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      3歲兒童頸部屈伸運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)響應(yīng)研究

      2020-02-29 08:49:42崔世海封笑丹李海巖賀麗娟呂文樂(lè)阮世捷
      關(guān)鍵詞:肌肉組織頭頸部彎矩

      崔世海,封笑丹,李海巖,賀麗娟,呂文樂(lè),阮世捷

      (天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,天津 300222)

      人類頸椎經(jīng)常受到損傷和疾病的影響,汽車交通事故、運(yùn)動(dòng)和跌落是造成頸椎損傷的主要原因[1].隨著汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展,由汽車碰撞造成的兒童發(fā)病率和死亡率越來(lái)越高,汽車碰撞安全越來(lái)越被人們所重視.汽車碰撞中頸部損傷的后遺癥成為近幾十年來(lái)臨床實(shí)踐中難以解決的問(wèn)題,由于缺乏具體的臨床檢查結(jié)果,導(dǎo)致難以準(zhǔn)確判斷頸部的損傷部位,難以找到患者久治不愈的原因[2].調(diào)查顯示,交通事故中頸部損傷發(fā)生最頻繁的部位是頸部軟組織,也就是椎間盤、韌帶和肌肉組織[3].兒童尸體實(shí)驗(yàn)是研究?jī)和i部損傷的重要手段,Ouyang等[4]和 Luck等[5]分別應(yīng)用兒童尸體樣本對(duì)兒童頸部的生物力學(xué)響應(yīng)特性和耐受極限進(jìn)行研究,但由于倫理原因,兒童尸體樣本獲取極其困難,導(dǎo)致采用尸體實(shí)驗(yàn)受到極大的限制.隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,通過(guò)構(gòu)建高生物仿真度的人體有限元模型進(jìn)行碰撞仿真分析成為研究?jī)和瘬p傷機(jī)理的重要手段[6–7].魏嵬[8]構(gòu)建了 3歲兒童頸部有限元模型并進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,但其動(dòng)態(tài)拉伸失效位移、失效力均小于實(shí)驗(yàn)值,全頸椎準(zhǔn)靜態(tài)彎曲–伸展運(yùn)動(dòng)范圍與實(shí)驗(yàn)值相差較大,模型全頸椎的生物逼真度仍有待提高.呂文樂(lè)等[9]構(gòu)建 6歲兒童全頸椎模型,并進(jìn)行不同節(jié)段的動(dòng)態(tài)拉伸仿真實(shí)驗(yàn)、全頸椎拉伸仿真實(shí)驗(yàn)和兒童志愿者低速碰撞仿真實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了其有效性.杜治青[10]構(gòu)建了詳細(xì)的 3歲兒童頭頸部模型,并通過(guò)動(dòng)態(tài)響應(yīng)碰撞實(shí)驗(yàn)、軸向沖擊實(shí)驗(yàn)和動(dòng)態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證,但其對(duì)頭頸部有限元模型的驗(yàn)證并不全面,沒(méi)有進(jìn)一步研究頸部模型在彎矩載荷下的有效性,同時(shí)該模型的肌肉組織等需要進(jìn)一步完善.

      在汽車交通事故中,肌肉等軟組織的變形對(duì)頸部有一定的緩沖和保護(hù)作用,具有詳細(xì)解剖學(xué)結(jié)構(gòu)的帶有肌肉組織的模型具有更高的生物仿真度[11].本文應(yīng)用杜治青[10]構(gòu)建的詳細(xì)的 3歲兒童頭頸部模型,參考 Ouyang等[4]兒童尸體頸椎彎曲實(shí)驗(yàn),通過(guò)仿真進(jìn)一步驗(yàn)證了在彎矩載荷下頸部模型的有效性,同時(shí)分析了肌肉組織在屈伸運(yùn)動(dòng)中對(duì) 3歲兒童頸部生物力學(xué)響應(yīng)的影響.

