3歲兒童頸部屈伸運動生物力學響應研究

崔世海，封笑丹，李海巖，賀麗娟，呂文樂，阮世捷

(天津科技大學機械工程學院，天津 300222)

人類頸椎經常受到損傷和疾病的影響，汽車交通事故、運動和跌落是造成頸椎損傷的主要原因[1]．隨著汽車行業的迅猛發展，由汽車碰撞造成的兒童發病率和死亡率越來越高，汽車碰撞安全越來越被人們所重視．汽車碰撞中頸部損傷的后遺癥成為近幾十年來臨床實踐中難以解決的問題，由于缺乏具體的臨床檢查結果，導致難以準確判斷頸部的損傷部位，難以找到患者久治不愈的原因[2]．調查顯示，交通事故中頸部損傷發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]．兒童尸體實驗是研究兒童頸部損傷的重要手段，Ouyang等[4]和 Luck等[5]分別應用兒童尸體樣本對兒童頸部的生物力學響應特性和耐受極限進行研究，但由于倫理原因，兒童尸體樣本獲取極其困難，導致采用尸體實驗受到極大的限制．隨著計算機技術的發展，通過構建高生物仿真度的人體有限元模型進行碰撞仿真分析成為研究兒童損傷機理的重要手段[6–7]．魏嵬[8]構建了 3歲兒童頸部有限元模型并進行準靜態、動態拉伸實驗驗證，但其動態拉伸失效位移、失效力均小于實驗值，全頸椎準靜態彎曲–伸展運動范圍與實驗值相差較大，模型全頸椎的生物逼真度仍有待提高．呂文樂等[9]構建 6歲兒童全頸椎模型，并進行不同節段的動態拉伸仿真實驗、全頸椎拉伸仿真實驗和兒童志愿者低速碰撞仿真實驗，驗證了其有效性．杜治青[10]構建了詳細的 3歲兒童頭頸部模型，并通過動態響應碰撞實驗、軸向沖擊實驗和動態拉伸實驗進行驗證，但其對頭頸部有限元模型的驗證并不全面，沒有進一步研究頸部模型在彎矩載荷下的有效性，同時該模型的肌肉組織等需要進一步完善．

在汽車交通事故中，肌肉等軟組織的變形對頸部有一定的緩沖和保護作用，具有詳細解剖學結構的帶有肌肉組織的模型具有更高的生物仿真度[11]．本文應用杜治青[10]構建的詳細的 3歲兒童頭頸部模型，參考 Ouyang等[4]兒童尸體頸椎彎曲實驗，通過仿真進一步驗證了在彎矩載荷下頸部模型的有效性，同時分析了肌肉組織在屈伸運動中對 3歲兒童頸部生物力學響應的影響．

1 模型與方法

1.1 模型的構建與材料

由于杜治青[10]構建的已初步驗證的 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)，所以本文對模型進行完善與補充．最終構建的模型如圖 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、鎖骨等支架結構，其中頭部模型包括頭皮、顱骨皮質骨(內板和外板)、顱骨松質骨(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、軟腦膜等組織結構，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)、關節囊韌帶(CL)、棘間韌帶(ISL)、棘上韌帶(SSL)、翼韌帶(AL)、橫韌帶(TL)、終板、生長板、小關節軟骨、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均取自文獻[9–10，12]，其中肌肉主要由肌纖維構成，其力學特性非常復雜，本文中肌肉模型采用線性黏彈性材料，參數如下：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 仿真實驗設置

杜治青[10]雖對 3歲兒童頭頸部進行初步驗證，但對彎矩載荷下模型的有效性未進行驗證．Ouyang等[4]利用 2～12歲附有韌帶的頭頸部復合體樣本進行如圖 2(a)所示的兒童尸體準靜態屈伸實驗，尸體實驗中為了增加頸椎的可視性切除了頸部肌組織，將頭頸部復合體倒置于特定的實驗裝置中，在標本頸部施加純力矩進行準靜態的屈伸運動．參考尸體實驗，將去除肌肉組織及支架結構的頭頸部有限元模型倒置，固定整個頭部模型的 6個自由度(3個平移和 3個旋轉)，仿真實驗設置如圖 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)，在屈曲和伸展時都施加遞進負載(屈曲為 0.8、1.6、2.4N·m，伸展為-0.8、-1.6、-2.4N·m)．在每一加載過程中，測量T2、C2的絕對旋轉角度及 T2、C2的相對旋轉角度．仿真計算均在 PAM-Crash(ESI-Group，法國)有限元分析軟件中完成．

