生物力学仿真技术在航空医学研究中的应用

刘 洋，王 航，曹新生

(空军军医大学航空航天医学系航空航天人机工效学教研室，陕西 西安710032)

生物力学是指应用力学原理与方法对生命体中的力学问题定量研究的生物物理学分支。生物力学的基本任务是运用物理力学的理论和方法来研究生物和人类在宏观和微观水平上的力学特性和活动，通过剖析发生于人类生命活动过程中的各类力学现象和过程，认识人类生命过程的基本规律，从而回答有关生物技术和生命科学领域的基础科学问题[1]。作为生物力学仿真技术的多体动力学仿真模型和有限元方法已经全面应用于生物力学研究[2-3]。生物力学仿真技术已成为临床医学、航空航天、汽车安全以及个体安全防护设备研究的一种重要手段。数值模拟方法有助于研究人员更好地理解软组织中发生的应力和应变，已广泛应用于生物力学研究中[4-5]。

航空医学关注的是在航空工作环境下所引发的心理、生理和医学问题以及相应的预防措施。航空特殊环境主要包括气体环境、力学环境、温度环境、噪声环境、辐射环境等[6-7]。军事飞行人员身体长年承受着复杂的力学环境的影响，复杂多变的力学环境(包括持续性加速度、冲击性加速度、振动以及微重力等)不仅会对人体各组织及器官产生影响，而且长时间处于复杂的力学环境下会威胁到人的生命健康。不同的力学环境和防护设计对于个体响应也存在差异性。航空医学研究典型力学大多难以通过实验复现，并且实验测量还具有一定的危险性，例如弹射救生、高速气流吹袭以及开伞冲击等，这就为生物力学仿真技术研究航空医学问题提供了条件，通过生物力学建模与仿真不仅可以从生物力学角度揭示飞行相关病变的机制，还有助于研发新型航空个体防护装备，优化航空装备工效学，预测航空飞行相关疾病发展变化过程等[8]。因此，生物力学仿真研究在航空医学领域越来越被研究者所重视。

1 军事航空医学研究中面临的典型力学问题

军事航空飞行和空降训练作战中面临复杂多变的力学环境，对飞行人员和伞降人员会产生诸多力学影响，例如高性能战机的各种特技动作和机动飞行、飞机迫降或坠毁、弹射离机以及开伞或者着陆冲击等，航空医学研究中应用生物力学仿真技术常通过运用计算机软件模拟飞行人员或者空降兵在不同作业环境下其关节力、肌肉力以及器官组织的受力，并利用仿真结果对个体防护装备进行优化设计。

1.1 颈部损伤

电子技术、发动机技术以及复合材料的快速发展及其在飞机的设计与制造中的应用，使得飞机的机动性能大幅提升，可以完成多种形式的超机动动作(如普加乔夫眼镜蛇、落叶飘以及库尔彼特筋斗等)，在飞机完成超机动动作时产生的特殊力学环境对操控飞机的飞行人员的生理功能将产生重要影响[9]。此外，在完成超机动飞行过程中，飞行人员在承受飞机姿态不断变化引起的过载作用的同时，还需要通过不断改变头部位置以便密切关注飞机的飞行姿态、周围的飞行环境，多种力学因素的叠加可能导致飞行人员颈部的超负荷损伤[10]。

飞行头盔的质量不断增加、头盔质心变化、远距离飞行等也是引起飞行人员颈部损伤的重要原因。现代飞行员头盔集成度大幅提高，尤其是新一代头盔不仅具有飞行信息显示功能，而且还具有目标跟踪的功能，导致头盔的质量不断增加[11]。如美国空军从F-15，F-16配备的联合头盔安装提示系统到F-35配备的头盔显示系统，头盔的质量从1.95 kg增加到2.30 kg，头盔质量增加了0.35 kg，这也增加了飞行人员颈部损伤的风险[12]。美国海军航空兵和空军中50%～75%的高性能战机飞行员曾出现过颈部疼痛，战斗机飞行员在长时间反复暴露于+Gz载荷后的颈部损伤发生率高达89%[13]。

飞行人员颈部损伤主要类型包括：颈部软组织损伤、椎骨骨折、椎间盘退变及椎间盘突出等[14]。通过生物力学仿真技术可模拟不同力学条件和不同质量头盔对颈部肌肉损伤的影响，进而能够优化飞行操作动作和飞行头盔的工效学设计。

