调查的影响颈部肌肉作用力的颈椎过度屈伸损伤颈椎

文摘

本研究的目的是探讨颈部肌肉激活鞭子的脖子上受伤的影响居住者的客运车辆在不同严重程度的额叶和追尾碰撞的影响。有限元(FE)模型已经被用来作为通用的工具来模拟和理解乘员伤害预防的颈椎过度屈伸损伤机制。然而,很少研究脑震荡和损伤机制与颈部活动肌肉力量,限制的完整再现和理解损伤机制。在这个手稿,人类混合有限元模型与头颈开发积极坐的姿势。颈椎的反应在额叶和追尾的情况下就使用有限元模型研究了有无颈部肌肉活动。颈部肌肉活动的影响的颈椎过度屈伸损伤,研究了基于有限元模拟的结果。结果表明,颈部作用力影响头颈动态响应和颈椎过度屈伸损伤在碰撞中,特别是在低速碰撞。

1。介绍

脑震荡发生车祸是全世界的一个日益突出的问题1];大约28 - 53%的交通事故受害者遭受这种类型的损伤(2]。它仍然是一个主要的健康问题,因为长期后果(3]。车辆碰撞会导致扭伤或拉伤软组织的脖子,导致各种各样的临床表现,包括头痛、头晕、健忘、神经根的特征。这些症状统称为whiplash-associated障碍(叠)4]。然而,脑震荡的机制和位置仍在调查之中。

在过去的几十年里,许多研究人员进行了研究探讨脑震荡的机制通过人类志愿者测试(5,6,数学模型7,8),碰撞假人(9),整个尸体(10)和混合尸体模型(11]。烹调的菜肴(10]研究人类脖子的运动响应和负载模式使用尸体在低速追尾的测试。kraken et al。12)评估条件的翼状韧带脑震荡使用磁共振成像(MRI),这表明,翼状韧带脆弱的颈椎过度屈伸损伤,MRI是一个有用的工具来评估颈部损伤的严重程度。杂种小狗,克罗宁(2)调查了乘员运动响应和可能脑震荡的上颈椎在车辆碰撞使用头颈有限元模型验证人类。基于Folksam交通伤害的调查中,琼森et al。13)研究的颈椎过度屈伸损伤结果前排乘员在车辆追尾使用双成对比较的技术。Ivancic和肖11]评价人类的biofidelity FE模型通过比较体内数据和调查颈部负载和运动响应模拟追尾事故期间,紧随其后的颈椎过度屈伸损伤机制的研究和预防方法。这些研究表明,潜在的解剖颈损伤的场所,面关节,脊柱韧带、椎间盘,背根神经节(DRG),颈部肌肉和椎动脉脆弱点(1]。Brault et al。14]研究颈部肌肉的运动响应和损伤在低速追尾的使用志愿者的实验,发现颈部肌肉萎缩迅速在碰撞过程中,长时间的肌肉收缩会导致潜在的肌肉拉伤。Kumar et al。15)进行了志愿者实验研究颈部肌肉的反应头部旋转在侧面碰撞时,表明肌肉力量和肌肉拉伤的风险减少头部转向时的左右侧的影响。颈部肌肉收缩引起的作用力在车辆碰撞,特别是在低速碰撞,会有重要影响的动态响应人类头部和颈部(16]。然而,脑震荡及其损伤机制很少调查与颈部克制和活跃的肌肉力量,这将限制的完整再现和理解损伤机制,仍然是一个需要更好地理解的乘员伤害预防的颈椎过度屈伸损伤机制。

为了更好地理解的颈椎过度屈伸损伤及其预防机制,目前的手稿描述了数值研究的目的确定颈部肌肉活动的影响在头颈动态响应和脑震荡居住者的客运车辆前部和追尾事故。

2。方法和材料

一个活跃的人类头颈FE模型开发和颈部肌肉的力学性能是通过三元素Hill-type模型描述与被动和主动的属性。头颈躯干模型然后连接到活动混合三世假建立混合人类模型。额下颈椎的反应(8 g, 15克,22 g)和后端(4 g、7 g和10 g)碰撞条件下研究了使用有限元模型有无颈部肌肉活动。颈部肌肉活动的影响的颈椎过度屈伸损伤当时调查基于仿真结果,force-distraction响应上颈椎韧带,头部的角度,高峰和颈椎的相对旋转角度,和颈椎过度屈伸损伤标准NIC, Nkm, Nij作为分析参数。

