伤），尽管这种类型的颈部损伤致死率很低，但造成了巨大的医疗及经济损失[1]。颈椎的损伤过程复杂，并且可能发生在颈椎的任一水平位置，据统计颈椎损伤主要集中在2个主要区域，即颅颈交界区和下颈椎区。在颈椎整体尺寸的限制下，引入约束能显著降低AlS3（重度损伤）及更高水平的损伤发生率，但会增加AIS1水平的损伤发生率[2]。

临床研究中发现在关节囊中有许多神经末梢，这反映出颈部的各个小关节是发生挥鞭伤的常见位置。解剖特征显示：小关节阻止了上锥体的前向剪切运动，但是并不能阻止自身的后向剪切运动。小关节之间的撞击、关节的轴向压缩、剪切以及关节囊的过度拉伸是造成挥鞭伤的主要原因[3]。

J.A.J.Shugg等[4]的研究表明，驾驶员头颈部的旋转姿势多发生在变道、停车相关的驾驶中。驾驶员可以通过头颈部旋转获得更多的视觉信息，于鹏程等[5]的研究表明，驾驶员主要依赖视觉、听觉和触觉3种感官来感知交通信息。据其研究结果显示，超过90%的交通信息通过视觉感知获取。M.Sturzenegger等[6]发现撞击时头部姿势对挥鞭伤的持续性有显著影响。为了支持这一理论，R.B.Kaale等[7]使用磁共振成像进行研究，试验表明处于头部旋转姿势的测试对象有更高的损伤可能，并确定了颈部翼状和横向韧带为潜在损伤位置。李海岩等[8]使用单独头颈部模型探讨了头颈部在屈曲、伸展姿态下后碰撞与标准姿态下颈椎的损伤差异。陈吉清等[9]基于完整颈部解剖学结构构建了中国50百分位成年男性全颈椎生物力学模型，并单独使用头颈部模型进行了验证。当前学者们的研究主要集中在驾驶员标准驾驶姿态下的碰撞损伤[10]，而颈部损伤的评价标准（NeckInjuryCriterion，NIC）、颈部位移标准（NeckDisplacementCriterion，NDC）等，只考虑了乘员在矢状面下的损伤风险，更复杂的运动下三维方向上的损伤还需要进一步研究。

驾驶员头颈部旋转姿势多发生在与变道、停车相关的驾驶中，头部旋转姿势在碰撞事故案例中占比大，研究头颈部旋转姿势下的碰撞损伤具有重要意义。本文针对头部处于旋转姿势下发生追尾事故的情景，使用全球人体模型联盟（GlobalHumanBodyModelsConsortium，GHBMC）模型，只保留头颈部，去除皮肤后进行柔性冲击实验改变模型头颈部姿势；将志愿者实验T1（第1块胸椎）上的加速度曲线导入有限元模型，并激活颈部肌肉研究3种头部右侧轴向旋转角度（0°、20°、40°）对追尾事故中颈部损伤的影响。

1研究方法

1.1参考实验

J.Davidsson等[11]对11位男性志愿者进行了23次后碰测试实验，志愿者坐在安装了标准汽车座椅的滑车上，双手自然放置于大腿，双脚放在踏板上，放松头部肌肉并且保持头部水平；并采用三点式安全带约束乘员，使用冲击器撞击目标滑车进行后碰实验，冲击器重570kg，目标滑车重890kg。实验利用装在T1处的加速度计以及固定在头部重心处的头部加速度计记录T1以及头部的相关运动曲线，如图1和图2所示。