1.2 脊柱胸腰段损伤

现役三代和四代战机相比原二代机的机动性能有了大幅的提升，高风险的实战化训练增加了飞机出现特情的概率，弹射离机成为飞行人员逃生的最后选择。但在此过程中，飞行人员将会受到冲击性过载为主的多种力学作用，其中弹射瞬间产生的以+Gz为主要方向的冲击性过载是主要致伤因素之一。因此在飞机座舱以及弹射系统设计中+Gz方向过载对脊柱生物力学的响应是最重要的考虑因素。HMLINEN[15]对320名飞行员和283名对照者进行研究，发现脊柱损伤与弹射时过载值密切相关。国内的研究也发现，当过载为17.8～20.7g时，脊柱无损伤，而过载达到23.8～26.2g时，发生骨折的概率为60%。通过对法国空军在2000—2008年间的弹射数据分析发现，42%的飞行员发生了脊柱骨折、椎间盘及韧带损伤，其中发生骨折的飞行员术后6个月才能恢复执行飞行任务[16]。飞行事故统计分析，在实施弹射救生的飞行员中29.4%的飞行人员发生脊柱骨折，64.2%发生于T10～L2节段[17]。

飞行员弹射脊柱损伤主要类型包括：胸腰段脊柱的压缩性骨折、腰部软组织损伤、后纵韧带变形、椎间盘椎间盘突出等。通过生物力学仿真技术可以分析脊柱内部不同节段甚至单一椎骨的受力情况，从而提出更加科学的弹射姿势并且对座椅进行优化设计。

1.3 下肢损伤

空降兵较其他兵种，有着较强的作战力和较高的军事训练损伤率[18]。国内外报道超过80%的空降兵跳伞损伤发生在着陆过程中，其中超过70%是由着陆姿势不正确引起的。损伤以下肢为主，主要涉及踝关节和膝关节[19-21]。EKELAND等[19，22]对空降兵跳伞损伤大规模流行病调查发现，膝关节损伤分别占约18.0%和21.0%。GUO等[23]对伞兵 59 932次跳伞调查发现，79.7%损伤为下肢损伤，膝关节损伤约占总损伤的19.0%。刘涛等[24]对空降兵膝关节损伤因素的调查发现，较大的地面反作用力、着陆姿势不正确是引起侧副韧带和前交叉韧带损伤的重要因素。郑超等[25]对空降兵的伞训伤调查也发现，膝关节在离机跳伞和平台训练中损伤率高达21.1%，以膝关节韧带损伤多见。牛文鑫等[26]报道了模拟空降兵半蹲式着陆过程中不同的踝关节防护对下肢肌肉活性及踝关节动力学影响。研究发现，通过使用防护装备可提高人体下肢关节的稳定性，如使用护膝能够有效预防膝前疼痛综合征[26]，增强膝关节的本体感觉、协调肌力和稳定膝关节[27]，通过生物力学分析发现护膝能够增大着陆过程中触地时刻膝关节的屈曲角度，但对峰值膝关节屈曲及地面反作用力变化无明显的影响[28-29]。

使用生物力学仿真技术可以全面模拟和分析着陆过程中膝关节和踝关节受力情况，进而对伞兵伞降动作进行准确评估并提出改进建议，并可对防护装备如伞兵鞋、伞兵包进行优化设计。