為研究肌肉組織對兒童頸部生物力學響應的影響，本文進一步對包含肌肉組織以及肩胛骨與鎖骨等支架結構的頭頸部有限元模型進行仿真實驗．為防止對3歲兒童屈伸實驗的影響是由肩胛骨、鎖骨等結構組成的支架造成的，本文單獨進行只有支架與頭頸部結合體而沒有肌肉組織的仿真實驗二(如圖 2(c)所示)，對包含肌肉組織的模型進行仿真實驗三(如圖2(d)所示)．仿真實驗二、三的設置與仿真實驗一完全相同．

圖2 兒童頸部尸體彎曲實驗和仿真實驗設置Fig. 2 Pediatric cadaver test and CAE simulation setup under bending load conditions

2 結果與分析

2.1 肌肉組織對頸部旋轉角度的影響

仿真實驗的力矩–旋轉角度數據如圖 3所示，圖中CAE1為無肌肉頭頸部模型數據、CAE2為無肌肉包含支架頭頸部模型數據、CAE3為有肌肉頭頸部模型數據(下同)．其中，圖 3(a)為頸椎 C2絕對旋轉角度與力矩數據，圖 3(b)為胸椎 T2的絕對旋轉角度與力矩數據，圖 3(c)為 C2-T2的相對旋轉角度與力矩數據．因本仿真實驗研究對象為 3歲兒童，故選取尸體實驗樣本中2歲、2.5歲和2個3歲兒童尸體實驗數據進行對比．仿真實驗中需要計算出頸椎施加力矩與頸部旋轉角度之間的比率，該比率為兒童頸椎在矢狀面彎曲到某一特定點時的平均彎曲剛度[4]．

圖3 仿真實驗的力矩–旋轉角度數據Fig. 3 Moment-rotation data of all cadaver specimen

由圖3中仿真實驗一曲線可知，仿真實驗曲線與尸體實驗曲線吻合較好．仿真實驗一由 C2-T2的相對旋轉角度、T2的絕對旋轉角度、C2的絕對旋轉角度計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 2～12歲兒童尸體標本進行頸椎彎曲實驗得到的 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，仿真實驗中計算得到的兒童頸椎彎曲剛度落在尸體實驗平均彎曲剛度范圍內．另外，仿真實驗所得的由 C2的絕對旋轉角度計算的頸椎平均彎曲剛度雖與尸體實驗所得相差較大，但與兩個 3歲兒童尸體實驗所得平均彎曲剛度相差較小. 根據仿真實驗與尸體實驗數據的結果比較可以看出，該頭頸部有限元模型可以較好地反映準靜態彎曲伸展的生物力學特性，模型具有較高的生物仿真度．

根據仿真實驗一與仿真實驗二的實驗結果對比可知，由肩胛骨、鎖骨等結構組成的支架在頸部屈伸實驗中對平均彎曲剛度無影響，仿真實驗三與仿真實驗一的生物力學響應結果差異是由肌肉組織造成的．Ouyang等[4]尸體實驗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，尸體實驗和仿真實驗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，頸部旋轉相對較大．由圖 3中的 CAE1曲線和 CAE3曲線對比可以看出仿真實驗三頸部旋轉角度明顯減小，肌肉組織對頸部在屈曲伸展過程中的頸椎具有很好的緩沖和保護作用，可有效防止頸部過大的旋轉變形．

2.2 肌肉組織對韌帶最大應變的影響

頸部運動時主要承受的載荷為彎矩、壓力、拉力、扭矩和剪切力．在頸部承受彎矩時即本仿真實驗所模擬的頸部彎曲過程中，棘上韌帶(SSL)、棘間韌帶(ISL)以及囊韌帶(CL)發生較大的應變，容易發生損傷，故對SSL、ISL、CL的應變結果進行分析．屈曲仿真實驗中不同屈曲彎矩下頸部韌帶 ISL、SSL和CL的最大應變如圖4所示．

圖4 屈曲實驗中頸部韌帶最大應變Fig. 4 The maximum strain of neck ligament in flexion bending test