2.1。碰撞有限元模型

2.1.1。活动头颈直径有限元模型

一个活跃的头颈直径FE模型开发如图1。湖南大学的基本模型是基于一个50百分位的人体解剖学结构成年男性,在额是根据实验数据进行验证,后端,和侧面碰撞条件17,18,随后被改进和验证的基本模型张、杨(19李,et al。20.),和黄等。21]。头颈FE模型代表所有重要更新活跃50百分位男性头部和颈部的解剖特性,包括头皮、颅骨与外部表、板障,内部表,硬脑膜,大脑镰、小脑幕,镰cerebelli, pia,脑脊髓液(CSF)、大脑、小脑、脑干、心室,颈椎和三维颈部肌肉被动和主动的属性。

整个模型包括554154个元素;620899个节点;和427个零件,包括442094年固体元素;107620年壳牌元素;59岁的春天元素;和4381年梁元素。颈部是模仿与52组件,包括肌肉,可变形的脊椎,软骨,韧带和椎间盘。颈部肌肉的附件是分布在胸骨、肋骨,胸椎根据解剖结构。

颈部肌肉的力学性能是通过三元素Hill-type模型描述与被动和主动的属性,如图2。

模型包含一个非线性弹簧收缩元素(CE)和两个元素:一个在系列(SE)和一个在平行(PE)。体育元素表示被动的肌肉组织的刚度和使用非线性模型特征。硒元素代表了肌腱的肌肉与骨骼结构。CE元素生成肌肉激活时的积极力量。肌肉产生的总力是所有组件所产生的力量的总和。

固体元素被用来模拟颈部肌肉的被动响应特性,并使用奥格登橡胶模型描述的材料属性(MAT_OGDEN_RUBBER) [22]。积极响应属性被梁模拟元素,和材料属性定义材料模型强啡肽(MAT_MUSCLE) [22]。肌肉活动是由运动引起的颈椎越低,所建议的萨博和骗人23),和主要的伸肌的肌肉会被激活前屈肌;激活水平是不一样的,一个更高的激活水平与更大的力产生的肌肉。在这个手稿,触发时间和伸肌和屈肌的激活水平提出了Kumar et al。24),如图3和肌肉组织的被动属性被定义在两组相同的模拟。

2.1.2。混合坐姿人体有限元模型

混合人类FE模型是由上述活动头颈直径模型以及混合三世的躯干虚拟模型,及其biofidelity从志愿者的实验验证与数据(20.,25]。头部和颈部的混合三世假删除,第一胸椎(T1)活跃头颈模型重叠和放在第三T1的混合仿真模型,和两个T1被关键字CONSTRAINED_RIGID_BODIES刚性连接。

2.1.3。碰撞有限元模型

碰撞有限元模型如图4;它包括混合人类FE模型坐的姿势,一个简化的汽车以及其座位,一个乘员约束系统。简化的汽车模型是模拟使用两个平面元素,代表了汽车地板上,脚踏板和被定义为刚性材料,与踏板45°水平。根据人类志愿者碰撞测试的测试配置进行了日本汽车研究所(JARI) [26),座垫角10°水平,椅背和从垂直角度是20°。人体模型受到一个乘员约束系统,这是由一个锚点,滑环,牵开器,织物带。织物带模拟了二维元素的组合和1 d元素。二维元素带与人体的接触和联系安全带和虚拟之间的相对滑动。1 d元素带关键字ELEMENT_SEATBELT被定义,它可以模拟滑动沿着滑环和牵开器的特点。的biofidelity碰撞有限元模型是根据志愿者的实验进行验证25,27]。

2.2。虚拟实验的方法

虽然传统意义上被报道,后方的影响占大多数情况下的颈椎过度屈伸损伤28,29日),一个大型的流行病学研究表明,背面和正面碰撞的颈椎过度屈伸损伤大致相等的比例(占15]。因此,额和追尾事故都参与本研究,根据一项研究[2],颈椎的反应了两额增加影响的严重性(8 g, 15克,22 g)和后方(4 g、7 g和10 g)影响条件使用有限元模型和无颈部肌肉活动。先前的研究[2,3,30.)表示,上颈椎的运动响应车辆碰撞有关可能的颈椎过度屈伸损伤,和T1在前后方向上的加速度得到相应的尸体实验被用来作为虚拟实验的初始条件和输入边界(2),如图5。

2.3。数据分析

过度负荷、位移和head-T1相对加速度和速度会导致颈部损伤(31日]。颈部损伤准则(NIC)是基于head-T1相对加速度和速度;颈部保护判据(Nkm)和归一化颈部损伤准则(Nij)是动态加载的函数在枕骨髁部(32),他们可以用作的颈椎过度屈伸损伤标准预测颈部损伤和评估安全系统的有效性,减少受伤的风险。因此,在目前的研究中,颈部损伤指标NIC, Nkm, Nij,以及force-distraction响应上颈椎韧带,头部的旋转角度,高峰和相对旋转角度下颈椎的每一次碰撞严重程度,计算和研究。