      1 模型與方法

      1.1 模型的構(gòu)建與材料

      由于杜治青[10]構(gòu)建的已初步驗(yàn)證的 3歲兒童頭頸部模型中部分韌帶缺失(如 C1—C2椎段間的囊韌帶、C1—C2椎段間棘間韌帶及 C2—C3椎段間棘間韌帶等)、部分肌肉組織缺失(如上斜肌),所以本文對(duì)模型進(jìn)行完善與補(bǔ)充.最終構(gòu)建的模型如圖 1所示.該模型包括頭部、頸部和頸部肌肉組織及與肌肉組織相連接的肩胛骨、鎖骨等支架結(jié)構(gòu),其中頭部模型包括頭皮、顱骨皮質(zhì)骨(內(nèi)板和外板)、顱骨松質(zhì)骨(板障)、顱骨骨縫、竇溝、面骨、犁骨、上頜骨、下頜骨、牙齒、腦脊液、大腦、小腦、腦干、腦室、海馬體、胼胝體、間腦、大腦鐮、小腦幕、硬腦膜、軟腦膜等組織結(jié)構(gòu),頸部模型包括枕骨、C1—C7椎骨、椎間盤、前縱韌帶(ALL)、后縱韌帶(PLL)、黃韌帶(LF)、關(guān)節(jié)囊韌帶(CL)、棘間韌帶(ISL)、棘上韌帶(SSL)、翼韌帶(AL)、橫韌帶(TL)、終板、生長(zhǎng)板、小關(guān)節(jié)軟骨、椎體軟骨、橫突軟骨和脊髓.頸部肌肉組織包括頭夾肌、頭半棘肌、斜方肌、胸鎖乳突肌、肩胛提肌、后斜角肌、中斜角肌、斜角肌、上斜肌、頸夾肌等.另外,模型還包含 T1、T2胸椎.模型中采用的材料參數(shù)均取自文獻(xiàn)[9–10,12],其中肌肉主要由肌纖維構(gòu)成,其力學(xué)特性非常復(fù)雜,本文中肌肉模型采用線性黏彈性材料,參數(shù)如下:楊氏彈性模量 20MPa,密度1.2g/cm3,泊松比 0.2.

      圖1 3歲兒童頭頸部有限元模型Fig. 1 Finite element model of the head and neck of 3-year-old children

      1.2 仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)置

      杜治青[10]雖對(duì) 3歲兒童頭頸部進(jìn)行初步驗(yàn)證,但對(duì)彎矩載荷下模型的有效性未進(jìn)行驗(yàn)證.Ouyang等[4]利用 2~12歲附有韌帶的頭頸部復(fù)合體樣本進(jìn)行如圖 2(a)所示的兒童尸體準(zhǔn)靜態(tài)屈伸實(shí)驗(yàn),尸體實(shí)驗(yàn)中為了增加頸椎的可視性切除了頸部肌組織,將頭頸部復(fù)合體倒置于特定的實(shí)驗(yàn)裝置中,在標(biāo)本頸部施加純力矩進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)的屈伸運(yùn)動(dòng).參考尸體實(shí)驗(yàn),將去除肌肉組織及支架結(jié)構(gòu)的頭頸部有限元模型倒置,固定整個(gè)頭部模型的 6個(gè)自由度(3個(gè)平移和 3個(gè)旋轉(zhuǎn)),仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)置如圖 2(b)所示,在骨水泥包裹的 T2胸椎處施加一純力矩,所施加的最大力矩為-2.4N·m(伸展)和 2.4N·m(屈曲),在屈曲和伸展時(shí)都施加遞進(jìn)負(fù)載(屈曲為 0.8、1.6、2.4N·m,伸展為-0.8、-1.6、-2.4N·m).在每一加載過(guò)程中,測(cè)量T2、C2的絕對(duì)旋轉(zhuǎn)角度及 T2、C2的相對(duì)旋轉(zhuǎn)角度.仿真計(jì)算均在 PAM-Crash(ESI-Group,法國(guó))有限元分析軟件中完成.

      為研究肌肉組織對(duì)兒童頸部生物力學(xué)響應(yīng)的影響,本文進(jìn)一步對(duì)包含肌肉組織以及肩胛骨與鎖骨等支架結(jié)構(gòu)的頭頸部有限元模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn).為防止對(duì)3歲兒童屈伸實(shí)驗(yàn)的影響是由肩胛骨、鎖骨等結(jié)構(gòu)組成的支架造成的,本文單獨(dú)進(jìn)行只有支架與頭頸部結(jié)合體而沒(méi)有肌肉組織的仿真實(shí)驗(yàn)二(如圖 2(c)所示),對(duì)包含肌肉組織的模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)三(如圖2(d)所示).仿真實(shí)驗(yàn)二、三的設(shè)置與仿真實(shí)驗(yàn)一完全相同.

