陳吉清，吳 凱，蘭鳳崇，杜天亞，黃 偉

(1.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，廣州 510640； 2.廣東省汽車(chē)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640)

2016206

中國(guó)成年男性全頸椎生物力學(xué)建模與驗(yàn)證*

陳吉清，吳 凱，蘭鳳崇，杜天亞，黃 偉

(1.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，廣州 510640； 2.廣東省汽車(chē)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640)

為了深入分析汽車(chē)碰撞中乘員頸部動(dòng)力學(xué)響應(yīng)和損傷機(jī)理，基于完整頸部解剖學(xué)結(jié)構(gòu)建立了中國(guó)50百分位成年男性高仿生精度的全頸椎生物力學(xué)模型，模型由椎骨(密質(zhì)骨和松質(zhì)骨)和椎間盤(pán)(纖維環(huán)、髓核和軟骨終板)、韌帶、小關(guān)節(jié)以及肌肉等軟組織構(gòu)成。對(duì)比分析模型仿真結(jié)果與國(guó)外志愿者低速后碰撞試驗(yàn)和4名中國(guó)成年男性志愿者20km/h急制動(dòng)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)人體測(cè)量學(xué)參數(shù)對(duì)頭頸部響應(yīng)有較大影響，模型能較好地預(yù)測(cè)中國(guó)50百分位成年男性生物力學(xué)響應(yīng)，可用于汽車(chē)安全性設(shè)計(jì)和頸部防護(hù)措施的研究。

汽車(chē)碰撞；乘員安全；頸部損傷；生物力學(xué)模型

前言

頸部在人體中是連接頭部與軀干、靈活性最大、活動(dòng)頻率最高的部位，同時(shí)相對(duì)薄弱，是交通事故中最容易受傷的部位，特別是碰撞事故由于乘員頸部和頭部慣性運(yùn)動(dòng)造成的揮鞭損傷[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在美國(guó)180萬(wàn)起碰撞事故中，28%的事故會(huì)造成頸部損傷[2]，在日本追尾碰撞事故中，乘員頸部損傷占事故傷害的比例高達(dá)78.2%[3]。

鑒于碰撞事故中頸部損傷的嚴(yán)重性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用試驗(yàn)和生物力學(xué)模型分析的方法開(kāi)展了頸部損傷的研究。文獻(xiàn)[4]中進(jìn)行了7km/h志愿者后碰撞臺(tái)車(chē)試驗(yàn)，分析后碰撞中頸椎的響應(yīng)；文獻(xiàn)[5]中對(duì)11個(gè)未經(jīng)防腐處理的尸體進(jìn)行了頭頸部沖擊試驗(yàn)，分析頸椎椎骨的挫傷。由于志愿者試驗(yàn)危險(xiǎn)性高和尸體試驗(yàn)重復(fù)性差，生物力學(xué)模型仿真分析逐漸成為頸部損傷生物力學(xué)研究的主要方法。文獻(xiàn)[6]中建立了相對(duì)精確的頸部有限元模型，其頸椎椎體采用殼單元，對(duì)頭頸部不同方向的撞擊進(jìn)行模擬，預(yù)測(cè)頸部損傷情況；文獻(xiàn)[7]中在對(duì)椎骨幾何模型復(fù)雜表面簡(jiǎn)化修正的基礎(chǔ)上建立一個(gè)頸椎和脊柱的有限元模型，研究脊柱爆裂性骨折和骨折脫位等損傷形式；文獻(xiàn)[8]中根據(jù)CT圖像信息采用四面體單元建立了女性頸部有限元模型，分析肌肉內(nèi)部載荷。文獻(xiàn)[9]中根據(jù)美國(guó)ViewPoint DataLabs公司提供的椎骨幾何模型建立了頸部有限元模型，椎骨采用殼單元，研究了軟組織特性參數(shù)對(duì)頸部運(yùn)動(dòng)的影響；文獻(xiàn)[10]和文獻(xiàn)[11]中建立了中國(guó)男性除小關(guān)節(jié)外的全頸椎有限元生物力學(xué)模型，對(duì)后碰撞中椎骨和軟組織的響應(yīng)參數(shù)進(jìn)行分析。