1.2仿真模型

目前使用的有限元人体模型，均难以使其关节进行转动改变人体模型姿态。由于人体颈部由7块相对独立的颈椎（C1～C7）组成，并且在不同的颈椎上附着有多种肌肉韧带，这导致要改变头颈姿势就更为复杂。椎体的体外载荷和运动虽然不能代表活人的体内载荷和运动，但是局部（椎体）水平上理解颈椎的力学特性对于全尺寸人体低速后碰撞的研究也至关重要。本研究使用GHBMC模型，只保留头颈部，去除皮肤；使用GHBMC模型对颈椎与椎间盘单独建模，能够较好地模拟颈椎在水平方向的运动。模型包含头部、颈椎（C1～C7）、第1胸椎（T1）及附着在椎体上的肌肉和韧带组织。使用一个柔性冲击器缓慢地对模型施加一个外力，对模型进行右侧轴向旋转预仿真处理，从而达到需要的旋转角度。头颈部旋转20°、40°模型的各颈椎段之间的角度如表1所示。A.White和P.C.Ivancic等[12-13]对颈椎旋转范围进行了研究，实验所得到的最大轴向旋转范围（向右旋转为正）如表1所示，模型旋转预处理过程参考了M.Panjabi等[14]的研究成果，即C0-C1段（C0為枕髁）几乎没有轴向旋转，所以表1中没有考虑C0-C1段颈椎轴向旋转角度。比较表1中测量得到的模型颈椎旋转角度，可见右侧轴向旋转20°和40°的模型的椎间旋转角都在旋转范围内。本研究为了便于比较不同颈部姿势下的碰撞响应的区别，避开颈部的极限运动角度。

据S.Kumar等[15]的研究，头部旋转并不影响颈部肌肉的加载时间，所以肌肉的激活水平采用B.J.Fice等[16]研究的肌肉激活曲线，如图3所示。志愿者实验的平均坐高是0.93m，由于志愿者的身高体形等存在差异，头与头枕的水平距离为70～120mm，使用的有限元模型的体形相对于志愿者实验较为娇小，所以将头与头枕的水平距离设置为60mm，坐高为人体模型自然坐于座椅的高度。本研究中的仿真实验使用标准头枕，头部保持水平放松，施加图3的肌肉激活曲线。对不同右侧轴向旋转的头颈模型进行后碰仿真，仿真模型如图4所示。

1.3分析方法

如图5所示，解剖学上用3个虚拟平面来描述身体部位的位置，其中矢状面是指沿身体前后径所做的与地面垂直的切面。此面将人体分为左右两部分。冠状面是沿身体左右径所作的与地面垂直的切面，亦称额状面，此面将人体分为前后两部分。横切面是垂直人体纵轴与地面平行的切面，此面将人体分为上下两部分。目前大多数损伤标准（例如Nij，Nkm，NIC）都是基于颈部矢状面上的运动提出的，对于没有处在矢状面上的运动造成的损伤，例如轴向旋转和侧向弯曲造成的损伤是无法考虑在内的。

随着人体有限元模型的发展，对软组织水平上损伤的研究已经展开，椎间盘间的旋转以及应力变化、小关节的碰撞以及各种椎间韧带长度的变化都被应用在损伤分析中，但至今没有明确的损伤阈值。IV-NIC（intervertebralneckinjurycriterion）是基于各椎骨的伸展、弯曲角度超过生理极限时对颈部造成的损伤而提出的，也可用于评价三维方向上的损伤[15]。需要注意的是IV-NIC的阈值并不是1，目前轴向旋转的IV-NIC阈值尚不明确。计算IV-NIC时，预仿真中头颈部转动的角度不计算在内，IV-NIC的实际旋转角度要减去初始角度。例如轴向旋转20°的模型碰撞仿真过程中的椎间旋转角度是减去模型预处理后的椎间旋转角度，得到的椎间旋转角度是相对与正常中立姿势下的椎间旋转角度。

其中：θd，i，j（t）为动态椎间旋转角度；θp，i，j为准静态的生理活动范围；i为椎间水平位置；j为移动平面。P.C.Ivancic等[17]多次实验得到部分颈椎段生理活动范围如表2，IV-NIC颈部损伤阈值如表3。

2仿真结果

2.1低速后碰头颈运动规律分析

在头部未旋转的后碰仿真中（右侧轴向旋转0°），初始阶段头部在惯性作用下保持原有姿势，相对于头枕略微向前，随即头部向后仰的同时伴随着旋转，T1向上运动并且不断旋转，导致颈部受到压缩，在90ms附近，颈部压缩接近最大；随后头部开始向后移动，颈部不断伸展，直到187ms时，头部与头枕接触。250ms时头部位置如图6a所示。

