高速后碰撞时人体上颈椎的有限元分析

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.0037

摘要/Abstract

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文题释义：

上颈椎：人体颈椎骨总共7块，分别为C₁到C₇，本文选取C₁-C₄进行建模分析。C₁C₂因其结构特殊分别称为寰椎和枢椎，C₃和C₄为普通颈椎。颈椎骨分为皮质骨和松质骨。当然，颈椎不仅包括椎体，还包括椎间盘、韧带、肌肉、小关节等组织。C₁和C₂之间没有椎间盘，其余椎骨间都有椎间盘。颈椎作为脊骨中体积最小的椎体，它是灵活性最大、活动频率最高、负重较大的部位。

人体颈椎有限元模型：运用有限元建模软件建立的人体颈椎模型能够反映人体颈椎详细的解剖结构，并且可以模拟出颈椎在不同加载条件下的动力学响应和损伤，这是现阶段无法用实验完成的。采用有限元分析方法，是目前比较普遍和成本较低的方法，能够有效的对车辆碰撞事故中的颈部损伤的力学机制进行预测和分析。

摘要

背景：高速公路事故逐年上升，最容易受到伤害的便是颈部。有限元分析可以很好的探究颈部损伤的力学机制。目前国内外现阶段更注重模型的优化和低速碰撞工况，少有颈部损伤和颈椎拉压应力之间关系的研究。

目的：探究高速后碰撞下人体颈椎的损伤的力学机制，对颈部损伤时椎骨Von Mises应力和轴向压应力进行对比分析。

方法：建立了一个包括颈椎骨、椎间盘、韧带、肌肉、小关节等组织的人体上颈椎模型。在前碰撞志愿者实验数据的基础上对模型进行了验证。运用有限元方法完成了对高速(80，120，160 km/h)后碰撞下颈椎的动力学响应。

结果与结论：①经过模拟及验证表明，建立的上颈椎模型具有较高的生物仿真度，可以用于颈椎损伤研究及交通事故中各部位损伤的研究；②高速后碰撞下，速度越大，颈椎受到的损伤越严重，C₁-C₄中C₄的应力最大，受到的伤害最大；③用轴向压应力来判断松质骨是否发生破坏要比von-mises应力更有说服力；④在高速后碰撞下，椎骨相互之间发生错位，尤其是超出高速公路限制120 km/h后，椎骨之间错位严重，极有可能出现关节分离和骨折等情况，造成颈椎内部神经等损伤。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程
ORCID: 0000-0002-4526-0178(刘映璇)

关键词: 颈椎损伤, 高速后碰撞, 骨科植入物, 数字化医学, 有限元, 应力分析, 皮质骨, 松质骨, 骨骼强度, 挥鞭样, 国家自然科学基金

Abstract:

BACKGROUND: Highway accidents increase year by year, and the most vulnerable area is the neck. Finite element analysis can be used to study the mechanical mechanism of cervical injury. Most of researches focus on the optimization of the model and low-speed collision conditions, but the association of neck injury with cervical tension stress is little reported.

OBJECTIVE: To explore the mechanical mechanism of neck injuries caused by traffic accidents, and to compare the von Mises and axial stress of the cervical vertebrae.

METHODS: A cervical spine model including cervical vertebrae, intervertebral disc, ligament, muscle, facet joint was set up. The model was validated based on the experimental data of the former impact volunteers. The dynamic response of the cervical vertebrae was achieved using the finite element method (80, 120, and 160 km/h).

RESULTS AND CONCLUSION: (1) The established upper cervical model had a high biosimulation, which could be used in studies on the cervical injury and each part injury caused by traffic accidents. (2) Under high-speed post-impact condition, the cervical injury became severe with speed increasing, especially C₄ level. (3) The axial stress was more available to assess the injury of cancellous bone than von Mises. (4) After high-speed post-impact, the vertebrae diaplaced, especially at 120 km/h, thereby causing articular separation and fracture, further inducing nerve root injury.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

Key words: Cervical Vertebrae, Finite Element Analysis, Stress Mechanical, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

刘映璇，陈凌峰，安美文. 高速后碰撞时人体上颈椎的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2018, 22(3): 398-403.

Liu Ying-xuan, Chen Ling-feng, An Mei-wen. Finite element analysis of the human upper cervical vertebrae under high-speed post-impact condition[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2018, 22(3): 398-403.