      圖2 兒童頸部尸體彎曲實(shí)驗(yàn)和仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)置Fig. 2 Pediatric cadaver test and CAE simulation setup under bending load conditions

      2 結(jié)果與分析

      2.1 肌肉組織對(duì)頸部旋轉(zhuǎn)角度的影響

      仿真實(shí)驗(yàn)的力矩–旋轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)如圖 3所示,圖中CAE1為無(wú)肌肉頭頸部模型數(shù)據(jù)、CAE2為無(wú)肌肉包含支架頭頸部模型數(shù)據(jù)、CAE3為有肌肉頭頸部模型數(shù)據(jù)(下同).其中,圖 3(a)為頸椎 C2絕對(duì)旋轉(zhuǎn)角度與力矩?cái)?shù)據(jù),圖 3(b)為胸椎 T2的絕對(duì)旋轉(zhuǎn)角度與力矩?cái)?shù)據(jù),圖 3(c)為 C2-T2的相對(duì)旋轉(zhuǎn)角度與力矩?cái)?shù)據(jù).因本仿真實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象為 3歲兒童,故選取尸體實(shí)驗(yàn)樣本中2歲、2.5歲和2個(gè)3歲兒童尸體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比.仿真實(shí)驗(yàn)中需要計(jì)算出頸椎施加力矩與頸部旋轉(zhuǎn)角度之間的比率,該比率為兒童頸椎在矢狀面彎曲到某一特定點(diǎn)時(shí)的平均彎曲剛度[4].

      圖3 仿真實(shí)驗(yàn)的力矩–旋轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)Fig. 3 Moment-rotation data of all cadaver specimen

      由圖3中仿真實(shí)驗(yàn)一曲線可知,仿真實(shí)驗(yàn)曲線與尸體實(shí)驗(yàn)曲線吻合較好.仿真實(shí)驗(yàn)一由 C2-T2的相對(duì)旋轉(zhuǎn)角度、T2的絕對(duì)旋轉(zhuǎn)角度、C2的絕對(duì)旋轉(zhuǎn)角度計(jì)算出兒童頸椎的平均彎曲剛度分別為 0.077、0.042、0.146N·m/(°).Ouyang 等[4]利用 10 個(gè) 2~12歲兒童尸體標(biāo)本進(jìn)行頸椎彎曲實(shí)驗(yàn)得到的 C2-T2、T2及 C2的平均彎曲剛度分別為(0.071±0.018)N·m/(°)、(0.041±0.007)N·m/(°)、(0.718±0.068)N·m/(°),可以看出,仿真實(shí)驗(yàn)中計(jì)算得到的兒童頸椎彎曲剛度落在尸體實(shí)驗(yàn)平均彎曲剛度范圍內(nèi).另外,仿真實(shí)驗(yàn)所得的由 C2的絕對(duì)旋轉(zhuǎn)角度計(jì)算的頸椎平均彎曲剛度雖與尸體實(shí)驗(yàn)所得相差較大,但與兩個(gè) 3歲兒童尸體實(shí)驗(yàn)所得平均彎曲剛度相差較小. 根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)與尸體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的結(jié)果比較可以看出,該頭頸部有限元模型可以較好地反映準(zhǔn)靜態(tài)彎曲伸展的生物力學(xué)特性,模型具有較高的生物仿真度.

