頭部旋轉姿勢下的頸部低速后碰響應

武和全 龔創業 任啟凡 周惠來 Mao Haojie

關鍵詞：汽車安全；低速后碰；頭部旋轉；頸椎損傷；乘員損傷

頸椎在受到高負荷或超出生理活動范圍的異常運動時容易發生損傷，低速追尾碰撞事故中的頸部損傷在簡明損傷定級（AbbreviatedInjuryScale，AIS）中被劃為AIS1（輕度損傷），盡管這種類型的頸部損傷致死率很低，但造成了巨大的醫療及經濟損失[1]。頸椎的損傷過程復雜，并且可能發生在頸椎的任一水平位置，據統計頸椎損傷主要集中在2個主要區域，即顱頸交界區和下頸椎區。在頸椎整體尺寸的限制下，引入約束能顯著降低AlS3（重度損傷）及更高水平的損傷發生率，但會增加AIS1水平的損傷發生率[2]。

臨床研究中發現在關節囊中有許多神經末梢，這反映出頸部的各個小關節是發生揮鞭傷的常見位置。解剖特征顯示：小關節阻止了上錐體的前向剪切運動，但是并不能阻止自身的后向剪切運動。小關節之間的撞擊、關節的軸向壓縮、剪切以及關節囊的過度拉伸是造成揮鞭傷的主要原因[3]。

J.A.J.Shugg等[4]的研究表明，駕駛員頭頸部的旋轉姿勢多發生在變道、停車相關的駕駛中。駕駛員可以通過頭頸部旋轉獲得更多的視覺信息，于鵬程等[5]的研究表明，駕駛員主要依賴視覺、聽覺和觸覺3種感官來感知交通信息。據其研究結果顯示，超過90%的交通信息通過視覺感知獲取。M.Sturzenegger等[6]發現撞擊時頭部姿勢對揮鞭傷的持續性有顯著影響。為了支持這一理論，R.B.Kaale等[7]使用磁共振成像進行研究，試驗表明處于頭部旋轉姿勢的測試對象有更高的損傷可能，并確定了頸部翼狀和橫向韌帶為潛在損傷位置。李海巖等[8]使用單獨頭頸部模型探討了頭頸部在屈曲、伸展姿態下后碰撞與標準姿態下頸椎的損傷差異。陳吉清等[9]基于完整頸部解剖學結構構建了中國50百分位成年男性全頸椎生物力學模型，并單獨使用頭頸部模型進行了驗證。當前學者們的研究主要集中在駕駛員標準駕駛姿態下的碰撞損傷[10]，而頸部損傷的評價標準（NeckInjuryCriterion，NIC）、頸部位移標準（NeckDisplacementCriterion，NDC）等，只考慮了乘員在矢狀面下的損傷風險，更復雜的運動下三維方向上的損傷還需要進一步研究。

駕駛員頭頸部旋轉姿勢多發生在與變道、停車相關的駕駛中，頭部旋轉姿勢在碰撞事故案例中占比大，研究頭頸部旋轉姿勢下的碰撞損傷具有重要意義。本文針對頭部處于旋轉姿勢下發生追尾事故的情景，使用全球人體模型聯盟（GlobalHumanBodyModelsConsortium，GHBMC）模型，只保留頭頸部，去除皮膚后進行柔性沖擊實驗改變模型頭頸部姿勢；將志愿者實驗T1（第1塊胸椎）上的加速度曲線導入有限元模型，并激活頸部肌肉研究3種頭部右側軸向旋轉角度（0°、20°、40°）對追尾事故中頸部損傷的影響。

1研究方法

1.1參考實驗

J.Davidsson等[11]對11位男性志愿者進行了23次后碰測試實驗，志愿者坐在安裝了標準汽車座椅的滑車上，雙手自然放置于大腿，雙腳放在踏板上，放松頭部肌肉并且保持頭部水平；并采用三點式安全帶約束乘員，使用沖擊器撞擊目標滑車進行后碰實驗，沖擊器重570kg，目標滑車重890kg。實驗利用裝在T1處的加速度計以及固定在頭部重心處的頭部加速度計記錄T1以及頭部的相關運動曲線，如圖1和圖2所示。