图/表（结果） 2

本文根据现实情况模拟3种工况下的后碰撞。分别设定初始速度为80，120，160 km/h赋予头部和C₁，方向为Y轴方向，根据文献[29]设定加速度如图4所示，约束C₄和圆柱固定来模拟安全带系统，整个模型处于1 g重力场。

2.1 高速后碰撞下上颈椎皮质骨的动力学响应 图5，6分别是80，120，160 km/h速度下的皮质骨von-mises应力曲线图和应力云图。从应力云图中可以看出，椎骨的最大应力都集中在椎体后缘和椎体的上关节面上。从曲线图中可以看出，3种速度下颈椎应力大致呈相同趋势，即C₁寰椎应力首先呈上升趋势，紧接着C₂、C₃、C₄依次应力增大，达到峰值，随后开始依次下降，这是由于头颈达到最大变形后开始反弹，应力呈迅速下降趋势。应力峰值都呈现出C₁<C₂<C₃<C₄的情况。3种速度下应力最大点相同，都出现在C₄上，而且都出现在0.4 s时刻。不同的是，速度越大，应力上升越快，C₁-C₄产生的峰值越大，3种速度下应力峰值分别为120，165，268 MPa，其中，根据Carter和Hayes的研究指出人体骨骼强度的计算公式为：S=68(dε/dτ)^0.06ρ²_α^[30]，得到皮质骨强度为227 MPa。在80 km/h和120 km/h的速度下应力均未达到，在160 km/h下皮质骨都超出了骨骼强度，椎体骨骼发生了破坏。

2.2 高速碰撞下上颈椎松质骨的动力学响应 图7，8分别是80，120，160 km/h速度下的松质骨von-mises应力曲线图和应力云图。从图中可以看出，松质骨应力曲线图走向大致和皮质骨相一致。3种速度下颈椎应力大致呈相同趋势，即C₁寰椎应力首先呈上升趋势，紧接着C₂、C₃、C₄依次应力增大，达到峰值，随后开始依次下降。应力峰值都呈现出C₁<C₂<C₃<C₄的情况。3种速度下应力最大点相同，都出现在C₄上，而且都出现在0.4 s时刻。不同的是，速度越大，应力上升越快，C₁-C₄产生的峰值越大，3种速度下应力峰值分别为10 MPa、18 MPa、48 MPa，根据人体骨骼强度的计算公式：S=68(dε/dτ)^0.06ρ²_α^[30]，得到松质骨强度为47 MPa。在80，120 km/h的速度下应力均未达到，在160 km/h下松质骨都超出了骨骼强度，椎体骨骼发生了破坏。

图9，10分别是80，120，160 km/h速度下的松质骨轴向压应力曲线图和应力云图。从图中可以看出，3种速度下应力峰值分别为70，93，142 MPa，和von-mises应力相比，轴向压应力峰值比von-mises应力高出很多，最大值虽然都出现在C₄上，但是出现的位置不是同一处，而轴向压应力峰值出现的单元，松质骨会先于von-mises应力达到最大时发生破坏。所以，本文认为用轴向压应力来判断松质骨是否发生破坏要比von-mises应力更有说服力。

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引言

随着高速公路的快速发展以及汽车保有量不断攀升，国内高速公路交通事故在逐年上升，由此导致的死亡率一直居高不下，长期以来一直保持在24%-29%，相比同期全国道路交通死亡率要高出近10%^[1-3]。因为汽车高速碰撞造成的头颈部及身躯的相互运动而导致的损伤是交通事故中的主要因素，而颈部的损伤可以通过分析其应力得出一定的结论^[4-8]。随着软件技术的发展^[9-11]，运用有限元建模软件建立的人体颈椎模型能够反映人体颈椎详细的解剖结构，并且可以模拟出颈椎在不同加载条件下的动力学响应和损伤^[12-17]，这是现阶段无法用实验完成的。采用有限元分析方法，是目前比较普遍和成本较低的方法，能够有效的对车辆碰撞事故中的颈部损伤的力学机制进行预测和分析。Halldin等^[18]于2000年在CT图像的基础上建立了一个无肌肉组织的头颈部有限元模型，并对头颈部在轴向冲击作用下的损伤机制进行了研究。杨济匡等^[19]于2002年基于国外人体颈椎几何数据建立了国内首个颈部损伤的有限元模型，该模型考虑了肌肉被动力的影响，且包含了椎间盘和软骨等组织，并通过与假人头部的匹配连接，进行了前碰撞模拟。杨济匡等^[20-21]于2014年建立了带有肌肉主动力的颈部有限元模型，进一步完善了有限元颈部模型。然而，大部分学者的研究集中在低速情况下的碰撞，高速碰撞很少提及，对于颈部损伤和颈椎拉压应力之间关系的研究也很少涉及。但是，这些年高速路上连环碰撞的案例时有发生，造成的损失也相当严重。因此，很有必要研究在前车已停止，后车高速碰撞后的损伤机制。

文章采用由医院提供的1名无脊椎相关疾病的志愿者颈部CT扫描数据，建立了一个能够反映人体结构基本特征的上颈部有限元模型，并通过模拟验证了其有效性。通过对其进行高速后撞击下的模拟研究，分析了高速后碰撞下上颈椎的冲击动力响应，得出了一定的结论，为后续的高速碰撞研究提供了参考。

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材料方法

1.1 设计 三维有限元建模分析。

1.2 时间及地点 于2016年3月至2017年1月在太原理工大学应用力学与生物医学工程研究所完成。

1.3 材料 本文所使用的CT图像由1名无脊柱相关疾病的志愿者提供，男性，29岁，无既往颈椎病史。共得到人体头颈部图像221张，以DICOM 3.0标准刻录进行保存，得到了上颈椎CT图像数据，并导入到MIMICS中进行建模。