3所示。结果

颈部肌肉活动在颈部的颈椎过度屈伸损伤的影响研究是基于有限元模拟的结果在不同碰撞严重程度。

3.1。韧带上颈椎的干扰

在文献[2),上颈椎韧带,尤其是翼状韧带,已确定作为一个潜在的颈椎过度屈伸损伤位置。因此,在目前的研究中,横韧带的中断(TL),艾拉韧带(腋下),和顶端韧带(顶端)的上部颈椎严重程度在不同碰撞计算,如图6。

在额下碰撞和追尾事故的严重性,TL的韧带中断,腋下,顶端活跃模型显示,更大的值与被动模型相比,和中断碰撞严重程度的增加而增加。在正面碰撞,翼状韧带受到3.22毫米的最大破坏22 g,碰撞加速度时,最大的破坏顶端韧带和横韧带是3.18毫米和0.32毫米,分别。在追尾事故,顶端韧带遭受3.12毫米的最大中断10 g,碰撞加速度时,最大的破坏翼状韧带和横韧带是2.42毫米和0.83毫米,分别。

3.2。峰头旋转和相对椎旋转

峰头旋转和相对椎旋转碰撞严重程度如表所示1。

峰头旋转和相对椎旋转在正面碰撞严重程度的增加而增加,追尾事故。活跃的旋转模型显示相同或更小的值和被动模型相比,在相同的碰撞严重程度,除了同样的角度正面碰撞的碰撞加速度下22 g和追尾碰撞下的c1角加速度的10 g。

3.3。的颈椎过度屈伸损伤标准

网卡的最大值,Nkm Nij主动模式和被动模式的严重程度在不同碰撞比较表2。所有的颈椎过度屈伸损伤标准增加而增加碰撞加速度在额叶和追尾事故,和活跃的肌肉力量增加了NIC高峰和Nkm峰值比被动模式。Nij的变化规律是不同的网卡和Nkm;出席活动的肌肉力量增加Nij山峰在正面碰撞,但减少追尾事故Nij山峰。

受伤的标准,网卡,Nkm Nij基于脖子剪切力(外汇),轴向力(Fz),并时刻(我),以及之间的相对水平加速度和速度头和T1 CoMs;这些参数随时间的变化曲线的主动模式和被动模式在不同碰撞严重程度比较数据7和8。

4所示。讨论

whiplash-related反应上颈椎和损伤标准在模拟计算和比较了额和追尾事故和不活跃的肌肉力量。尽管导致脑震荡的机制目前还不完全清楚,可以确定参数影响的颈椎过度屈伸损伤风险。

上颈椎韧带分心的见图1,我们观察到,翼状韧带和碰撞严重程度,顶端韧带更敏感的破坏更大比横韧带在相同碰撞严重程度在额叶和后端条件。15 g正面碰撞,例如,在一个活跃的横韧带的中断模型只有0.16毫米,而翼状韧带是2.57毫米,这是16倍的中断横韧带。这一发现支持临床MRI发现(33),恰逢结论在文献[2],翼状韧带和顶端韧带被确认为一个潜在的颈椎过度屈伸损伤的位置。另一只手,中断的所有三个韧带4 g追尾(TL 0.58毫米,翼状韧带1.55毫米,顶端韧带1.43毫米)是大于8 g正面碰撞的中断(TL 0.11毫米,翼状韧带1.51毫米,顶端韧带1.27毫米),这表明颈椎过度屈伸颈部损伤的发生率是最高的追尾事故比其他碰撞配置。颈部活动肌肉力量增加了韧带中断在任何碰撞的严重性在额叶和追尾事故,特别是翼状韧带,与MRI的发现协议,72%的病人发生在正面碰撞和追尾事故的58%表现出潜在的腋下的损害(33]。