1.2仿真模型

目前使用的有限元人體模型，均難以使其關節進行轉動改變人體模型姿態。由于人體頸部由7塊相對獨立的頸椎（C1～C7）組成，并且在不同的頸椎上附著有多種肌肉韌帶，這導致要改變頭頸姿勢就更為復雜。椎體的體外載荷和運動雖然不能代表活人的體內載荷和運動，但是局部（椎體）水平上理解頸椎的力學特性對于全尺寸人體低速后碰撞的研究也至關重要。本研究使用GHBMC模型，只保留頭頸部，去除皮膚；使用GHBMC模型對頸椎與椎間盤單獨建模，能夠較好地模擬頸椎在水平方向的運動。模型包含頭部、頸椎（C1～C7）、第1胸椎（T1）及附著在椎體上的肌肉和韌帶組織。使用一個柔性沖擊器緩慢地對模型施加一個外力，對模型進行右側軸向旋轉預仿真處理，從而達到需要的旋轉角度。頭頸部旋轉20°、40°模型的各頸椎段之間的角度如表1所示。A.White和P.C.Ivancic等[12-13]對頸椎旋轉范圍進行了研究，實驗所得到的最大軸向旋轉范圍（向右旋轉為正）如表1所示，模型旋轉預處理過程參考了M.Panjabi等[14]的研究成果，即C0-C1段（C0為枕髁）幾乎沒有軸向旋轉，所以表1中沒有考慮C0-C1段頸椎軸向旋轉角度。比較表1中測量得到的模型頸椎旋轉角度，可見右側軸向旋轉20°和40°的模型的椎間旋轉角都在旋轉范圍內。本研究為了便于比較不同頸部姿勢下的碰撞響應的區別，避開頸部的極限運動角度。

據S.Kumar等[15]的研究，頭部旋轉并不影響頸部肌肉的加載時間，所以肌肉的激活水平采用B.J.Fice等[16]研究的肌肉激活曲線，如圖3所示。志愿者實驗的平均坐高是0.93m，由于志愿者的身高體形等存在差異，頭與頭枕的水平距離為70～120mm，使用的有限元模型的體形相對于志愿者實驗較為嬌小，所以將頭與頭枕的水平距離設置為60mm，坐高為人體模型自然坐于座椅的高度。本研究中的仿真實驗使用標準頭枕，頭部保持水平放松，施加圖3的肌肉激活曲線。對不同右側軸向旋轉的頭頸模型進行后碰仿真，仿真模型如圖4所示。

1.3分析方法

如圖5所示，解剖學上用3個虛擬平面來描述身體部位的位置，其中矢狀面是指沿身體前后徑所做的與地面垂直的切面。此面將人體分為左右兩部分。冠狀面是沿身體左右徑所作的與地面垂直的切面，亦稱額狀面，此面將人體分為前后兩部分。橫切面是垂直人體縱軸與地面平行的切面，此面將人體分為上下兩部分。目前大多數損傷標準（例如Nij，Nkm，NIC）都是基于頸部矢狀面上的運動提出的，對于沒有處在矢狀面上的運動造成的損傷，例如軸向旋轉和側向彎曲造成的損傷是無法考慮在內的。

隨著人體有限元模型的發展，對軟組織水平上損傷的研究已經展開，椎間盤間的旋轉以及應力變化、小關節的碰撞以及各種椎間韌帶長度的變化都被應用在損傷分析中，但至今沒有明確的損傷閾值。IV-NIC（intervertebralneckinjurycriterion）是基于各椎骨的伸展、彎曲角度超過生理極限時對頸部造成的損傷而提出的，也可用于評價三維方向上的損傷[15]。需要注意的是IV-NIC的閾值并不是1，目前軸向旋轉的IV-NIC閾值尚不明確。計算IV-NIC時，預仿真中頭頸部轉動的角度不計算在內，IV-NIC的實際旋轉角度要減去初始角度。例如軸向旋轉20°的模型碰撞仿真過程中的椎間旋轉角度是減去模型預處理后的椎間旋轉角度，得到的椎間旋轉角度是相對與正常中立姿勢下的椎間旋轉角度。

其中：θd，i，j（t）為動態椎間旋轉角度；θp，i，j為準靜態的生理活動范圍；i為椎間水平位置；j為移動平面。P.C.Ivancic等[17]多次實驗得到部分頸椎段生理活動范圍如表2，IV-NIC頸部損傷閾值如表3。

