汽車碰撞瞬間駕駛員頸部肌電信號變化規律研究*

高振海，李 釗，趙凱姝，趙 會，禹慧麗，陳朝陽

(1.吉林大學，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130022; 2.汽車噪聲振動和安全技術國家重點實驗室，重慶 401120；3.長安股份有限公司汽車工程研究院，重慶 401120; 4.吉林大學白求恩第一醫院，長春 130021;5.韋恩州立大學生物醫學工程系，美國底特律 48201)

前言

現有的假人模型通常是從生物醫學角度建立的靜態人體模型，其力學參數基本源于捐獻尸體的肌肉與骨骼切片離體實驗，無法反映出人體肌肉黏彈性等力學特性，更無法描述在碰撞發生瞬間真實乘員的肌肉收縮緊張等本能性自我保護特性[1]。文獻[2]～文獻[5]中通過實車實驗發現真人和碰撞假人在碰撞發生前的反應存在明顯差異。為此，國際學術界始終存在“碰撞安全性的設計保護了假人卻保護不了真人”的爭議。

近年來伴隨著人體生物力學研究的深入，研究人員開始嘗試利用肌肉骨骼生物力學和運動損傷生物力學的建模、分析與實驗測試等最新研究成果，分析真實駕駛員的骨肌動力學變化機理乃至人體腦顱與胸腹部臟器的生理結構，以建立具有更高仿生保真度的碰撞實驗用假人模型，并指導汽車碰撞設計以獲得更好的乘員保護性能。美國韋恩州立大學從生物醫學和真實人體結構角度出發，建立了人體各組織和器官的數字化模型，并與日本豐田公司聯合開發了THUMS系列數字化人體模型；文獻[6]和文獻[7]中開展了使用真實駕駛員的碰撞臺車實驗，測試分析了碰撞過程中駕駛員肌肉力的主動變化，并將肌肉力加載到有限元模型進行仿真驗證；文獻[8]和文獻[9]中針對揮鞭傷，基于臺車碰撞實驗測試了志愿者頸部肌肉電信號等，對不同速度、方向和坐姿的碰撞過程中乘員頸部肌肉的激發時刻以及各肌肉的激活程度進行分析。

以上研究的特點和發展趨勢是利用肌電圖儀等人體生物電測試設備，實現在虛擬碰撞工況下人體生理結構與骨肌動力學特性測試。主要技術路線是測試志愿者在碰撞發生前后的肌肉電信號來表征人體骨肌動力學特性。考慮到對志愿者的身體保護，現有的測試工況大多是志愿者坐在碰撞臺車上進行與固定障礙物的10km/h以下低速碰撞實驗。此類實驗可以反映兩輛質量相同的車輛低速碰撞工況，并根據志愿者的骨肌動力學特性，通過建立數學模型預測它們在更高速度(仍為低速)碰撞工況下的乘員反應[10]。此類實驗的局限性在于：無法為駕乘人員提供與真實道路交通碰撞事故具有高虛擬現實沉浸感的虛擬碰撞環境，也無法描述汽車高速行駛突發碰撞或失控等更為真實的碰撞工況及其引發的人體肌肉下意識主動收縮緊張的特性。

針對以上實驗方法的不足，研究人員開始嘗試利用汽車性能模擬器為駕駛員提供的具有高仿真度沉浸感的人-車-交通環境和可重復無風險地實施極限工況實驗的特點，構建碰撞虛擬場景，并測試真實駕駛員的骨肌動力學反應。文獻[3]中在汽車性能模擬器上設計了包含城市、郊區和鄉間的一段復雜工況，并設計了突發的正面碰撞，使用攝像機記錄駕駛員的駕駛過程以及在碰撞發生時的反應。