已經(jīng)開(kāi)展的研究工作為乘員頸部生物力學(xué)建模、損傷研究與分析奠定了重要的基礎(chǔ)。鑒于人體頸部組織器官結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，以往生物力學(xué)模型構(gòu)建都做了簡(jiǎn)化處理，例如椎骨等結(jié)構(gòu)幾何形狀的簡(jiǎn)化，骨質(zhì)結(jié)構(gòu)上忽略了密質(zhì)骨和松質(zhì)骨的區(qū)別等[9-11]。有限元單元大都采用殼單元或四面體[6-9]，相對(duì)來(lái)說(shuō)模型的精度會(huì)受到影響。如何進(jìn)一步提高頸部生物力學(xué)模型的精度和仿真可靠性是未來(lái)研究工作的重點(diǎn)。

本文中基于完整頸部解剖學(xué)結(jié)構(gòu)建立了更加精細(xì)、生物逼真度更高的中國(guó)成年男性50百分位頸部生物力學(xué)模型，利用4名中國(guó)成年男性志愿者進(jìn)行了20km/h急制動(dòng)試驗(yàn)，將模型仿真結(jié)果與已有志愿者后碰撞試驗(yàn)[4]結(jié)果和20km/h急制動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，以驗(yàn)證模型的有效性，分析志愿者身體尺寸特征對(duì)頭頸部響應(yīng)的影響。文中所建立的生物力學(xué)模型精確反映了中國(guó)50百分位成年男性生物力學(xué)響應(yīng)，能用于汽車(chē)安全性設(shè)計(jì)，對(duì)于中國(guó)汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)和新車(chē)型自主開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)規(guī)范的制定具有重要意義。

1 人體頸部生物力學(xué)模型的建立

1.1 頸部幾何模型的建立

根據(jù)中國(guó)男性人體50百分位標(biāo)準(zhǔn)尺寸(身高1 678.0±59.33mm，體質(zhì)量59.0±6.66kg)[12]，選定身高1 680mm，體質(zhì)量60kg的一名30歲男性志愿者，利用CT斷層掃描和MRI圖像掃描獲取頸椎DICOM數(shù)據(jù)，結(jié)合兩種形式的醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)對(duì)頸椎進(jìn)行幾何重建，生成C1-C7頸椎的點(diǎn)云圖像如圖1所示。再對(duì)點(diǎn)云圖像去噪、濾波和數(shù)據(jù)平滑等處理，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)按照選定的精度，以曲面擬合方式生成表面光滑的幾何曲面，最終得到的頸椎椎骨幾何模型如圖2所示。

圖1 頸部組織點(diǎn)云提取

圖2 頸椎椎骨幾何重構(gòu)模型

1.2 全頸椎有限元模型的構(gòu)建

有限元網(wǎng)格劃分是影響后續(xù)計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性至關(guān)重要的一步。映射網(wǎng)格劃分方法是通過(guò)適當(dāng)?shù)挠成浜瘮?shù)將待剖分物理域映射到參數(shù)空間中形成規(guī)則參數(shù)區(qū)域，再對(duì)規(guī)則參數(shù)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格剖分，最后將參數(shù)域的網(wǎng)格反向映射回物理空間，從而得到物理域的有限元網(wǎng)格。頸椎椎骨包括椎體、前結(jié)節(jié)、后結(jié)節(jié)、關(guān)節(jié)突、椎孔、橫突及橫突孔等結(jié)構(gòu)，幾何外形極不規(guī)則。采用映射網(wǎng)格劃分方法完成C1-T1椎骨有限元網(wǎng)格的劃分，然后根據(jù)真實(shí)解剖結(jié)構(gòu)建立軟組織的有限元模型。