2仿真結果

2.1低速后碰頭頸運動規律分析

在頭部未旋轉的后碰仿真中（右側軸向旋轉0°），初始階段頭部在慣性作用下保持原有姿勢，相對于頭枕略微向前，隨即頭部向后仰的同時伴隨著旋轉，T1向上運動并且不斷旋轉，導致頸部受到壓縮，在90ms附近，頸部壓縮接近最大；隨后頭部開始向后移動，頸部不斷伸展，直到187ms時，頭部與頭枕接觸。250ms時頭部位置如圖6a所示。

在頭部軸向旋轉20°的后碰仿真中，在90ms前后，頸部的壓縮最大，隨后頭部發生輕微旋轉；到100ms時，頭部旋轉角度達到最大值，后頭部往中間回轉并帶動頸部往后伸展；在184ms時頭部與頭枕接觸，接觸位置略微偏左，如圖6b所示。

頭部旋轉40°的仿真實驗中，在0～99ms，頭部繼續向右側發生旋轉，其中C1-C2的相對旋轉角度從29°變為32.7°。圖6c中展示了99ms時頭頸部姿勢的正視圖和側視圖；99ms頸部往后方向伸展的同時頭部往左旋轉，但并未完全恢復到駕駛員眼睛目視前方的正常駕駛狀態；到147ms，頭部的往回旋轉持續了48ms，然后頭部繼續往斜后方伸展；在187ms時頭部與頭枕發生碰撞，碰撞位置靠近頭枕左側邊緣，碰撞部位如圖6c所示。

2.2椎間IV-NIC峰值

測量各頸椎水平的椎間角度通過計算得到了IVNIC峰值，如圖7—圖9中所示。

C4-C5及C7-T1段頸椎在頭部右側軸向旋轉后碰仿真中會發生一定的左側軸向旋轉，如圖7a所示，在所有仿真中頸椎左側軸向旋轉的IV-NIC峰值都小于1；從圖7b中可以看出，頭部軸向旋轉與正常駕駛姿態相比會明顯地增加后碰過程中頸椎的旋轉角度，其中C1-C3及C6-C7段頸椎變化尤為明顯。對比以上2圖，C4-C5發生的左側軸向旋轉，C4-C5段上部和下部的頸椎發生右側軸向旋轉。在頭部右側軸向旋轉初始姿勢下的后碰仿真中，C4-C5段頸椎是研究的關鍵。

圖8為碰撞過程中頸部前向屈曲和后向伸展的IV-NIC峰值柱狀圖，圖8a中顯示C6-C7段頸椎具有較大的IV-NIC值，其中軸向旋轉40°的仿真中彎曲IV-NIC峰值達到1.9，但并未超過此頸椎段彎曲閾值2.3。圖8b顯示頸椎彎曲IV-NIC峰值和頭部未旋轉的后碰仿真中的結果相近，其所有的仿真中C3-C4頸椎段均超過閾值2.0。

從圖9a中可以看出頭頸部的軸向旋轉增加了C1-C3和C5-C7的左側軸向彎曲IV-NIC峰值，其中C6-C7彎曲程度最大，其側彎IV-NIC峰值為1.8，并未超過此頸椎段的損傷閾值；圖9b中，C4-C5出現了極大的側向彎曲IV-NIC峰值，其中頭部旋轉40°的后碰仿真中，C4-C5段頸椎右側側彎IV-NIC峰值達到5.6，超過了C4-C5段的損傷閾值。

2.3椎間損傷生物力學

通過ls-prepost進行后處理得到頸椎的皮質骨及松質骨應力云圖，如圖10所示。在頭部未旋轉時，頸椎皮質骨最大VonMises應力為204MPa，出現在C7椎骨的椎板處；松質骨最大應力4.27MPa，出現在C7椎骨錐體前表面。頭部右側軸向旋轉20°時，頸椎皮質骨最大VonMises應力值為215MPa，出現在C7椎骨椎板處;松質骨最大應力值為4.15MPa，出現在C7椎骨的錐體前表面。頭部右側軸向旋轉40°時，頸椎皮質骨最大VonMises應力值為225MPa，出現在C7椎骨椎板處；松質骨最大應力值為4.85MPa，在C2椎骨錐體的前表面。頸椎皮質骨的最大VonMises應力值與頭部軸向旋轉角度呈現出正相關趨勢，且最大VonMises應力集中在C7椎骨。頸椎松質骨的最大VonMises應力值與頭部軸向旋轉角度之間沒有呈現出明顯的相互關系。

