為了驗證汽車碰撞過程中人體頸部的損傷情況,建立了人體頸椎C4-C6部分有限元生物力學模型,模型組織包括皮質骨、松質骨、纖維環、髓核、韌帶以及關節面,并在各組織接觸部位設置了接觸,以便更好地模擬模型在前沖擊下的運動趨勢。對模型施加前沖擊載荷,研究各組織的應力及應變分布情況。經過驗證,模型在前沖擊過程中,其位移模擬數據基本在實驗數據區間范圍內,模擬了頸椎C4-C6部分在前沖擊載荷下的運動趨勢,具有較好的生物逼真度,基本反映了人體頸部沖擊動力學響應。
引用本文： 薛強, 丁梅. 頸椎C4-C6在前沖擊載荷下的應力分析. 生物醫學工程學雜志, 2014, 31(1): 124-127. doi: 10.7507/1001-5515.20140024 復制
引言
近年來，由于人們生活水平的提高，擁有汽車的人越來越多，以至于給交通帶來了嚴重負荷。據交通部門統計，2011年全國涉及人員傷亡的道路交通事故210 812起，共造成62 387人死亡。在交通傷害事故中，人體頸部是最容易受損傷的部位，過去的30年里，頸部損傷發生率一直呈增長趨勢，最近研究報告指出發生率已達到了50%[1]。近年來，對乘員在汽車碰撞中的保護研究已經取得了很大的進展，但由于頸部復雜的解剖學結構及生物力學特性，對頸部沖擊動力學響應的研究一直是公認的難題[2-3]。
基于目前相關文獻，頸部有限元模型的建立只包含椎體、椎間盤和韌帶，其中韌帶采用梁單元，而對于模型間的接觸問題，也很少會考慮。本文根據人體頸部解剖學基礎，對模型組織結構劃分得比較詳細，將椎骨進一步劃分為密質骨和松質骨，椎間盤分為纖維環和髓核，前縱韌帶、后縱韌帶和黃韌帶都采用了實體單元。為了能更好地模擬頸部在前沖擊下的運動，椎體和椎間盤之間設置了面-面接觸。經過載荷作用，該模型模擬了人體頸部的前沖擊狀態。
1 模型建立
頸椎C4-C6的原始數據來源于DICOM格式圖像數據。經過Mimics和Geomagic處理，得到頸椎幾何模型，并在TrueGrid中劃分網格,網格單元采用變形較好的六面體單元，使得運算結果更為準確。為了使有限元模型更接近人體頸部解剖結構，對椎骨和椎間盤做了進一步劃分。如圖 1所示，將椎骨分為密質骨和松質骨，椎間盤分為纖維環和髓核。
圖1
模型組織結構
(a) 密質骨和松質骨；(b)纖維環和髓核
Figure1. Model structure(a) cortical bone and cancellous bone; (b) annulus and nucleus
通過上述建模方法，建立了完整的頸椎C4-C6有限元模型。如圖 2所示，該模型所包括的骨質組織模型有C4、C5、C6椎骨，分為密質骨和松質骨；軟組織模型有關節面、前縱韌帶、后縱韌帶、黃韌帶、棘間韌帶和椎間盤，其中椎間盤分為纖維環和髓核。該模型共有74 310個節點和52 034個單元，且均為八節點六面體單元。
圖2
C4-C6頸椎有限元模型
Figure2.
Finite element model of cervical spine C4-C6
2 材料屬性
有限元模型C4-C6中，不同的組織采用不同材料參數。除棘間韌帶采用纜單元(Link167)之外，其他各組織均采用實體單元(Solid164)[4]。纖維環采用各向異性彈性模型；髓核的材料模型為流體(Fluid)；棘間韌帶的材料模型為索模型(Cable)，其余組織均采用各向同性彈性模型[5]。具體的參數如表 1所示[6-7]。
表1
模型各組織材料參數
Table1.
Material properties used for various components of model
3 模型驗證
1978 年，Ewing等[8-9]在美國海軍生物力學實驗室進行了志愿者滑車實驗。實驗記錄了15 g前碰撞加速度載荷條件下頸椎水平方向的速度曲線。在仿真模擬前沖擊時將實驗速度曲線作為輸入載荷施加于C6頸椎底部。C6頸椎及韌帶下端施加各個方向轉動，仿真時間歷程300 ms。實驗中列出了頭部相對于T1椎體在豎直方向位移上限和下限曲線，已知頭及椎體尺寸，根據頭頸部各自相對轉角，可以換算出C4椎體相對于C6椎體在豎直方向位移上限和下限曲線值，如圖 3所示，模擬曲線與其進行對比可知，模擬曲線值大部分在實驗曲線值范圍內。
圖3
C4相對于C6在豎直方向的位移曲線
Figure3.