      根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)一與仿真實(shí)驗(yàn)二的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可知,由肩胛骨、鎖骨等結(jié)構(gòu)組成的支架在頸部屈伸實(shí)驗(yàn)中對(duì)平均彎曲剛度無(wú)影響,仿真實(shí)驗(yàn)三與仿真實(shí)驗(yàn)一的生物力學(xué)響應(yīng)結(jié)果差異是由肌肉組織造成的.Ouyang等[4]尸體實(shí)驗(yàn)所用的最大彎矩載荷 2.4N·m為保證頸椎不受損傷的彎矩載荷.在彎矩載荷作用下,尸體實(shí)驗(yàn)和仿真實(shí)驗(yàn)一由于缺少肌肉組織的約束作用,在最大載荷為 2.4N·m 的加載條件下,頸部旋轉(zhuǎn)相對(duì)較大.由圖 3中的 CAE1曲線和 CAE3曲線對(duì)比可以看出仿真實(shí)驗(yàn)三頸部旋轉(zhuǎn)角度明顯減小,肌肉組織對(duì)頸部在屈曲伸展過(guò)程中的頸椎具有很好的緩沖和保護(hù)作用,可有效防止頸部過(guò)大的旋轉(zhuǎn)變形.

      2.2 肌肉組織對(duì)韌帶最大應(yīng)變的影響

      頸部運(yùn)動(dòng)時(shí)主要承受的載荷為彎矩、壓力、拉力、扭矩和剪切力.在頸部承受彎矩時(shí)即本仿真實(shí)驗(yàn)所模擬的頸部彎曲過(guò)程中,棘上韌帶(SSL)、棘間韌帶(ISL)以及囊韌帶(CL)發(fā)生較大的應(yīng)變,容易發(fā)生損傷,故對(duì)SSL、ISL、CL的應(yīng)變結(jié)果進(jìn)行分析.屈曲仿真實(shí)驗(yàn)中不同屈曲彎矩下頸部韌帶 ISL、SSL和CL的最大應(yīng)變?nèi)鐖D4所示.

      圖4 屈曲實(shí)驗(yàn)中頸部韌帶最大應(yīng)變Fig. 4 The maximum strain of neck ligament in flexion bending test

      在屈曲載荷不同時(shí),不同椎段間的韌帶最大應(yīng)變不同,棘間韌帶、棘上韌帶、囊韌帶的椎段間韌帶最大應(yīng)變隨彎矩的增大而增大,對(duì)于棘上韌帶,上頸椎拉伸更明顯,其中 C1—C2間韌帶應(yīng)變最大達(dá)到32%;對(duì)于棘間韌帶,C6—C7間韌帶拉伸最明顯,最大應(yīng)變?yōu)?20%;囊韌帶在 C3—C4椎段應(yīng)變最大為30%.通過(guò)對(duì)比無(wú)肌肉模型與有肌肉模型的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),有肌肉模型的韌帶最大應(yīng)變普遍小于無(wú)肌肉模型仿真實(shí)驗(yàn),即在頸部彎曲運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,肌肉組織可以有效減小頸部韌帶的最大應(yīng)變,從而保護(hù)頸部韌帶.同樣,對(duì)于棘上韌帶和關(guān)節(jié)囊韌帶而言,肌肉組織能夠減小韌帶最大應(yīng)變,保護(hù)頸部韌帶.

      伸展仿真實(shí)驗(yàn)中不同彎矩載荷下頸部韌帶 ISL、SSL和CL的最大應(yīng)變?nèi)鐖D5所示.

      圖5 伸展實(shí)驗(yàn)中頸部韌帶最大應(yīng)變Fig. 5 The maximum strain of neck ligament in extention bending test

      由圖 5可知:在伸展實(shí)驗(yàn)中,各韌帶最大應(yīng)變基本隨加載彎矩的增大而增大.對(duì)于棘上韌帶,上頸椎拉伸更明顯,其中 C1—C2間韌帶應(yīng)變最大達(dá)到18%.對(duì)于棘間韌帶,最大應(yīng)變發(fā)生在 C3—C4椎段,最大應(yīng)變?yōu)?9%.對(duì)于囊韌帶,最大應(yīng)變發(fā)生在C2—C3椎段,最大應(yīng)變?yōu)?10%.通過(guò)對(duì)比無(wú)肌肉模型與有肌肉模型可以發(fā)現(xiàn),對(duì)于棘間韌帶和棘上韌帶,在施加–1.6N·m 和–2.4N·m 彎矩載荷時(shí),韌帶最大應(yīng)變規(guī)律與屈曲狀態(tài)時(shí)相同,除棘間韌帶中 C3—C4椎段和棘上韌帶中 C1—C2椎段外,其他韌帶最大應(yīng)變有肌肉模型均小于無(wú)肌肉有限元模型.對(duì)于囊韌帶而言,有肌肉模型韌帶最大應(yīng)變也小于無(wú)肌肉有限元模型,故肌肉組織在頸部伸展過(guò)程中能夠減小韌帶應(yīng)變,保護(hù)頸部軟組織.