為更真實地獲取駕駛員在碰撞發生前后的本能性的骨肌動力學特性變化規律，本文中基于吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室的汽車性能模擬器，設計實施了使用真實駕駛員，從低到高不同行駛速度，車與車之間正面碰撞工況的汽車虛擬碰撞實驗，并重點測試分析了駕駛員頸部肌肉動態變化特性。研究中首先結合揮鞭傷產生原理，從人體頸部運動及其生物力學角度，分析了主要工作肌肉群的運動規律和生物力學機理；然后，在汽車性能模擬器上構建車車正碰虛擬實驗場景，使用真實駕駛員進行從低到高不同車速下的車車虛擬正碰實驗。實驗中，利用人體表面肌電測試儀等人體生物電測試設備測試了駕駛員在突發性車車對碰場景下胸鎖乳突肌、頭夾肌和斜方肌等揮鞭傷研究所涉及到的頸部主要工作肌肉群的肌電信息變化；最終，利用人體表面肌電信號的肌電圖分析方法，對肌電信號進行降噪、全波整流和線性化處理，得到與肌肉力密切相關的肌電圖數據，分析真實駕駛員在面臨碰撞時頸部主要工作肌肉群的力學特性及其肌肉群之間協同工作規律。

1 面向揮鞭傷研究的人體頸部運動機理及其生物損傷力學分析

汽車乘員頭部是最易遭受損傷的部位，汽車交通事故統計數據表明，頭部損傷比率為44.6%。伴隨著汽車安全帶與安全氣囊等汽車乘員約束系統的引入，乘員頭部損傷的嚴重程度明顯降低，顱骨或硬腦膜損傷數量明顯減少。考慮到頭部和頸部(包括頸椎骨與起連接作用的肌肉、韌帶和椎間盤等軟組織)構成一個運動功能實體，頸部肌肉的強度和調節是保持人體頭部平衡和實現運動控制的必要條件，近年來國際碰撞安全領域的研究熱點已從早期的頭部與儀表板接觸導致的硬腦膜開放性損傷和頸椎損傷逐步轉向揮鞭損傷等頸部軟組織損傷[11-13]。

圍繞汽車乘員頸部損傷這一熱點問題，本文中將汽車乘員頸部損傷定義為汽車碰撞過程中駕駛員頸部被動快速地前后晃動引發的頸部肌群、韌帶、椎間各關節、椎間盤和神經根等軟組織損傷，并將研究重點聚焦在碰撞過程中人體頸部主要工作肌群的運動力學特性上。

人體頸部是一個復雜的生物系統，肌肉主要包括胸鎖乳突肌、頸闊肌、舌骨下肌群、頸長肌等前側肌肉和頭夾肌、斜方肌、頭半棘肌、頸半棘肌等后側肌肉，如圖1所示。通常情況下，頸部肌肉在關節和其他軟組織共同作用下，相對于胸部產生彎屈、伸展、側彎和旋轉運動，主要體現在矢狀面內的拉伸-彎屈、拉伸-伸展、壓縮-彎屈、壓縮-伸展和側彎等運動形式上。

頸部損傷主要包括骨骼、神經、韌帶和肌肉4個方面的傷害。汽車發生碰撞時由于車輛自身速度發生突變，此時人體頭頸部由于慣性和載荷作用將承受過大的加速度。頭部與風窗玻璃劇烈碰撞會產生頸椎骨折；頸椎腔內壓力突變對神經的損傷，“S”形變韌帶超出其彈性形變范圍。文獻[14]中在論述揮鞭綜合癥病例時指出，在汽車遭受后方車輛的猛烈碰撞時，汽車座椅加速推動乘員軀干向前，沒有支撐的頭部向后傾仰，頸椎產生過伸動作，肌肉張力隨速度升高而增大，當張力超過肌肉長度牽引曲線時胸鎖乳突肌發生部分斷裂；在頸部發生“S”形變的過程中，頸部肌肉在拉伸時收縮，即乘員頭部在向后拉伸時胸鎖乳突肌被外力拉伸，由于受到外部刺激，肌肉本能性地收縮，叫離心收縮，這也是頸部肌肉損傷的一個原因；本車與前方車輛發生碰撞時，本車忽然減速導致乘員突然向前方甩出，頸椎過度屈曲，此時易導致頸部肌群中的頭夾肌和斜方肌發生損傷。