颈椎(C1-C7)是最可调动的区域的脊柱。表1上市峰头旋转和相对椎旋转,和相对旋转和椎间旋转被发现增加随着碰撞额和追尾事故的严重程度。在大多数情况下,活跃的肌肉力量的旋转角度降低头部和颈椎之间的角度。有两个特殊情况;他们是同样的正面碰撞角下22 g碰撞加速度和c1追尾碰撞下10 g角加速度。应该注意的是,活动肌肉力量的影响相对椎旋转正面碰撞和碰撞严重程度下降。22 g碰撞加速度时,之间的差异的相对椎旋转主动模式和被动模式是非常小的。安全性碰撞,它可以假定在一个活跃的肌肉力量的影响相对椎旋转可以忽略,因此,特殊情况是可以接受的,同样的活动模型0.04°角比被动模式。建议调查椎间颈部损伤时,颈部活动必须涉及的肌肉力量。从图1,它可以观察到,活动肌肉力量的出席了翼状韧带的干扰增加了26%在10 g追尾的,根据解剖结构,翼状韧带损伤会影响atlantoaxial关节的稳定性(c1)。这也许可以解释的逆转情况c1追尾碰撞下10 g角加速度。

损伤标准NIC, Nkm Nij基于脖子负载和head-T1相对加速度和速度;使用它们的颈椎过度屈伸损伤标准在本研究预测脖子受伤。表2显示的颈椎过度屈伸损伤标准每个碰撞严重程度;结果表明,更高的碰撞引起的严重程度没有事故受伤的风险更高。三岁以下的追尾事故碰撞清规戒律的Nij很小(数量级为10⁻²)和显示微小变化(数量级是10⁻³)与碰撞严重程度和出席活动肌肉力量。这个发现支持规则Nij是适合预测正面碰撞的颈部受伤。另一方面,正面碰撞的NIC三下碰撞严重程度是非常大的,即使是在8 g碰撞加速度,Nkm和Nij远低于1的容忍度,网卡已经超过15米的容忍度²/秒²。此外,网卡使用之间的相对水平加速度和速度计算头部和T1铺盖,其随时间的变化曲线如图7(j) -7(o)和数字8(j) -8(o);我们观察到,出席活动肌肉力增加的相对水平加速度和速度峰值在追尾事故,特别是lower-severity追尾事故,而几乎没有造成任何改变在正面碰撞。这个发现支持网卡的规则是适合预测颈部后方碰撞受伤。

图6和表1显示生成的主动力颈部肌肉增加韧带破坏和减少相对椎旋转。同时,主动力应用额外影响颈椎影响之间的相对水平加速度和速度头和T1铺盖,剪切力(外汇),轴向力(Fz),并时刻(我),如图7和8。这种效应增加的颈椎过度屈伸损伤标准Nkm山峰额和追尾事故,NIC山峰在追尾事故,在正面碰撞和Nij峰;相同的趋势可以观察到在他们的计算参数,如图7(一)-7(我)和数字8(d) -8(o)。在追尾事故,颈部损伤主要遵循tension-extension机制;由于约束的头枕,上颈椎的扩展运动,举行和颈部肌肉产生的力抵消某些紧张遭受颈椎,从而降低了轴向力(Fz),如图8(一)-8(c),所以主动模型相比遭受低Nij被动模式。Ivancic和沙34)建议颈部损伤可能发生在峰值的0.33或Nij Nkm 0.09,和可能发生脑震荡即使head-T1动作很小。应该注意的是,这个建议的颈椎过度屈伸损伤阈值,主动力的出勤率会改变的颈椎过度屈伸损伤预测结果在一些碰撞。例如,Nij额8 g的碰撞和追尾4 g的Nkm碰撞,由于出席脖子活跃的肌肉力量,风险的颈椎过度屈伸损伤从没有为yes。当然,我们的研究应该考虑的局限性:肌肉的触发时间和激活水平被认为是相同的,当他们实际上是依赖于碰撞碰撞严重程度和类型。虽然仿真结果可能没有透露真正的受伤的风险倾向非常明显,颈部肌肉产生的力会影响头颈直径动态响应以及颈部受伤的风险。未来的研究集中于实际的触发时间和激活水平可能表示维度下降保护肥沃地可以由研究关注这个伤害和伤害预防机制。

5。结论

详细和验证混合有限元模型的50百分位男性被用于调查的影响颈部肌肉作用力的颈椎过度屈伸损伤颈椎。颈椎的whiplash-related响应和损伤条件下计算和比较额(8 g, 15克,22 g)和后端(4 g、7 g和10 g)碰撞。主动模式和被动模式之间的不同的结果观察,和颈部肌肉产生的作用力增加韧带中断,降低相对椎旋转,增加伤害标准峰值。这表明颈部活跃力会影响头颈动态响应和鞭打在碰撞受伤的风险。与高速碰撞,活跃的肌肉力量的影响更重要在低速碰撞。这表明在调查椎间颈部损伤和颈部受伤的风险在低速碰撞,颈部活动肌肉力量的影响必须参与。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者承认中国的国家自然科学基金(批准号51775178,51775178)和湖南省自然科学基金(批准号2017 jj2034)。

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