2 生物力学仿真技术在航空医学研究中的应用

近些年来，随着计算机技术的飞速发展，计算流体力学、多体动力学、有限元法等计算方法得到快速发展，并被广泛应用于工程领域的各个方面，如车辆工程、航空航天、建筑设计以及临床领域。生物力学仿真技术主要包括以下3种：①集中质量模型。集中质量模型是最为简单的一种，通过将人体按照结构分为几个部分，各部分质量加到某一点上，连接处根据各个关节的性质采用刚性或者柔性连接方式，由于其简单易用、计算速度快的特点，常用于生物力学的初步分析。②多刚体动力学模型。多体动力学是研究冲击载荷下力学效应最有效的方法之一。基于多刚体动力学理论的多刚体模型可以简单、快速地建立，并能精确地模拟身体部位的运动学和动力学。因此，多刚体模型被广泛用于颈椎、腰椎以及下肢动力学分析[4，30]。其主要应用于多自由度等复杂运动学问题，其主要分析软件包括Adams、AnyBody和Opensim等。③有限元模型。有限元模型是基于有限元法建立的一种数字模型，将复杂的人体组织和器官离散成有限个点、线、面和体进行计算分析。与多体动力学模型相比，有限元模型可以提供更详细的局部变形和应力分布信息，因此，复杂结构中的应力和应变，如脊柱骨骼和软组织，可以更真实地研究。随着技术的发展，基于CT图像的具有显式几何形状的更为复杂的三维有限元颈部模型已经被开发出来，并广泛应用于损伤生物力学领域，包括不同方向的冲击分析[31]。其具有计算精度高、可解决复杂非线性问题等优点，近年来也逐渐成为生物力学研究中的主要技术手段[27]。在航空医学研究中，生物力学仿真技术的应用方式主要是通过构建合适的数学模型和力学分析模型，针对性添加飞行员或者空降兵的外围载荷环境和相关约束条件(如战机座舱对飞行员、伞兵包对空降兵)，可以测量实验研究中难以测定的参数，与实验研究形成互补作用，从而能够较为准确地模拟人体在航空飞行活动中的真实运动变化及生物力学响应。生物力学仿真技术在航空医学研究中的应用主要包含如下。

2.1 航空飞行导致的颈部损伤方面的应用

刘景龙等[32]通过多刚体动力学模型分析弹射条件下头颈部的生物力学响应，结果表明夜视镜和护目镜的添加显著增加了颈椎各节段的压力和力矩，进而增加颈部损伤风险。贾晓红等[33]通过AnyBody软件仿真头盔质量和质心在不同加速度作用下对飞行员颈部肌力的影响，研究结果表明头盔质量增大，颈部肌群受力随之线性增加，同时当质心左右偏移时会引起颈部侧弯功能肌群激活。张朋等[34]通过生物力学仿真研究飞行员在弹射救生过程中高速气流吹袭的损伤机制，研究结果发现增大人椅系统的迎角可以改善飞行员颈部受力情况。王家涛等[35]采用有限元方法针对典型机动飞行动作过程中飞行员颈椎动力学响应进行力学分析，研究结果发现机动飞行过程中加速度过载造成飞行员直接损伤的可能性较小。包佳仪等[36]采用有限元模型、多刚体模型和协作算法对典型阻拦着舰过程中飞行员颈部损伤开展评估，结果表明飞行员保持肌肉紧张以减低头部低频振动可以降低颈部肌肉和韧带的损伤。

2.2 弹射中脊柱损伤方面的应用

尽管近年来弹射座椅性能不断改进提高，但与脊柱损伤相关的弹射损伤发生率仍然居高不下。许多因素都能够增加弹射损伤的风险，包括轴向加速的影响、肌肉耐力训练的频率和飞行时长[37]。现有研究多集中在冲击载荷产生的脊柱损伤的机制或利用数值模拟设计保护装置[38]。HESS等[39]创建了第一个连续脊柱模型。将整个脊柱简化为各向同性，且一端自由，另一端具有一定加速度杆模型。20世纪70年代，俞梦孙院士在国际上首次提出冲击载荷下人体脊柱动态响应模型，为探讨弹射脊柱损伤提供了力学仿真研究工具[40]，该模型与损伤数据有着广泛的联系，为评估弹射中生物动力学作用下安全性提供了有益的依据。为了更全面地研究弹射时脊柱损伤机制，还需要考虑软组织如肌肉的变化。为此，SOECHTING等[41]建立了一个有限元模型来研究脊柱的弯曲反应，增加了脊柱肌肉组织在弹射时的响应变化。此外，由于以往研究中建立的全局刚体动力学模型不能预测由于过载而产生的局部应力，PRASAD等[42]进一步建立了一个离散的人体脊柱模型来研究飞行员在弹射时脊柱受力。郭建峤等[43]通过建立考虑腹腔内压产生机制的飞行员脊柱肌骨多柔体动力学模型，探讨离心机过载条件下抗荷呼吸对脊柱载荷的影响，研究结果表明正确的抗荷呼吸能够提高脊柱肌骨系统抗过载能力。施斌斌等[44]应用有限元分析法，建立腰椎三维有限元模型，分析腰椎受过载的影响，研究揭示脊柱病变对相应椎体应力变化的影响。最近的研究又增加了有约束状态的仿真研究，SONG等[45]根据Life Mod建立了人体座椅动力学模型，深入研究了不同弹射环境下颈椎损伤的机制。都承斐[46]在以往建立的研究模型中增加了约束条件，建立飞行员人-椅背带约束系统模型，从而可以更准确地分析飞行员的操作工效以及弹射救生时脊柱的生物力学响应。