綜合以上對人體肌肉骨骼生物力學、運動控制和損傷機理的分析，并結合前期開展的汽車乘員揮鞭傷研究，將研究重點放在頸部主要肌肉也是揮鞭傷癥狀中最易受損的胸鎖乳突肌、頭夾肌和斜方肌3個工作肌群上，分析其在正常行駛狀態和臨撞狀態下的肌肉電信息變化規律。

2 真實駕駛員在汽車性能模擬器上的突發性車車正面碰撞實驗

為給駕駛員提供一個更具虛擬現實沉浸感的碰撞工況，從而更為準確地獲取駕駛員的頸部肌肉電信息變化，在研究中利用了吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室的汽車性能模擬器，構建了一個突發性車車正碰實驗場景，如圖2所示。

以往的研究認為，揮鞭傷發生在追尾即后撞過程中，實際上，近1/3的揮鞭傷是由正面碰撞引發的[15]。為此，在汽車性能模擬器上構建了臨近車道的車輛忽然駛入本車行駛車道而與本車發生無法規避的車車正撞這一典型碰撞事故虛擬實驗場景，來測試駕駛者在緊急情況發生時的臨場反應。首先，測量志愿者頸部肌肉在最大自主收縮(max volunteer contraction,MVC)狀態下的表面肌電信號，作為衡量肌肉激活程度的參照；然后，志愿者駕駛汽車性能模擬器，測量碰撞工況下頸部肌肉的表面肌電信號；最后，對志愿者的肌電信號進行處理，重點分析平均肌電圖RMS，統計在碰撞工況下志愿者頸部肌肉%RMS平均值。

2.1 汽車性能模擬器實驗方法的特點

與臺車實驗只能進行低速碰撞不同，模擬器可以提供安全的實驗方法從而實現低速到高速的全工況實驗。同時也可以更加真實地獲得駕駛員在駕駛環境中，由碰撞前視覺、聽覺等感官感受到危險而激發的精神緊張和恐慌下的本能反應。

我在這個時候往往會在心里狠狠地罵上一句：“你給我閉嘴！”但仍要不動聲色地跟家屬講清楚道理：“我個人不認為這個時候做X檢查有什么必要，我高度懷疑患兒就是生長痛，你要非給孩子做這個檢查也行，反正……有輻射，你看著辦。”

2.2 實驗方案

2.2.1 碰撞工況設計

正面碰撞工況設計為：本車以要求速度在公路上行進，同向和逆向均有車輛行駛，在行駛中，一輛逆向行駛的汽車突然失控，駛入本車道，并在本車正前方10m處停止，作為障礙壁，如圖3所示。

2.2.2 選取志愿者

選取10名男性志愿者，要求具有相似的脂肪含量和骨肌結構，身材尺寸接近混III假人，志愿者信息見表1。相似的身體結構可以最大程度上避免因身體結構差異引起的肌電-肌力關系離散程度，在后續研究中使用碰撞仿真分析軟件嵌入具有肌肉特性的假人，以此次實驗的數據作為肌肉參數設置假人，與實驗結果進行驗證。

表1 志愿者基本信息

注：BMI全稱是body mass index，即身體質量指數，是用體質量除以身高平方得出的數字，是目前國際上常用的衡量人體胖瘦程度的一個標準。

2.2.3 頸部肌肉選取

因為表面肌電儀只能測量表層大塊肌肉的電信號，因此選取支撐頭部運動的主要表面肌肉胸鎖乳突肌、頭夾肌和斜方肌作為研究對象，其中胸鎖乳突肌是前側主要肌肉，雙側收縮使頸部收縮；頭夾肌和斜方肌是后側主要肌肉，雙側頭夾肌收縮使頸部伸展，斜方肌在這一過程中起到配合作用。使用Biopac 150生理記錄儀采集它們的表面肌電信號。