1.2.1 椎骨有限元模型

頸椎由C1-C7 7段椎骨組成，C1和C2結(jié)構(gòu)比較特殊，又分別稱(chēng)為寰椎和樞椎，相比于下頸椎的解剖結(jié)構(gòu)，寰椎沒(méi)有椎體，樞椎椎體上特有稱(chēng)為齒突的骨狀突起，作為寰椎的旋轉(zhuǎn)樞軸。其余5段椎骨結(jié)構(gòu)相似，尺寸略有差異，稱(chēng)為普通頸椎。椎骨分為外層的密質(zhì)骨和內(nèi)部的松質(zhì)骨，將椎骨幾何模型導(dǎo)入ANSYS中，生成實(shí)體并完成松質(zhì)骨網(wǎng)格的劃分。由于密質(zhì)骨在椎骨最外面，厚度很薄只有0.4mm[13]，在椎骨有限元模型的表面生成一層殼單元模擬密質(zhì)骨。以寰椎、樞椎和普通頸椎C4為例，其有限元模型如圖3所示。

圖3 頸椎椎骨有限元模型

第一胸椎T1與普通頸椎結(jié)構(gòu)相似，由椎體、椎弓和突起等構(gòu)成，在椎體側(cè)面后部近體上緣和下緣處各有半球形肋凹，與肋骨形成橫突關(guān)節(jié)，上下關(guān)節(jié)突的關(guān)節(jié)面幾乎呈冠狀位，相比于普通頸椎，T1的棘突較長(zhǎng)。T1有限元模型如圖4所示。

圖4 胸椎T1有限元模型

1.2.2 軟組織有限元模型

(1) 椎間盤(pán) 椎間盤(pán)是連接相鄰椎體的主要結(jié)構(gòu)，起著緩沖外力、吸收能量的作用。椎間盤(pán)由髓核、纖維環(huán)和軟骨終板3部分組成，纖維環(huán)四周包繞著中間的髓核，軟骨終板上下包繞著纖維環(huán)和髓核。椎間盤(pán)有限元模型采用直接法進(jìn)行建模，拉伸椎骨間面網(wǎng)格生成髓核有限元模型，在髓核外圍生成一層實(shí)體單元模擬纖維環(huán)，并在髓核和纖維環(huán)的上下表面生成一層殼單元模擬軟骨終板，完成椎間盤(pán)有限元模型的建立，如圖5所示。

圖5 椎間盤(pán)有限元模型

(2) 小關(guān)節(jié) 小關(guān)節(jié)位于相鄰椎骨的關(guān)節(jié)面之間，由關(guān)節(jié)軟骨和外層的關(guān)節(jié)囊韌帶構(gòu)成，決定頸部的側(cè)彎和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。通過(guò)拉伸椎骨上下關(guān)節(jié)面建立小關(guān)節(jié)的有限元模型，在小關(guān)節(jié)外表面生成一層殼單元模擬關(guān)節(jié)囊韌帶。小關(guān)節(jié)有限元模型如圖6所示。

圖6 小關(guān)節(jié)有限元模型

(3) 韌帶 韌帶是堅(jiān)韌性的纖維帶，對(duì)頸椎的內(nèi)在穩(wěn)定起著重要作用。頸部韌帶主要有前縱韌帶、后縱韌帶、橫突間韌帶、黃韌帶、棘間韌帶和棘上韌帶等。CT中無(wú)法直接提取出韌帶的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，根據(jù)解剖學(xué)知識(shí)確定韌帶的具體位置，通過(guò)拉伸生成殼單元建立韌帶的有限元模型，如圖7所示。