3討論

追尾碰撞發生時，人體的軀干會向前運動，頭部由于慣性作用向后運動，使下頸椎節段伸展，上頸椎節段彎曲。從外側角度看，這使頸椎呈現出一個彎曲且拉長的S形而不是單純的C形。這是許多研究者公認的碰撞過程[18-19]。在右側軸向旋轉的碰撞過程中，頸部有在矢狀面方向上的S形運動，也存在以C4-C5為運動中心的頸椎側彎和軸向旋轉的運動。在最初將頭部平移形成這個S形彎曲的過程中，頸部肌肉被拉伸，在拉伸過程中會發生反射性收縮[20]。右側軸向旋轉20°的后碰仿真中，頭部的往回旋轉持續時長約34ms；右側軸向旋轉40°的后碰仿真中，頭部的往回旋轉持續時長約48ms。頭部軸向旋轉并保持放松，在受到碰撞后會迅速回轉，頭部往回旋轉是肌肉受拉伸反射收縮的作用，在頭頸部往后伸展時這個階段對頭部的運動影響不大。頭部的軸向旋轉對頭部往后移動X方向和Z方向幾乎沒有影響，但影響Y方向的移動，會使頭部與頭枕一側接觸而使頭枕無法發揮緩沖作用。頭部在接觸頭枕并且反彈的階段與正常駕駛姿勢的運動不同，會引起頭部和枕髁位置的損傷。

目前對于頭頸部高速沖擊下頸部肌肉的激活沒有可靠的研究。雖然B.J.Fice等[21]使用等比例的方法縮放DENGBing等[3]尸體實驗得到T1運動曲線來進行仿真實驗，但是T1在X和Z方向的移動并不一定是與撞擊速度成比例的，所以得到的輸入曲線可能會與實際有很大區別，本實驗由于參考實驗數據的限制也未分析頭部反彈的階段。

在小范圍的生理活動范圍內，肢體之間由于生理活動產生的應力相對于碰撞中人體所受到的力而言是非常小的，所以，目前關于乘員不標準姿勢下的乘員損傷，現有的研究中均沒有考慮到將應力保留到下一步計算中。后續可以考慮將頭頸部因旋轉產生的應力保存后展開研究。

通過比較其他各頸椎水平的IV-NIC峰值發現，頭部旋轉的初始碰撞姿勢會進一步增加各頸椎的旋轉角度，頸椎發生損傷的最主要原因是頸椎側彎角度過大造成的。從結果看，頭部的軸向旋轉對后碰過程中頸部的前向彎曲和后向伸展影響較小，即同駕駛員目視前方的姿態下變化情況一致。所以在研究駕駛員有頭部軸向旋轉行為的碰撞案例中，應該重點關注其碰撞過程中頸椎水平的左右側彎造成的損傷。同時研究發現，頸椎損傷的最大部位是C4-C5頸椎段。造成C4-C5部位IV-NIC值過高的原因是由于頭部軸向旋轉，導致頭部重心偏右，由于碰撞過程中頭頸部在Y方向上的不對稱性，導致了C4-C5部位發生了過度的側向彎曲。C4-C5是頸椎運動的中心，不只體現在頸椎前后運動的S形運動過程中，也體現在后碰沖擊中頸椎側面彎曲和軸向旋轉的運動過程中。

4結論

本文使用GHBMC頭頸部模型，通過在T1上引入加速度曲線的方式，研究車輛追尾事故中3種頭部旋轉（0°、20°、40°）姿態下的駕駛員頸部損傷情況，得出如下結論：

1）在發生車輛追尾碰撞時，頭頸部的軸向旋轉姿態會進一步增加頸椎間的旋轉角度，但頸椎間左側和右側旋轉IV-NIC值均較小，說明頭頸旋轉姿勢的后碰沖擊中，頸椎不會因過度軸向旋轉而發生損傷。

2）頭頸部軸向旋轉的姿勢會明顯增加碰撞過程中頸椎的側彎角度，尤其是C4-C5頸椎段，碰撞過程中C4-C5頸椎段會因過度側彎而發生損傷。

3）在頭頸部旋轉姿勢下的后碰仿真中，頸椎伸展和屈曲的IV-NIC峰值與頭部未旋轉后碰仿真中的結果相近，即軸向旋轉姿勢不影響后碰過程中頸部因伸展和屈曲產生的S型運動過程。