The vertical displacement curve of C4 relative to C6
4 結果和討論
對頸椎C4-C6模型施加前沖擊載荷，分析得出各個組織模型的應力應變曲線分布圖。如圖 4所示，最大應力應變主要集中在C6密質骨上，最大應力值為80 MPa，對應的時間為155 ms。在150 ms時，C6密質骨應變值最大，值為0.006。由圖 5可知，C5-C6間纖維環受力較大，其應力在145 ms時達到最大值4 MPa，應變在140 ms時達到最大為0.5。 C4-C5間髓核受力較大，應力最大值為0.21 MPa，應變為0.35。C5-C6間關節面受力較大，最大應力值為15 MPa，產生的時間為155 ms，最大應變值為0.45。如圖 6所示，黃韌帶受力較大，應力在150 ms時達到最大值為8 MPa，最大應變在210 ms 時為0.09。
圖4
C4-C6椎體各組織的應力及應變曲線
(a)C4-C6椎體各組織的應力曲線; (b) C4-C6椎體各組織的應變曲線
Figure4. The stress and strain curve of vertebral body C4-C6(a) stress curve of vertebral body C4-C6; (b) strain curve of vertebral body C4-C6
圖5
椎間盤和關節面的應力及應變曲線
(a) 椎間盤和關節面的應力曲線; (b) 椎間盤和關節面的應變曲線
Figure5. Stress and strain curves of intervertebral disc and articular facet(a) stress curve of intervertebral disc and articular facet; (b) strain curve of intervertebral disc and articular facet
圖6
韌帶的應力及應變曲線
(a) 韌帶的應力曲線;(b) 韌帶的應變曲線
Figure6. Stress and strain curves of ligaments(a) stress curve of ligaments; (b) strain curve of ligaments
綜上所述，C6椎體、C5-C6椎間盤和黃韌帶的受力較大，當所受力超過其各自的耐受極限時，就會產生椎體骨折，頸部椎間盤脫出以及韌帶拉傷，臨床表現有壓迫頸部神經痛，嚴重者甚至會出現休克和昏迷。
該模型模擬了前沖擊下的運動趨勢，但是與實驗數值進行對比，位移上會有些偏差，其影響因素主要有：
(1) 模型組織劃分得比較詳細，如密質骨和松質骨，并且前縱韌帶、后縱韌帶和黃韌帶都采用了實體單元，如此多種類的材料屬性會影響到模型位移。
(2) 建模時，為了更能接近頸部在前沖擊下的運動狀態，椎體和椎間盤接觸的地方設置了面-面接觸，并設置了摩擦系數，對頸椎位移大小會有些影響。
本文建立了完善的頸椎C4-C6有限元模型，與人體頸部實際運動趨勢一致，基本反映了人體頸部沖擊動力學響應，為相關研究提供了基礎。
引言
近年來，由于人們生活水平的提高，擁有汽車的人越來越多，以至于給交通帶來了嚴重負荷。據交通部門統計，2011年全國涉及人員傷亡的道路交通事故210 812起，共造成62 387人死亡。在交通傷害事故中，人體頸部是最容易受損傷的部位，過去的30年里，頸部損傷發生率一直呈增長趨勢，最近研究報告指出發生率已達到了50%[1]。近年來，對乘員在汽車碰撞中的保護研究已經取得了很大的進展，但由于頸部復雜的解剖學結構及生物力學特性，對頸部沖擊動力學響應的研究一直是公認的難題[2-3]。
基于目前相關文獻，頸部有限元模型的建立只包含椎體、椎間盤和韌帶，其中韌帶采用梁單元，而對于模型間的接觸問題，也很少會考慮。本文根據人體頸部解剖學基礎，對模型組織結構劃分得比較詳細，將椎骨進一步劃分為密質骨和松質骨，椎間盤分為纖維環和髓核，前縱韌帶、后縱韌帶和黃韌帶都采用了實體單元。為了能更好地模擬頸部在前沖擊下的運動，椎體和椎間盤之間設置了面-面接觸。經過載荷作用，該模型模擬了人體頸部的前沖擊狀態。
1 模型建立
頸椎C4-C6的原始數據來源于DICOM格式圖像數據。經過Mimics和Geomagic處理，得到頸椎幾何模型，并在TrueGrid中劃分網格,網格單元采用變形較好的六面體單元，使得運算結果更為準確。為了使有限元模型更接近人體頸部解剖結構，對椎骨和椎間盤做了進一步劃分。如圖 1所示，將椎骨分為密質骨和松質骨，椎間盤分為纖維環和髓核。
圖1
模型組織結構
(a) 密質骨和松質骨；(b)纖維環和髓核
Figure1. Model structure(a) cortical bone and cancellous bone; (b) annulus and nucleus
通過上述建模方法，建立了完整的頸椎C4-C6有限元模型。如圖 2所示，該模型所包括的骨質組織模型有C4、C5、C6椎骨，分為密質骨和松質骨；軟組織模型有關節面、前縱韌帶、后縱韌帶、黃韌帶、棘間韌帶和椎間盤，其中椎間盤分為纖維環和髓核。該模型共有74 310個節點和52 034個單元，且均為八節點六面體單元。
圖2
C4-C6頸椎有限元模型
Figure2.