圖7 韌帶有限元模型

圖8 部分肌肉有限元模型

(4) 肌肉 肌肉能夠產(chǎn)生張緊力，牽動(dòng)椎骨和軟組織實(shí)現(xiàn)頸部的彎曲、伸展和側(cè)彎等運(yùn)動(dòng)。肌肉不僅能被動(dòng)地承受載荷，還可產(chǎn)生主動(dòng)力。與韌帶一樣，肌肉的點(diǎn)云數(shù)據(jù)無(wú)法直接從CT中提取，根據(jù)人體解剖學(xué)結(jié)構(gòu)中肌肉起始點(diǎn)和終止點(diǎn)位置[14]，用桿單元建立肌肉的有限元模型。由于本模型只建立了頸椎部分，對(duì)于不能從模型上直接確定起始點(diǎn)位置的肌肉，根據(jù)解剖學(xué)描述的肌肉位置建立參考點(diǎn)作為起始點(diǎn)。模型中建立了包括胸鎖乳突肌、肩胛提肌、頭長(zhǎng)肌、頸長(zhǎng)肌和前、中、后斜角肌等的頸前肌群以及包括頭最長(zhǎng)肌、頸最長(zhǎng)肌、斜方肌、頭夾肌、頸夾肌、頭半棘肌和頸半棘肌等的頸后肌群。部分肌肉的有限元模型如圖8所示。

1.3 頭頸部有限元模型的組合

在文獻(xiàn)[15]中建立的中國(guó)人體50百分位頭部有限元模型基礎(chǔ)上，建立寰枕關(guān)節(jié)及其韌帶，完成頭部與頸部有限元模型的連接。整個(gè)頸部模型包括39 967個(gè)實(shí)體單元，31 251個(gè)殼單元，92個(gè)Hughes-Liu梁?jiǎn)卧暾挠邢拊Ｐ腿鐖D9所示。

圖9 頭頸部有限元模型

模型材料參數(shù)參考尸體試驗(yàn)與組織材料試驗(yàn)[16-17]，密質(zhì)骨和松質(zhì)骨采用彈塑性材料模擬，材料參數(shù)如表1所示；髓核和肌肉采用黏彈性材料模擬，材料參數(shù)如表2所示；纖維環(huán)、軟骨終板、韌帶和小關(guān)節(jié)采用線(xiàn)彈性材料模擬，材料參數(shù)如表3所示。

表1 椎骨彈塑性材料參數(shù)

表2 髓核和肌肉黏彈性材料參數(shù)

2 頭頸部模型有效性分析

頭頸部生物力學(xué)響應(yīng)與撞擊力、加速度和各組織的應(yīng)力應(yīng)變有關(guān)。志愿者試驗(yàn)是分析頸部組織生物力學(xué)響應(yīng)的主要方法，然而志愿者試驗(yàn)必須限制志愿者于非異常力場(chǎng)中，有限元分析是彌補(bǔ)這類(lèi)問(wèn)題的有效方法。文獻(xiàn)[18]中指出碰撞事故引起的頸部揮鞭損傷發(fā)生前頸部肌肉主動(dòng)力是不起作用的，由于仿真與試驗(yàn)中分析時(shí)間較短，因此不考慮肌肉主動(dòng)力作用對(duì)結(jié)果的影響。通過(guò)有限元模型仿真結(jié)果與志愿者試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析來(lái)驗(yàn)證模型的有效性，然后將其用于汽車(chē)事故的碰撞分析。

表3 頸部其他組織線(xiàn)彈性材料參數(shù)

2.1 基于已有志愿者試驗(yàn)的仿真分析

文獻(xiàn)[4]中在瑞典查爾摩斯大學(xué)進(jìn)行了7km/h志愿者后碰撞臺(tái)車(chē)試驗(yàn)，選取了11名無(wú)頸椎損傷的志愿者(年齡28～50歲，身高173～185cm，體質(zhì)量65～85kg)進(jìn)行了23次后碰撞試驗(yàn)。志愿者以正常的駕駛坐姿坐在試驗(yàn)座椅上，雙手平放在腿部，雙腳放在腳踏板上，并用安全帶進(jìn)行約束。用560kg的滑車(chē)撞擊志愿者所在的臺(tái)車(chē)(除志愿者外，臺(tái)車(chē)本身質(zhì)量890kg)，使其加速向前運(yùn)動(dòng)，試驗(yàn)記錄了T1冠狀面法向位移和軸向位移。

將試驗(yàn)測(cè)得的T1的冠狀面法向位移和軸向位移加載到頸部有限元模型胸椎T1上，約束胸椎和肌肉下端點(diǎn)X，Y和Z3個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。整個(gè)模型處于1g的重力場(chǎng)中。