在头部轴向旋转20°的后碰仿真中，在90ms前后，颈部的压缩最大，随后头部发生轻微旋转；到100ms时，头部旋转角度达到最大值，后头部往中间回转并带动颈部往后伸展；在184ms时头部与头枕接触，接触位置略微偏左，如图6b所示。

头部旋转40°的仿真实验中，在0～99ms，头部继续向右侧发生旋转，其中C1-C2的相对旋转角度从29°变为32.7°。图6c中展示了99ms时头颈部姿势的正视图和侧视图；99ms颈部往后方向伸展的同时头部往左旋转，但并未完全恢复到驾驶员眼睛目视前方的正常驾驶状态；到147ms，头部的往回旋转持续了48ms，然后头部继续往斜后方伸展；在187ms时头部与头枕发生碰撞，碰撞位置靠近头枕左侧边缘，碰撞部位如图6c所示。

2.2椎间IV-NIC峰值

测量各颈椎水平的椎间角度通过计算得到了IVNIC峰值，如图7—图9中所示。

C4-C5及C7-T1段颈椎在头部右侧轴向旋转后碰仿真中会发生一定的左侧轴向旋转，如图7a所示，在所有仿真中颈椎左侧轴向旋转的IV-NIC峰值都小于1；从图7b中可以看出，头部轴向旋转与正常驾驶姿态相比会明显地增加后碰过程中颈椎的旋转角度，其中C1-C3及C6-C7段颈椎变化尤为明显。对比以上2图，C4-C5发生的左侧轴向旋转，C4-C5段上部和下部的颈椎发生右侧轴向旋转。在头部右侧轴向旋转初始姿势下的后碰仿真中，C4-C5段颈椎是研究的关键。

图8为碰撞过程中颈部前向屈曲和后向伸展的IV-NIC峰值柱状图，图8a中显示C6-C7段颈椎具有较大的IV-NIC值，其中轴向旋转40°的仿真中弯曲IV-NIC峰值达到1.9，但并未超过此颈椎段弯曲阈值2.3。图8b显示颈椎弯曲IV-NIC峰值和头部未旋转的后碰仿真中的结果相近，其所有的仿真中C3-C4颈椎段均超过阈值2.0。

从图9a中可以看出头颈部的轴向旋转增加了C1-C3和C5-C7的左侧轴向弯曲IV-NIC峰值，其中C6-C7弯曲程度最大，其侧弯IV-NIC峰值为1.8，并未超过此颈椎段的损伤阈值；图9b中，C4-C5出现了极大的侧向弯曲IV-NIC峰值，其中头部旋转40°的后碰仿真中，C4-C5段颈椎右侧侧弯IV-NIC峰值达到5.6，超过了C4-C5段的损伤阈值。

2.3椎间损伤生物力学

通过ls-prepost进行后处理得到颈椎的皮质骨及松质骨应力云图，如图10所示。在头部未旋转时，颈椎皮质骨最大VonMises应力为204MPa，出现在C7椎骨的椎板处；松质骨最大应力4.27MPa，出现在C7椎骨锥体前表面。头部右侧轴向旋转20°时，颈椎皮质骨最大VonMises应力值为215MPa，出现在C7椎骨椎板处;松质骨最大应力值为4.15MPa，出现在C7椎骨的錐体前表面。头部右侧轴向旋转40°时，颈椎皮质骨最大VonMises应力值为225MPa，出现在C7椎骨椎板处；松质骨最大应力值为4.85MPa，在C2椎骨锥体的前表面。颈椎皮质骨的最大VonMises应力值与头部轴向旋转角度呈现出正相关趋势，且最大VonMises应力集中在C7椎骨。颈椎松质骨的最大VonMises应力值与头部轴向旋转角度之间没有呈现出明显的相互关系。

