人体颈椎建模及车辆后碰撞颈部损伤研究

【摘要】交通事故增加给人们的生活带来了许多不便，不仅造成大量的人员伤亡，也给社会带来巨大的经济损失。交通事故导致的人体脑部、胸部以及颈部损伤是造成死亡的主要原因。其中，颈部损伤是各类交通事故中最常见到的损伤类型。颈部损伤不仅具有致命性，而且往往会导致幸存者伴有长期的后遗症。在所有的汽车碰撞事故中，车辆后碰撞导致的颈部损伤占有较大比例。针对这种由汽车碰撞导致的颈部损伤，已有学者对其进行研究，但是由于颈部复杂的解剖结构导致其损伤机理仍然难以确定，因此，颈部损伤仍然需要深入研究。目前学者们采用了各种实验和仿真方法进行颈部损伤研究，但是实验方法的样本难于获取并受到伦理道德的限制，机械模型和多刚体模型的生物仿真度较差，而随着有限元技术的发展，有限元模型不仅可以刻画人体颈部详细的解剖结构，而且可以模拟人体在不同外界条件下的生物力学响应。因此，采用有限元分析方法，可以有效的对车辆碰撞事故中的颈部损伤进行分析与预测。本文以某50百分位国人志愿者提供的颈部CT扫描数据为依据，建立了一个具有高生物逼真度的人体颈部有限元模型。该模型由椎骨、韧带、椎间盘、小关节和肌肉等组织组成，并依据各部位生理特性及相关参考文献，各组织赋予了不同的材料属性。为了验证模型的有效性，通过Nightingale等人1992年进行的颈部尸体跌落试验、Ewing等人1978年进行的前碰撞志愿者试验和Davidsson等人1998年进行的后碰撞志愿者试验分别对有无颈部肌肉组织的模型进行了验证。验证结果表明，模型的生物力学响应与真实人体的生物力学运动过程一致，各响应参数与试验结果相吻合。模型可以较好的模拟人体颈椎的真实动力学响应。运用建立的有限元模型对低速后碰撞工况下的颈部损伤进行了研究，通过低速后碰撞仿真模拟，分别获取椎骨、椎间盘、主要韧带和小关节的应力曲线。通过对曲线和应力云图分析并结合医学理论对后碰撞工况下产生的颈部损伤部位以及损伤机理进行了预测。分析结果发现，颈椎在后碰撞过程中容易出现椎体骨折、侧块骨折以及爆裂性骨折，椎间盘容易产生中央型、侧方型或混合型突出症状，韧带尤其是前纵韧带容易产生撕裂，小关节疼痛也会产生。最后根据分析结果提出设计合理的约束系统和汽车座椅能够有效的降低颈部损伤。通过研究表明，本文所建立的颈部模型具有较高的生物仿真度，且具有有效性，因此模型可用于交通事故中颈部损伤机理以及各部位损伤分析研究。
【作者】杜登云；
【导师】宋学伟；
【作者基本信息】吉林大学，机械工程，2014，硕士
【关键词】颈椎有限元模型；生物力学；动力学响应；后碰撞；损伤；

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