仿真與試驗(yàn)的對(duì)比結(jié)果如圖10所示，試驗(yàn)的數(shù)據(jù)點(diǎn)分布在兩條虛線(xiàn)形成的試驗(yàn)區(qū)間內(nèi)?？梢钥闯?，仿真頭部位移曲線(xiàn)與志愿者試驗(yàn)曲線(xiàn)趨勢(shì)基本一致，仿真中頭部水平位移的幅值略大于志愿者試驗(yàn)結(jié)果，整體上來(lái)看，模型表現(xiàn)出與志愿者相一致的生物力學(xué)響應(yīng)。

圖10 頭部相對(duì)于T1在冠狀面法向位移仿真與試驗(yàn)對(duì)比

2.2 志愿者試驗(yàn)研究與仿真對(duì)比分析

已有志愿者試驗(yàn)中的志愿者身體尺寸特征與模型來(lái)源的志愿者尺寸特征存在較大的差別，選取在中國(guó)50百分位身體尺寸特征范圍內(nèi)的4名男性志愿者進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證模型的有效性。

2.2.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

選取無(wú)頸椎損傷且在中國(guó)50百分位身體尺寸特征范圍內(nèi)的4名男性志愿者(編號(hào)分別為A，B，C和D)進(jìn)行20km/h急制動(dòng)試驗(yàn)，志愿者身體尺寸特征如表4所示。志愿者以正常的坐姿坐在汽車(chē)副駕駛座椅上，雙手放在腿部，并用安全帶進(jìn)行約束。志愿者佩戴眼罩并放松頸部肌肉，在其未知急制動(dòng)時(shí)刻點(diǎn)的情況下進(jìn)行試驗(yàn)，以獲得無(wú)肌肉主動(dòng)力作用下頭頸部的響應(yīng)。將3個(gè)壓電式加速度傳感器分別布置在胸椎T1棘突末端、眉間和蝶骨大翼處，記錄3個(gè)測(cè)點(diǎn)處200ms內(nèi)冠狀面法向和軸向加速度，測(cè)點(diǎn)布置如圖11所示。采用DH5922動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)采集加速度信號(hào)數(shù)據(jù)，加速度測(cè)量系統(tǒng)如圖12所示。

表4 志愿者年齡和身體尺寸特征

圖11 20km/h急制動(dòng)試驗(yàn)和加速度測(cè)點(diǎn)位置

圖12 加速度測(cè)量系統(tǒng)圖

2.2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

通過(guò)控制急制動(dòng)時(shí)胸椎T1在200ms內(nèi)X方向加速度峰值的相對(duì)誤差和Z方向加速度峰值的相對(duì)誤差，以減小誤差因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，選取每名志愿者T1在X和Z方向加速度峰值相對(duì)誤差均小于5%的5組加速度曲線(xiàn)，將5組加速度曲線(xiàn)平均得到T1在X和Z方向的平均加速度曲線(xiàn)，作為模型仿真的初始載荷。4名志愿者的T1在X和Z方向平均加速度曲線(xiàn)如圖13所示。

圖13 胸椎T1在X和Z方向的平均加速度曲線(xiàn)

2.2.3 仿真與試驗(yàn)對(duì)比分析

分別將4名志愿者胸椎T1在X和Z方向的平均加速度曲線(xiàn)作為模型仿真的初始條件，加載到有限元模型的T1上，并約束T1在X、Y和Z3個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，整個(gè)模型處于1g重力場(chǎng)中。

仿真得到200ms時(shí)頭頸部有限元模型眉間和蝶骨大翼在X方向相對(duì)于T1的4組速度值，分別與試驗(yàn)中測(cè)得的相對(duì)速度均值(數(shù)據(jù)處理時(shí)每名志愿者中篩選出的5組眉間和蝶骨大翼在X方向相對(duì)于T1速度的平均值)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖14所示。