2.3 空降兵跳伞下肢生物力学分析方面的应用

近年来对空降兵个人装备如伞兵鞋和伞兵包不断优化，但是空降兵的下肢损伤发生率仍然高居不下。据统计，1960—2012年，我军空降兵跳伞训练伤中位发生率为13.90%，踝部、腿部、腰部损伤率位居前三。为此，航空医学研究人员开展了一系列力学仿真研究试图弄清楚伞降着陆过程中的力学变化及其对人体下肢各部位的影响。

跳伞着陆过程中膝关节力学变化是研究的热点。2005年KASTURI等[47]建立了空降兵着陆的有限元模型分析着陆过程中损伤因素，发现高冲击力是下肢关节损伤的主要因素，较小的足背屈角度可导致邻近关节更高的冲击力。2010年王旸等[48]通过AnyBody软件建立空降兵半蹲式着陆的骨肌动力学模型，并使用体表肌电测得肌肉激活度及肌力变化，发现在32 cm高度下着陆后0.2 s时刻各关节角度达到极值，垂直方向地面反作用力可达体质量的3倍以上，是下肢关节损伤的主要原因。2013年MAKINEJAD等[49]利用有限元模型分析不同高度着陆时(25、50、75 cm)的膝关节受力变化，发现在膝关节近伸直位着陆时(低屈曲角度)，会导致半月板和软骨的严重变形，若关节负荷超过阈值会显著增加膝关节接触力和软骨的应力分布，造成严重的膝关节损伤。2015年NICHOLAS[50]建立模拟跳跃着陆的AnyBody肌骨模型，研究着陆过程中前交叉韧带损伤的危险因素，发现着陆的垂直高度和水平距离增加非接触前交叉韧带损伤的风险，尤其是单腿着陆风险更高；同时发现腘绳肌和腓肠肌能够产生一个制衡股四头肌引起胫骨前移的应力，从而减少前交叉韧带损伤风险。2016年ORSI等[51]建立了膝关节三维有限元模型，包括骨和软组织等(主要韧带、膝关节肌肉、关节软骨和半月板)，发现着陆过程中，动态的膝外翻崩溃机制是前交叉韧带损伤的主要风险，同时关节软骨的损伤出现在前交叉韧带损伤之前。WU等[52]通过多体动力学模型探讨降落高度和护膝支架的使用对着落过程生理学的影响，研究结果表明支架可以有效地限制膝关节的稳定性。

跳伞着陆中的踝关节力学变化是另外一个研究重点。郭俊超等[53]对不同结构护踝对伞兵踝关节的保护作用进行了仿真研究，研究结果发现当伞兵着陆到斜面时，护踝可以起到良好的保护作用。王鹏等[54]对不同高度半蹲式着陆与内外踝关节应力关系进行了研究，研究结果表明，高度对内踝最大应力平均值大于外踝最大应力平均值的现象无明显影响。双足内踝最大应力大于双足外踝最大应力是导致伞兵足过度内翻，甚至造成踝关节损伤的主要生物力学机制。

3 总结与展望

生物力学仿真技术已经成为研究航空医学中人体损伤和防护的重要手段，本文综述了生物力学仿真技术在典型航空医学力学问题中的应用及发展。主要包括多体动力学模型和有限元模型两种仿真方法。特别是有限元的应用，有限元模型在分析飞行员进行高机动飞行、弹射救生以及空降兵着陆过程中对颈椎、脊柱、关节内部应力和应变变化有明显的优势，但是有限元模型的准确性依赖于精确的实体模型以及各组织和器官材料赋予的赋值，未来应提高模型的准确性和实验对各组织材料属性的测定，特别应提高仿真时边界条件各约束的设置和简化，如空降过程中伞兵靴对踝关节的约束等；多刚体动力学模型虽然可较好地分析上述过程中动态关节力和关节力矩等动力学参数，但是只能在一定程度上反映骨骼和肌肉的力学变化规律，未来应优化模型肌肉的冗余问题，同时提高运动学数据采集的精度，针对不同的个体建立有针对性的仿真模型。