在屈曲載荷不同時，不同椎段間的韌帶最大應變不同，棘間韌帶、棘上韌帶、囊韌帶的椎段間韌帶最大應變隨彎矩的增大而增大，對于棘上韌帶，上頸椎拉伸更明顯，其中 C1—C2間韌帶應變最大達到32%；對于棘間韌帶，C6—C7間韌帶拉伸最明顯，最大應變為 20%；囊韌帶在 C3—C4椎段應變最大為30%．通過對比無肌肉模型與有肌肉模型的結果可以發現，有肌肉模型的韌帶最大應變普遍小于無肌肉模型仿真實驗，即在頸部彎曲運動過程中，肌肉組織可以有效減小頸部韌帶的最大應變，從而保護頸部韌帶．同樣，對于棘上韌帶和關節囊韌帶而言，肌肉組織能夠減小韌帶最大應變，保護頸部韌帶．

伸展仿真實驗中不同彎矩載荷下頸部韌帶 ISL、SSL和CL的最大應變如圖5所示．

圖5 伸展實驗中頸部韌帶最大應變Fig. 5 The maximum strain of neck ligament in extention bending test

由圖 5可知：在伸展實驗中，各韌帶最大應變基本隨加載彎矩的增大而增大．對于棘上韌帶，上頸椎拉伸更明顯，其中 C1—C2間韌帶應變最大達到18%．對于棘間韌帶，最大應變發生在 C3—C4椎段，最大應變為 9%．對于囊韌帶，最大應變發生在C2—C3椎段，最大應變為 10%．通過對比無肌肉模型與有肌肉模型可以發現，對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，韌帶最大應變規律與屈曲狀態時相同，除棘間韌帶中 C3—C4椎段和棘上韌帶中 C1—C2椎段外，其他韌帶最大應變有肌肉模型均小于無肌肉有限元模型．對于囊韌帶而言，有肌肉模型韌帶最大應變也小于無肌肉有限元模型，故肌肉組織在頸部伸展過程中能夠減小韌帶應變，保護頸部軟組織．

3 討 論

頸部損傷多發生在頸椎過度彎曲和伸展過程中，相對成人，兒童頸椎更容易發生損傷．本文利用現有的 3歲兒童頸部有限元模型，并參考 Ouyang等[4]尸體實驗進行兒童頸部彎曲仿真實驗，進一步驗證模型有效性的同時，分析了屈曲和伸展過程中肌肉組織對頸部生物力學響應的影響．本文所施加彎矩載荷最大為 2.4N·m，此時兒童頸椎未發生損傷．由于國內外研究中對于兒童頸部耐受限度尚不明確，采用成人韌帶應變極限[12]作為損傷耐受限度，本研究中韌帶最大應變均小于成人頸部韌帶極限應變．肌肉組織使頸部彎曲剛度增大，在彎矩載荷的作用下，肌肉組織通過緩沖吸能較好地保護頸椎．兒童頸部在彎曲時韌帶的最大應變隨著彎矩載荷的增大而增大，屈曲和伸展時韌帶的最大應變發生在不同的椎段間，肌肉組織可以較好地緩解彎曲過程中頸部韌帶的應變，防止韌帶失效，緩解韌帶在屈曲伸展過程的損傷．

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]尸體實驗進行相同條件下的彎曲仿真實驗，從圖 3(b)中可以明顯看出 Hybrid Ⅲ型假人有限元模型在伸展(即彎矩載荷為負值時)過程中隨著載荷的增大頸部旋轉增大，尤其在–2.4N·m 的載荷下，頸部旋轉角度超出尸體實驗的范圍，而本模型仿真實驗數據在尸體實驗數據范圍內；在屈曲(即彎矩載荷為正值時)過程中，本模型與 Hybrid Ⅲ型假人模型均小于尸體實驗數據，但本文所用有限元模型更接近尸體實驗數據．因此，在頸部彎曲仿真實驗中，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 語

本文在現有的 3歲兒童頭頸部有限元模型的基礎上，對有限元模型進行進一步的驗證，對比了在彎矩載荷的作用下頸部肌肉組織對彎曲的影響，并分析了棘間韌帶、棘上韌帶以及囊韌帶在彎曲實驗中的最大應變．結果顯示：該模型在彎曲實驗中力矩與旋轉數據與尸體實驗數據吻合較好，頸部肌肉組織對頸椎彎曲起到了很好的保護作用．本研究中構建的 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特性，具有較高的生物仿真度，為進一步研究兒童交通事故中的頸部損傷提供了數據支撐．在下一步研究工作中，該頸部模型將會應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特性，因此在今后的研究中還應探討在保證肌肉幾何形狀的基礎上如何表征肌肉受刺激時所產生的主動特性．