2.2.4 實驗過程

參照SENIAM協會建議[16]為志愿者粘貼電極，如圖4所示。依次測量志愿者靜止狀態MVC的肌肉電信號和碰撞過程中肌肉電信號。

各肌肉取得MVC狀態方法如下：測試斜方肌時，受試者坐在椅子上，兩臂垂直于軀干以減少肱二頭肌和三角肌的介入，背倚著椅背上，避免豎棘突肌活動，腳懸空避免下肢肌肉發力，用最大力做聳肩動作；測試胸鎖乳突肌和頭夾肌時，受試者采取同樣坐姿，頭部分別盡力向左側和右側轉動，達到最大點保持靜止。假定肌肉已經達到MVC，此時相關肌肉則最大程度地釋放肌電信號EMG。以肌肉做MVC時EMG的RMS值作為在碰撞實驗時計算肌肉緊張程度的參考值[6-9]。

志愿者分別以20、50、80和100km/h時速駕駛汽車性能模擬器，記錄駕駛員駕駛過程中的肌電信號，并且記錄碰撞發生的時間。

2.3 實驗數據處理流程

2.3.1 肌肉電信號分析方法

對表面肌肉電信號的分析主要集中在時域和頻域，其理論方法分為3類：時域法、頻域法和時域—頻域法。在這3類方法的眾多指標中，選取與肌肉力密切相關的均方根振幅RMS。RMS反映一定時間內肌肉放電的平均水平，被認為與運動單位募集的數量和肌纖維放電的同步化有關，用來判斷肌肉活動的開始與停止時間，以及估計肌肉產生肌力的大小[6]，其計算公式為

(1)

此外，選擇肌電斜率作為研究指標，將肌電值大于MVC下肌電值的5%定義為肌肉激活時刻，則

(2)

式中：SlopeEMG為肌電斜率；EMGmax為峰值肌電信號值；EMGavr為激活肌電信號值；T為肌電信號從激活狀態到峰值所經歷的時間。

2.3.2 肌肉電信號處理流程

采集的肌肉電信號不能直接使用，須經過降噪、全波整流、線性化，處理流程如圖5所示。

3 駕駛員頸部主要工作肌群的肌電數據分析

志愿者駕駛汽車性能模擬器，采集碰撞發生時頸部肌肉電信號，并使用上述方法對肌電信號進行處理。采集到的原始肌電信號如圖6所示，圖7為經過處理得到的碰撞時頸部肌肉RMS。

在10名志愿者中，9名志愿者在故障車出現時，右腳踩制動踏板，雙手緊握轉向盤，伸展肘關節，將軀干推向座椅靠背，頭部由于這一動作相應有略微后仰的趨勢，這與之前文獻中描述的乘員在碰撞發生時規避動作是一致的[3]；有1名志愿者習慣性規避動作是，右腳踩制動踏板的同時轉動轉向盤躲避障礙物，在數據處理時，沒有采納這名志愿者的實驗數據。

采用志愿者駕駛模擬器時肌肉EMG與MVC狀態下EMG的RMS比值(%RMS)，表征碰撞發生時產生的肌肉力，計算9名志愿者在發生碰撞時頭夾肌、胸鎖乳突肌和斜方肌3塊肌肉的均值。車速與肌電%RMS關系如圖8和圖9所示。從圖中可以看出，隨著志愿者駕駛速度的增加，頸部肌肉的%RMS呈上升趨勢，這是因為隨著駕駛速度的提高，突然出現的障礙物對志愿者產生更大的刺激，志愿者在采取自我保護時，肌肉緊張的程度隨之增加。

比較各塊肌肉肌電均值，頭夾肌最小，低于13%，斜方肌最大，在18%～27%之間。使用雙因素方差分析法對實驗結果進行分析，本車速度和所關注肌肉對EMG的均值有重要的影響(P<0.01)，EMG隨著車速的增加而增大，使用最小顯著差異方法(LSD)對不同肌肉進一步檢驗，正面碰撞工況中頭夾肌的激發狀態與胸鎖乳突肌和斜方肌不同(P<0.001)，胸鎖乳突肌與斜方肌之間沒有明顯不同。