3讨论

追尾碰撞发生时，人体的躯干会向前运动，头部由于惯性作用向后运动，使下颈椎节段伸展，上颈椎节段弯曲。从外侧角度看，这使颈椎呈现出一个弯曲且拉长的S形而不是单纯的C形。这是许多研究者公认的碰撞过程[18-19]。在右侧轴向旋转的碰撞过程中，颈部有在矢状面方向上的S形运动，也存在以C4-C5为运动中心的颈椎侧弯和轴向旋转的运动。在最初将头部平移形成这个S形弯曲的过程中，颈部肌肉被拉伸，在拉伸过程中会发生反射性收缩[20]。右侧轴向旋转20°的后碰仿真中，头部的往回旋转持续时长约34ms；右侧轴向旋转40°的后碰仿真中，头部的往回旋转持续时长约48ms。头部轴向旋转并保持放松，在受到碰撞后会迅速回转，头部往回旋转是肌肉受拉伸反射收缩的作用，在头颈部往后伸展时这个阶段对头部的运动影响不大。头部的轴向旋转对头部往后移动X方向和Z方向几乎没有影响，但影响Y方向的移动，会使头部与头枕一侧接触而使头枕无法发挥缓冲作用。头部在接触头枕并且反弹的阶段与正常驾驶姿势的运动不同，会引起头部和枕髁位置的损伤。

目前对于头颈部高速冲击下颈部肌肉的激活没有可靠的研究。虽然B.J.Fice等[21]使用等比例的方法缩放DENGBing等[3]尸体实验得到T1运动曲线来进行仿真实验，但是T1在X和Z方向的移动并不一定是與撞击速度成比例的，所以得到的输入曲线可能会与实际有很大区别，本实验由于参考实验数据的限制也未分析头部反弹的阶段。

在小范围的生理活动范围内，肢体之间由于生理活动产生的应力相对于碰撞中人体所受到的力而言是非常小的，所以，目前关于乘员不标准姿势下的乘员损伤，现有的研究中均没有考虑到将应力保留到下一步计算中。后续可以考虑将头颈部因旋转产生的应力保存后展开研究。

通过比较其他各颈椎水平的IV-NIC峰值发现，头部旋转的初始碰撞姿势会进一步增加各颈椎的旋转角度，颈椎发生损伤的最主要原因是颈椎侧弯角度过大造成的。从结果看，头部的轴向旋转对后碰过程中颈部的前向弯曲和后向伸展影响较小，即同驾驶员目视前方的姿态下变化情况一致。所以在研究驾驶员有头部轴向旋转行为的碰撞案例中，应该重点关注其碰撞过程中颈椎水平的左右侧弯造成的损伤。同时研究发现，颈椎损伤的最大部位是C4-C5颈椎段。造成C4-C5部位IV-NIC值过高的原因是由于头部轴向旋转，导致头部重心偏右，由于碰撞过程中头颈部在Y方向上的不对称性，导致了C4-C5部位发生了过度的侧向弯曲。C4-C5是颈椎运动的中心，不只体现在颈椎前后运动的S形运动过程中，也体现在后碰冲击中颈椎侧面弯曲和轴向旋转的运动过程中。

4结论

本文使用GHBMC头颈部模型，通过在T1上引入加速度曲线的方式，研究车辆追尾事故中3种头部旋转（0°、20°、40°）姿态下的驾驶员颈部损伤情况，得出如下结论：

1）在发生车辆追尾碰撞时，头颈部的轴向旋转姿态会进一步增加颈椎间的旋转角度，但颈椎间左侧和右侧旋转IV-NIC值均较小，说明头颈旋转姿势的后碰冲击中，颈椎不会因过度轴向旋转而发生损伤。

2）头颈部轴向旋转的姿势会明显增加碰撞过程中颈椎的侧弯角度，尤其是C4-C5颈椎段，碰撞过程中C4-C5颈椎段会因过度侧弯而发生损伤。

3）在头颈部旋转姿势下的后碰仿真中，颈椎伸展和屈曲的IV-NIC峰值与头部未旋转后碰仿真中的结果相近，即轴向旋转姿势不影响后碰过程中颈部因伸展和屈曲产生的S型运动过程。