Finite element analysis of the human upper cervical vertebrae under high-speed post-impact condition

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.0037

Abstract

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

CLC Number:

R318

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.

Figures/Tables 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)0.06 ρ2α[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)0.06 ρ2α[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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