软件：MIMICS 16.0软件(Materialise公司，比利时)，ANSYS 12.0软件(ANSYS公司，美国)，Hypermesh 11.0软件(Altair公司，美国)，LS-DYNA。

1.4 方法

1.4.1 上颈椎有限元模型的建立将上颈椎CT图像导入Mimics 16.0软件中生成上颈椎立体模型，然后再导入到ANSYS前处理软件中通过光滑处理得到三维实体模型，用一个球体简化成模型头部。经过对颈部解剖结构和各部分生理特性的详细了解，将模型导入到Hypermesh 11.0中，依据解剖位置建立颈部软组织、韧带、肌肉、小关节等有限元模型，就形成了比较完整的上颈椎有限元模型^[22-25]。其中，上颈椎模型包括C₁(寰椎)、C₂(枢椎)、C₃、C₄、椎间盘、各连接韧带、肌肉与关节囊，得到的模型完整美观。

1.4.2 材料属性的设定将模型导入到LS-dyna中，根据参考相关文献，以现有的颈部材料参数为基础，对模型各部位的材料参数的进行了定义，具体材料参数根据Yang 等^[26-27]发表的文献定义，各部分材料参数如表1所示。最终模型如图1所示。

1.4.3 上颈椎模型的验证 1978年Ewing等^[28]做了志愿者前碰撞试验。通过记录志愿者在运动过程中头部的角加速度、角速度和头部质心的线性合成加速度以及胸椎T₁的运动响应情况，分析了前撞击工况下颈椎的动力响应。
本模型由于没有建立胸椎模型，而用一个圆锥体来代替C₅。根据试验中的描述，在仿真模拟前撞击时将T₁胸椎的速度曲线作为输入载荷施加于颈椎底端，约束模型底部X、Y、Z方向上的转动，仿真时间为400 ms，见图2。仿真曲线基本在实验中列出的头部相对于椎体在竖直方向位移上限和下限曲线范围内，总体趋势吻合良好，见图3。

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讨论

常见的颈部损伤通常有下列几种情况：第1种是椎体以及相连的韧带、肌肉的损伤，这是由于拉伸-弯曲过度伸展以至于椎间盘过度运动，从而使颈部出现特别大的剪切力，从而超出椎体、韧带以及肌肉的忍耐限度，最终出现颈部损伤；第2种是脊髓神经的损伤，这是由于碰撞产生挥鞭运动对神经根造成压力，脊髓内压力也随之升高，这种压力会对乘员背部神经根中心产生影响，从而向大脑发送疼痛信号^[31-36]；第3种是小关节的损伤，这是因为相邻两个关节突出面会在追尾冲击下强烈撞击，从而导致关节错位引起软组织拉伤。本文在建立颈椎模型模拟碰撞的基础上，分析各部分应力和应变可得知，高速后碰撞下出现了不同程度上的皮质骨、松质骨、的损伤。尤其是从图11中可看出，枢椎椎突和寰椎前部在变形前有着大约0.5 cm的距离，在最大变形处，椎突和寰椎相接触，产生错位，而这种错位极有可能出现椎突骨折或者椎骨骨折，造成颈椎内部神经等损伤，导致长期疼痛、高位截瘫甚至死亡^[37-40]。本文利用有限元模拟，建立了一个相对完整的上颈椎有限元模型，并通过和前人做的实验进行了相关性验证，虽然存在一定的偏差，但是大部分相吻合，可以充分验证模型的可行性。然后对所建立的人体上颈椎模型经行了80，120，160 km/h三种速度的后碰撞模拟，通过对仿真模拟结果的分析讨论了人体上颈椎在高速后碰撞下的动力学响应，得出以下结论：①高速后碰撞下，速度越大，颈椎受到损伤越严重，而在本文研究的C₁-C₄中，C₄的应力最大，受到的伤害最大；②在松质骨的研究中，本文认为用轴向压应力来判断松质骨是否发生破坏要比von-mises应力更有说服力；③在高速后碰撞下，椎骨相互之间发生错位，尤其是超出高速公路限制120 km/h后，椎骨之间错位严重，极有可能出现关节分离和骨折等情况，造成颈椎内部神经等损伤，导致长期疼痛、高位截瘫甚至死亡。

总之，本文与国内外同类的车辆碰撞颈椎有限元分析相比，本文有以下特点：①大胆的尝试了高速后碰撞的模拟，相对于其他学者模拟的低速情况，更具有实际意义；②对比了椎体松质骨的轴向压应力和von-mises应力的结果图，认为在实际碰撞中用轴向压应力来判断椎骨是否损伤更具有可信度；③考虑了肌肉被动力对颈椎的影响，加入了简化的肌肉模型。

当然，本文也有一定的不足之处，一方面没有考虑到肌肉主动力对颈椎的影响；另一方面，本文所建立的上颈椎虽然可以揭示出一定的高速碰撞工况下颈椎动力学响应的特点，但是相对于完整的颈椎模型还存在一定的差距。这是未来需要继续改进的地方。

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