同時，本車速度對EMG的斜率有影響(P<0.05)，斜率隨車速增加。相同車速下不同肌肉間的EMG斜率也有顯著區別，頭夾肌的肌電斜率與其他兩塊肌肉明顯不同。

依據解剖學，頭夾肌和斜方肌作為后側肌肉是頭部伸展的主動肌，胸鎖乳突肌是頭部后仰的拮抗肌。在碰撞發生時，駕駛員由肌肉緊張引起一系列運動學反應，頭部發生向后伸展的趨勢。頭夾肌作為頸部伸展的主動肌，激活程度反而小于作為拮抗肌的胸鎖乳突肌，經過分析，由于轉向盤的引入，為駕駛員提供了除座椅和安全帶之外新的約束，在碰撞發生前，駕駛員雙手緊握轉向盤，伸展肘關節，將軀干推向座椅，頭部隨著軀干向后運動，并由于慣性產生伸展的趨勢，分擔了頭夾肌的部分功能。制動踏板對腿部提供的支撐，也會影響到包括頸部肌肉在內的全身運動學變化。

高速碰撞中，乘員頸部發生“S”形變，肌肉在拉伸時產生離心收縮，會加重對頸部肌肉的損傷；在低速碰撞時，乘員頸部肌肉將更多地起到減緩頸部運動的作用，從而降低頸部損傷幾率。而現有假人不能表征肌肉主動收縮，無法反映高速時頸部肌肉損傷加重和低速時損傷減弱的趨勢。同時，肌肉收縮引起的運動學變化，將引發整個碰撞過程中乘員頸部運動學響應的變化，也勢必對乘員約束系統的設計產生影響。以上對車輛乘員頸部肌肉損傷的定性分析結果會在后續研究中采用揮鞭傷病理觀察、碰撞仿真分析和志愿者臺車實驗進行更為客觀準確的研究。

4 結論

在汽車性能模擬器上設置碰撞工況，選取與頸部活動相關的主要肌肉，使用肌肉電信號描述汽車碰撞時駕駛員頸部肌肉的緊張程度。從研究結果中可以得到以下結論。

(1) 在汽車性能模擬器上設置碰撞仿真場景，能激發出駕駛員在真實駕駛過程中因遇到突發狀況引起的緊張和恐慌，與傳統的臺車實驗相比，使用此方法進行碰撞仿真實驗，可以安全獲得車速和駕駛環境等因素對駕駛員生理信息的影響。

(2) 駕駛員由于意識到即將發生的碰撞，會采取本能的自我保護動作，這一本能反應會使肌肉電信號比正常駕駛時有明顯的升高，如車速為100km/h時，斜方肌肌電由正常駕駛時的3%提高至27%。

(3) 在正面碰撞中，隨著本車車速的升高，駕駛員頸部肌肉電信號整體呈上升趨勢，胸鎖乳突肌(66%)和斜方肌(50%)這一趨勢更明顯，頭夾肌激活程度偏低，且與車速沒有確切相關性。

(4) 肌肉電信號斜率隨著車速升高而增加，不同肌肉的肌電信號斜率有明顯區別。

(5) 相比而言，現有假人模型缺乏對車輛乘員肌肉收縮等主動變化的描述，無法準確反映高速碰撞中乘員頸部“S”形變及其對頸部肌肉損傷帶來的影響，更無法反映肌肉主動收縮對碰撞發生時乘員頸部運動響應的影響。

以上研究與實驗數據描述了車輛乘員在碰撞時頸部運動學和動力學特性變化，為分析乘員骨肌主動反應對頸部損傷的影響提供了依據。在后續研究中將重點研究在現有的碰撞假人模型中導入駕駛員頸部肌肉和肌肉力的主動變化，更為真實準確地分析骨骼與肌肉協同作用下對頸部損傷的影響。

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