圖14 兩測(cè)點(diǎn)相對(duì)于T1速度仿真值與試驗(yàn)值對(duì)比

由圖14可以看出，僅有與模型來(lái)源的志愿者身體尺寸特征差別最大的志愿者C的仿真值與試驗(yàn)值的相對(duì)誤差超過(guò)5%，其他3組兩測(cè)點(diǎn)處的相對(duì)誤差均小于5%，其中與模型來(lái)源的志愿者身體尺寸特征相同的志愿者B的試驗(yàn)值與仿真值相對(duì)誤差最小，兩測(cè)點(diǎn)處的相對(duì)誤差分別為-2.4%和-2.1%。通過(guò)模型仿真與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比可以看出，身體尺寸特征對(duì)頭頸部的生物力學(xué)響應(yīng)有較大的影響，模型能夠較好地反映出中國(guó)50百分位成年男性頭頸部的響應(yīng)。

3 結(jié)論與討論

建立了中國(guó)50百分位男性人體全頸椎，包括椎間盤(pán)(軟骨終板、纖維環(huán)和髓核)、韌帶、小關(guān)節(jié)以及肌肉的有限元模型，生物逼真度高，能夠計(jì)算全頸椎內(nèi)部各組織的生物力學(xué)響應(yīng)，并適用于汽車(chē)碰撞中頸部損傷的研究，探索各種車(chē)輛行駛狀態(tài)下或事故發(fā)生時(shí)乘員頸部的力學(xué)響應(yīng)及損傷評(píng)價(jià)。通過(guò)完善其模型的建立和研究為未來(lái)汽車(chē)安全設(shè)計(jì)法規(guī)從假人階段向真人過(guò)渡提供借鑒和參考。

通過(guò)仿真計(jì)算與已有志愿者后碰撞試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)仿真的力學(xué)響應(yīng)曲線(xiàn)與后碰撞中志愿者實(shí)際響應(yīng)曲線(xiàn)具有相同趨勢(shì)，說(shuō)明生物力學(xué)模型仿真的主要規(guī)律是正確的。由于模型簡(jiǎn)化，尺寸、材料參數(shù)等因素與試驗(yàn)志愿者真實(shí)情況的差別，仿真和已有試驗(yàn)的數(shù)值結(jié)果有偏差。為進(jìn)一步研究所建立模型的仿真精度和可靠性，選取在中國(guó)50百分位身體尺寸范圍內(nèi)的4名志愿者進(jìn)行20km/h急制動(dòng)試驗(yàn)。通過(guò)仿真與急制動(dòng)試驗(yàn)的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)身體尺寸特征對(duì)頭頸部響應(yīng)有較大影響，所建立的模型能夠較好地反映出中國(guó)50百分位成年男性的生物力學(xué)響應(yīng)。

后續(xù)工作將開(kāi)展多方位的低速碰撞志愿者試驗(yàn)，在生物力學(xué)模型有效性得到全面驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，進(jìn)行動(dòng)態(tài)生物力學(xué)響應(yīng)分析，使模型得到更有效的應(yīng)用。

[1] Kitagawa Yuichi, Yasuki Tsuyoshi, Hasegawa Junji. A study of cervical spine kinematics and joint capsule strain in rear impacts using a human FE model[C]. Proceedings of the Stapp Car Crash Conference,2006:545-566.

[2] C-NCAP鞭打試驗(yàn)初定標(biāo)準(zhǔn)探討[C]. The 8th Int. Forum of Automotive Traffic Safety(INFATS),2010:395-398.

[3] PANJABI M M, WANG J L, DELSON N. Neck injury criterion based on intervertebral motions and its evaluation using an instrumented neck dummy[C]. Proceedings IRCOBI Conference, Sitges, Spain,1999:179-190.

[4] Johan Davidsson, Christian Deutscher, Wolfram Hell, et al. Human volunteer kinematics in rear-end sled collisions[J]. Journal of Crash Prevention and Injury Control,2001,2(4):319-333.

[5] NIGHTINGALE R W, MCELHANEY J H, RICHARDSON W J, et al. Dynamic response of the head and cervical spine to axialimpact loading[J]. Journal of Biomechanical Engineering,1996,29(3):307-318.

