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汽车侧向撞击时乘客颈部脊椎反应的三维分析

摘要

目前人们对于汽车侧向撞击对乘客颈部损伤的在结构上的体现并不完全了解。现期望用一项计算机模拟仿真分析来在结构上阐述这种颈部损伤。目前一个仿真模型已证明了先前关于侧向撞击研究中颈部脊椎运动无法被研究的言论。首先，为了证明仿真模型与颈椎运动的对比，人类志愿者的颈椎运动被三维化分析，并且遭受侧向撞击时颈椎的三维运动特征是绝对的。同时，使用MADYMO头及颈部模型重新模拟志愿者测试，用以评估三维颈椎运动模拟的性能。此外，用于模拟多项猛烈撞击引起的颈椎侧向弯曲趋势的能力也被进行了评估。

关键词：颈部损伤，侧向撞击，人类志愿者，三维运动分析，计算机仿真

简介

颈部轻度损伤如颈部扭伤通常被认为主要由后部撞击引起。但是侧向冲击也会频繁造成典型的颈部轻度损伤[1]。虽然更多关于人体遭受侧向冲击时颈椎反应的研究被迫切需求，现存只有少量的此项研究。

目前为止，已有人体尸体及侧向冲击测试人偶如World-SID被使用，用以证明侧向冲击时汽车乘客颈部运动及受力情况[2]。然而，由于包括肌肉活动在内的人体典型反应在这种方法中是被忽略的，因此很难精准的了解人体反应。相反，人体典型反应在使用人类志愿者测试可以被考虑，由于安全及伦理问题，像真实事故一样的高速冲击试验无法使用人体志愿者。这种方法有一个问题就是很难预测真实事故中的颈椎运动。因此，最近有一些关于对各种冲击下汽车乘客反应的计算机模拟仿真被用来解决上述各种问题。由于模型的准确性对仿真结果影响很大，试图开发一种可以准确模拟部分尸体或人类志愿者测试的模型。最近，一项MADYMO头颈部模型在侧向冲击下的仿真结果仅证明了尸体和志愿者的头部运动[3]。目前没有任何证明侧向冲击下人体颈椎运动的模型的研究被实施。因此，为评估预测真实事故中颈椎运动的准确性，用以证明人类志愿者颈椎运动的头颈部模型是必要的。

在先前的研究中，作者们通过一系列志愿者测试的分析，报告了后部冲击下颈椎的二维运动[4]。但也提到了志愿者头颈部及躯干在遭受冲击时是一个三维运动过程。此外，侧向冲击还会造成颈部侧向弯曲。同时提到在主动颈部侧向弯曲时颈椎同时经历了包含弯曲、拉伸、旋转的组合运动[5]。因此为理解汽车乘客在遭受侧向冲击时颈椎的三维运动（可能与颈部损伤相关），同时为了验证仿真模型，必须进行一个志愿者颈椎运动的三维（3D）分析。

在本研究中，三维分析了通过志愿者测试获得的放射影像。然后，用MADYMO进行了一系列志愿者测试的仿真重现。为考虑仿真模型在预测真实事故时颈椎运动的能力，评估了多种猛烈冲击下的三维颈椎运动和颈椎侧向弯曲趋势。

侧向冲击试验

颈椎运动捕捉试验

捕捉侧向冲击下脊椎运动的试验先前已被详细报道[4]。这里仅将对该实验进行简单介绍。志愿者而被要求坐在座椅上，用一个空气压缩冲击装置对志愿者右肩膀施加冲击，如图1所示。一个X射线影像系统(Philips BH-5000)以60fps的刷新率连续捕捉颈椎影像，如图2（a）所示。测试条件为拉紧放松与400N或500N的冲击的结合。作为补充，一些600N的冲击也被实施在男性志愿者的身上。表1为此项试验中的一些志愿者生理数据。

与冲击加载测试一样，主动颈椎运动（志愿者自发的侧向弯曲）过程中也被拍摄了连续的X射线影像图片。作为补充，从前方（图3（a））与箭头（图3（b））方向拍摄的静止X光影像用于确定特征点，并将在之后进行详细解释。

(a)正视图 (b)侧视图

图1　测试机器的正视图与侧视图

表1 显像系统测试中志愿者的生理数据

头部、颈部、躯干运动捕捉试验

为获得志愿者头部、颈部、躯干的三维响应，三维运动捕捉系统（Eagle Digital System）被用来以500fps的刷新率记录遭受冲击时头部、颈部、躯干的运动。此外，胸锁乳突肌和颈椎肌肉的肌电图法（EMG）测量值被用来描述志愿者遭受冲击时颈部肌肉的活动。此项试验中，测试条件包括拉紧与放松的组合与400N,500N或600N的冲击。表2为此项试验中志愿者的一些生理数据。

部分连续的颈椎X射线图片和连续的志愿者多种运动X射线图片在图2中作为示例展示。

三维颈椎运动的分析方法

为连续X射线影像图片中计算每个志愿者C5到T1的转动角度，每个颈椎都被定义了图3中所示的3个特征点。特征点分别为1：右椎弓根中心点；2：左椎弓根中心点；3：脊柱棘突下后点。由于矢状面上很难确定点1与点2的位置，这两点被假定未在椎骨体的后边缘，如图3（b）中短划线所示位置。同时，这三点间的距离由正视及矢平面的静止X射线影像计算得出。然后，三点的相对三维坐标通过特征点间的距离与连续X射线影像的二维坐标经过二维计算得出。

在每个椎骨上定义一个以点3（图4（b））为原点的局部坐标系。定义一个由点3指向点1与点2中点的向量为向量a，一个由点1指向点2的向量b，x，y，z轴上的单位向量i，j，k由下列方程可得出。

i=jtimes;k

j=ktimes;b/|b| [1]

k=atimes;b/| atimes;b|

表2 鹰式运动捕捉系统测试中志愿者生理数据

图2 试验过程中的连续图片

（a）正视图 (b)特征点 (c)矢面视图

图3 三个特征点在X射线影像正视与矢面视图上的定义

（a）绝对坐标系 （b）局部坐标系

图4 绝对坐标系与局部坐标系的定义

冲击过程与主动运动时较低相邻颈椎三维旋转角度通过按z，y，x轴顺序旋转局部坐标系的万向角计算。此外也确定了T1在Y与Z轴方向上的位移及每个椎骨在绝对坐标系上的旋转角度。同时，绝对坐标系在图4（a）中已被定义。

由于这些椎骨被隐藏在下颚后面，无法被连续X射线影像系统，本次研究中排除了对C1到C4的分析。

三维分析的结论

图5为C6/C7与C7/T1分别在主动运动中，500N冲击，600N冲击时的平均旋转角度。C6/C7在受500N冲击时（图5（b））绕X轴的旋转角度比主动运动时（图5（b））转角要大。同时，C6/C7在受500N冲击时绕Y轴与Z轴的转角分别在70ms与90ms后在方向上表现出与主动运动的相反的趋势。同时，绕Z轴的反向角大约为2.7°。考虑到实验结果中运动转角范围最大为6°[6]，这个现象被认为有重要价值。

C7/T1在受500N冲击时(图5（e）)绕Z轴的转角在5

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