      3 討 論

      頸部損傷多發(fā)生在頸椎過(guò)度彎曲和伸展過(guò)程中,相對(duì)成人,兒童頸椎更容易發(fā)生損傷.本文利用現(xiàn)有的 3歲兒童頸部有限元模型,并參考 Ouyang等[4]尸體實(shí)驗(yàn)進(jìn)行兒童頸部彎曲仿真實(shí)驗(yàn),進(jìn)一步驗(yàn)證模型有效性的同時(shí),分析了屈曲和伸展過(guò)程中肌肉組織對(duì)頸部生物力學(xué)響應(yīng)的影響.本文所施加彎矩載荷最大為 2.4N·m,此時(shí)兒童頸椎未發(fā)生損傷.由于國(guó)內(nèi)外研究中對(duì)于兒童頸部耐受限度尚不明確,采用成人韌帶應(yīng)變極限[12]作為損傷耐受限度,本研究中韌帶最大應(yīng)變均小于成人頸部韌帶極限應(yīng)變.肌肉組織使頸部彎曲剛度增大,在彎矩載荷的作用下,肌肉組織通過(guò)緩沖吸能較好地保護(hù)頸椎.兒童頸部在彎曲時(shí)韌帶的最大應(yīng)變隨著彎矩載荷的增大而增大,屈曲和伸展時(shí)韌帶的最大應(yīng)變發(fā)生在不同的椎段間,肌肉組織可以較好地緩解彎曲過(guò)程中頸部韌帶的應(yīng)變,防止韌帶失效,緩解韌帶在屈曲伸展過(guò)程的損傷.

      2009年,Zhang等[13]利用 Hybrid Ⅲ型假人提取了頭頸部有限元模型,參考 Ouyang等[4]尸體實(shí)驗(yàn)進(jìn)行相同條件下的彎曲仿真實(shí)驗(yàn),從圖 3(b)中可以明顯看出 Hybrid Ⅲ型假人有限元模型在伸展(即彎矩載荷為負(fù)值時(shí))過(guò)程中隨著載荷的增大頸部旋轉(zhuǎn)增大,尤其在–2.4N·m 的載荷下,頸部旋轉(zhuǎn)角度超出尸體實(shí)驗(yàn)的范圍,而本模型仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在尸體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)范圍內(nèi);在屈曲(即彎矩載荷為正值時(shí))過(guò)程中,本模型與 Hybrid Ⅲ型假人模型均小于尸體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),但本文所用有限元模型更接近尸體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).因此,在頸部彎曲仿真實(shí)驗(yàn)中,本模型比 Hybrid Ⅲ型假人頸部模型具有更大的生物仿真度.

      4 結(jié) 語(yǔ)

      本文在現(xiàn)有的 3歲兒童頭頸部有限元模型的基礎(chǔ)上,對(duì)有限元模型進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證,對(duì)比了在彎矩載荷的作用下頸部肌肉組織對(duì)彎曲的影響,并分析了棘間韌帶、棘上韌帶以及囊韌帶在彎曲實(shí)驗(yàn)中的最大應(yīng)變.結(jié)果顯示:該模型在彎曲實(shí)驗(yàn)中力矩與旋轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)與尸體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好,頸部肌肉組織對(duì)頸椎彎曲起到了很好的保護(hù)作用.本研究中構(gòu)建的 3歲兒童頭頸部有限元模型可以較好地反映 3歲兒童頸部生物力學(xué)特性,具有較高的生物仿真度,為進(jìn)一步研究?jī)和煌ㄊ鹿手械念i部損傷提供了數(shù)據(jù)支撐.在下一步研究工作中,該頸部模型將會(huì)應(yīng)用于整人兒童乘員的有限元模型中.本研究中所用模型肌肉組織不具備主動(dòng)特性,因此在今后的研究中還應(yīng)探討在保證肌肉幾何形狀的基礎(chǔ)上如何表征肌肉受刺激時(shí)所產(chǎn)生的主動(dòng)特性.

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