汽车碰撞事故中人体颈部肌肉主动力对头颈部损伤的影响研究

Head and neck injuries are the most normally and deadly vehicle accident injuries. To understand the influences of neck muscles activations to the head-neck injuries during vehicle accidents is of significant theoretical value to the vehicle safety design and crash tests improvement.The aim of present study is to investigate the influence of neck muscles activations to the dynamic responses and biomechanical responses of head-neck systems of occupants and vulnerable road users during real world vehicle accidents.MRI images are used to develop the 3d geometric model of neck musles from which the important related parameters are abtained. The proprioception hypothesis is used to develop motor nerve system control programme in MATLAB, that activating the neck muscles by rates from the input complex load conditions and realizing the coupling simulation with head-neck FE model via closed-loop control. The coupling model is validated by volunteer sled impact tests under low speeds. Typical vehicle accident cases, including frontal,side and rear impact cases and vulnerable road users cases, are selected for head-neck injury reconstrcuction studies via the coupling model, and head-neck injury risk models are developed using logistic regression method from the reconstruction results.The energy absorb behavier of active muscles are analysised and its infulences to the head-neck dynamic responses and injuries are studied. Neck injury mechanism study is focused on the whiplash injury in rear impact accident.The restraint system is analysied around its influence to neck injuries. The activation of helmet in motorcycle accident is also studied. The disadvantages of recent vehicle crash tests and the fisibilities for improving test methods are discussed.

头颈部损伤是最为常见且死亡率极高的交通伤害，研究人体颈部肌肉主动力对头颈部交通伤的影响，具有重要的理论价值和应用意义。本课题目的在于通过真实汽车碰撞事故研究颈部肌肉主动力对乘员及易受伤害道路交通使用者的头颈部动力学响应和生物力学响应的影响。运用MRI断层扫描图像建立颈部肌肉三维几何模型，获取肌肉相关几何参数；通过肌肉材料实验建立颈部肌肉相关材料数据库；运用本体感觉理论，建立MATLAB控制算法程序，通过闭环控制实现与头颈部有限元模型的耦合计算；通过低速台车实验验证耦合模型；选取正面、侧面和后碰撞典型事故案例，以及易受伤害的道路交通使用者事故案例，运用上述模型开展损伤重建研究，建立头颈部损伤风险模型，分析颈部肌肉吸能作用及其对头颈部动力学响应及损伤的影响，分析挥鞭伤损伤机理，乘员约束系统对颈部损伤的影响，骑摩托车人头盔对颈部损伤的作用，讨论现有汽车碰撞法规的不足及可行性改进措施。

头颈部损伤是最为常见且死亡率极高的交通伤害，研究人体颈部肌肉主动力对头颈部交通伤的影响，具有重要的理论价值和应用意义。运用影像重建技术建立了16例颈部肌肉三维模型，并分别计算了各肌肉的体积及最大横截面积；研究结果表明，颈部肌肉左右两边差距微小；个体间颈部肌肉体积及最大肌肉横截面积差距显著，可达到364cm³；个体间各肌肉体积所占颈部肌肉总体积比率相对差距较小，通常小于13%；颈部肌肉最大横截面集中于C6~C7处。建立了兔子胫前肌几何模型。将准线性粘弹性本构模型与Hill主动本构模型耦合，建立了TA的肌肉主动力模型；建立了五十百分位人体颈部肌肉部分，运用克里格法将该颈部肌肉模型插值转换后赋予原头颈部有限元模型。在15g前碰撞条件下验证完整头颈模型的有效性。运用本体感觉理论，建立了基于MATLAB和SIMULINK程序的肌肉主动力控制算法模型；结果表明，该模型具有较好的计算稳定性，计算结果获得唯一解；拮抗肌相关系数与损伤阈值控制系数对计算结果影响显著；主动力分配计算结果与实验结果吻合较好。将该模型运用于6例人体颈部模型计算，结果表明，正确的坐姿能大幅减小人体颈部肌肉主动力从而减小颈部肌肉疲劳。将头颈部有限元模型与Hybrid III假人模型、BioRID II假人模型进行耦合，分析了前碰撞和后碰撞中人体颈部肌肉主动力对头颈部动力学响应和生物力学响应的影响；前碰结果表明在低、中、高速前碰撞中，颈部肌肉主动力都能有效的降低头部动力学参数和颈部生物组织的应力应变；碰撞前乘员具有危险意识也就是颈部肌肉主动力提前加载同样会降低头部动力学参数和颈部生物组织的应力应变，能够有效降低头颈部的损伤风险；研究结果表明，建立的头颈有限元模型的验证结果与志愿者试验结果吻合较好，具有较高的生物逼真度；建立的后碰撞混合模型可以较逼真的模拟后碰撞时脊柱与座椅的相互作用，并可以对颈部各椎骨、椎间盘及韧带的生物力学响应进行分析；随着碰撞加速度的增加，头部最大位移、头部质心加速度、NIC等参数值均随之变大；相同碰撞条件下，激活态模型的各损伤值均小于被动态模型，特别是在低强度碰撞脉冲下，可见颈部肌肉主动力对乘员颈部起到一定的保护作用。通过分析座椅几何参数对乘员颈部损伤的影响可得，适当减小头枕与头部水平距离、增加头枕高度以及减小座椅靠背刚度，可降低乘员颈部损伤的几率。