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

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．