[6] MEYER F, BOURDENT N, DEEK C, et al. Human neck finite element model development and validation against original experimental data[J]. Stapp Car Crash Journal,2004(48):177-206.

[7] GREAVES C Y, GADALA M S, OXLAND T R. A three-dimensional finite element model of the cervical spine with spinal cord: an investigation of three injury mechanisms[J]. Annals of Biomedical Engineering,2008,36(3):396-405.

[8] TOOSIZADEH N, HAGHPANAHI M. Generating a finite element model of the cervical spine:Estimating muscle forces and internal loads[J]. Scientia Iranica,2011,18(6):1237-1245.

[9] 楊濟(jì)匡,姚劍峰.人體頸部動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析有限元模型的建立和驗(yàn)證[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào),2003,30(4):40-46.

[10] 張建國(guó),周蕊,薛強(qiáng).基于揮鞭樣損傷研究的頸部有限元模型的建立及驗(yàn)證[J].中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào),2008,27(3):389-392.

[11] 張建國(guó),王芳,薛強(qiáng).后碰撞中人體頸部動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的有限元分析[J].工程力學(xué),2010,27(4):208-211.

[12] GB/T 13547—92工作空間人體尺寸[S].國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局,1992.

[13] MATTHEW B Panzer, JASON B Fice, et al. Cervical spine response in frontalcrash[J]. Medical Engineering & Physics,2011,33(9):1147-1159.

[14] PANJABI M M, DURANCEAU J, GOEL V, et al. Cervical humanvertebrae: quantitative three-dimensional anatomy of the middle and lower regions[J]. Spine,1991,16(8):861-869.

[15] DU Tianya, CHEN Jiqing, HUANG Wei, et al. Simulation analysis of impact to occupant head based on head impact regulation FMVSS 201U[C]. Proceedings of the 11th International Forum of Automotive Traffic Safety,2014:326-333.

[16] YANG K H, ZHU Fuchun, LUAN Feng, et al. Development of a finite element model of the human neck[C]. Proceedings of the 42nd Stapp Car Crash Conference, Arizona, USA,1998:337-348.

[17] YANG K H, HU J W, WHITE N A, et al. Development of numerical models for injury biomechanics research: A review of 50 years of publications in the stapp car crash conference[J]. Stapp Car Crash Journal,2006(50):429-490.

[18] CUSICK J F, PINTAR F A, YOGANANDAN N. Whiplash syndrome: kinematic factors influencing pain patterns[J]. Spine,2001(26):1252-1258.

Biomechanics Modeling and Validation for All CervicalVertebrae of Chinese Adult Male

Chen Jiqing, Wu Kai, Lan Fengchong, Du Tianya & Huang Wei

1.SchoolofMechanical&AutomotiveEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640;2.GuangdongProvincialKeyLaboratoryofAutomotiveEngineering,Guangzhou510640

For conducting an in-depth analysis on the dynamics response and injury mechanism of occupants’ neck during vehicle collision, a biomechanics model with high bionic accuracy for all cervical vertebrae of a 50th percentile Chinese adult male is created based on the complete anatomical structure of neck. The model consists of vertebrae (compact bones and cancellous bones ) and intervertebral disc (fiber ring, nucleus pulposus and cartilage endplate), ligaments, small joints as well as soft tissues like muscles. Comparative analyses on the model simulation results with the results of low-speed rear collision test of foreign volunteers and 20km/h hard braking test of four Chinese adult male volunteers discover that anthropometric parameters have great effects on the responses of human head and neck. The model built can well predict the biomechanical responses of 50th percentile Chinese adult male and can be used in vehicle safety design and neck protection measure study.

vehicle collision; occupant safety; neck injury; biomechanics model

*國(guó)家自然科學(xué)基金(51375170)和廣東省自然科學(xué)基金(2015A030313213)資助。

原稿收到日期為2015年9月8日，修改稿收到日期為2015年11月20日。