Finite element model of cervical spine C4-C6
2 材料屬性
有限元模型C4-C6中，不同的組織采用不同材料參數。除棘間韌帶采用纜單元(Link167)之外，其他各組織均采用實體單元(Solid164)[4]。纖維環采用各向異性彈性模型；髓核的材料模型為流體(Fluid)；棘間韌帶的材料模型為索模型(Cable)，其余組織均采用各向同性彈性模型[5]。具體的參數如表 1所示[6-7]。
表1
模型各組織材料參數
Table1.
Material properties used for various components of model
3 模型驗證
1978 年，Ewing等[8-9]在美國海軍生物力學實驗室進行了志愿者滑車實驗。實驗記錄了15 g前碰撞加速度載荷條件下頸椎水平方向的速度曲線。在仿真模擬前沖擊時將實驗速度曲線作為輸入載荷施加于C6頸椎底部。C6頸椎及韌帶下端施加各個方向轉動，仿真時間歷程300 ms。實驗中列出了頭部相對于T1椎體在豎直方向位移上限和下限曲線，已知頭及椎體尺寸，根據頭頸部各自相對轉角，可以換算出C4椎體相對于C6椎體在豎直方向位移上限和下限曲線值，如圖 3所示，模擬曲線與其進行對比可知，模擬曲線值大部分在實驗曲線值范圍內。
圖3
C4相對于C6在豎直方向的位移曲線
Figure3.
The vertical displacement curve of C4 relative to C6
4 結果和討論
對頸椎C4-C6模型施加前沖擊載荷，分析得出各個組織模型的應力應變曲線分布圖。如圖 4所示，最大應力應變主要集中在C6密質骨上，最大應力值為80 MPa，對應的時間為155 ms。在150 ms時，C6密質骨應變值最大，值為0.006。由圖 5可知，C5-C6間纖維環受力較大，其應力在145 ms時達到最大值4 MPa，應變在140 ms時達到最大為0.5。 C4-C5間髓核受力較大，應力最大值為0.21 MPa，應變為0.35。C5-C6間關節面受力較大，最大應力值為15 MPa，產生的時間為155 ms，最大應變值為0.45。如圖 6所示，黃韌帶受力較大，應力在150 ms時達到最大值為8 MPa，最大應變在210 ms 時為0.09。
圖4
C4-C6椎體各組織的應力及應變曲線
(a)C4-C6椎體各組織的應力曲線; (b) C4-C6椎體各組織的應變曲線
Figure4. The stress and strain curve of vertebral body C4-C6(a) stress curve of vertebral body C4-C6; (b) strain curve of vertebral body C4-C6
圖5
椎間盤和關節面的應力及應變曲線
(a) 椎間盤和關節面的應力曲線; (b) 椎間盤和關節面的應變曲線
Figure5. Stress and strain curves of intervertebral disc and articular facet(a) stress curve of intervertebral disc and articular facet; (b) strain curve of intervertebral disc and articular facet
圖6
韌帶的應力及應變曲線
(a) 韌帶的應力曲線;(b) 韌帶的應變曲線
Figure6. Stress and strain curves of ligaments(a) stress curve of ligaments; (b) strain curve of ligaments
綜上所述，C6椎體、C5-C6椎間盤和黃韌帶的受力較大，當所受力超過其各自的耐受極限時，就會產生椎體骨折，頸部椎間盤脫出以及韌帶拉傷，臨床表現有壓迫頸部神經痛，嚴重者甚至會出現休克和昏迷。
該模型模擬了前沖擊下的運動趨勢，但是與實驗數值進行對比，位移上會有些偏差，其影響因素主要有：
(1) 模型組織劃分得比較詳細，如密質骨和松質骨，并且前縱韌帶、后縱韌帶和黃韌帶都采用了實體單元，如此多種類的材料屬性會影響到模型位移。
(2) 建模時，為了更能接近頸部在前沖擊下的運動狀態，椎體和椎間盤接觸的地方設置了面-面接觸，并設置了摩擦系數，對頸椎位移大小會有些影響。
本文建立了完善的頸椎C4-C6有限元模型，與人體頸部實際運動趨勢一致，基本反映了人體頸部沖擊動力學響應，為相關研究提供了基礎。
