颈部肌肉活动的影响居住者的头部和颈部受伤额的影响

文摘

本文的目的是研究颈部肌肉活动的影响车辆使用者的头部和颈部受伤额的影响。混合dummy-human有限元模型被开发来模拟产生正面的影响。第三头颈部分的混合仿真模型取代了头颈FE模型有效的被动和主动肌肉特点。混合dummy-human FE模型验证了15克额志愿者海军生物动力学实验室进行测试。颈部肌肉活动的影响居住者的头部动态响应和颈部受伤三额影响强度,低速度(10公里/小时),中速(30公里/小时),和高速度(50公里/小时),进行了研究。结果表明,混合dummy-human FE模型biofidelity很好。颈部肌肉的激活不仅可以降低头部合成加速度在不同冲击强度和头部在中期和高速冲击角加速度,从而减少头部受伤的风险,但也在低速保护颈部损伤的影响。

1。介绍

交通事故杀死每年大约有125万人,和另一个20到5000万人遭受非致命的伤害,与成本占1 - 3%的大多数国家的国内生产总值(gdp) (1]。头部和颈部受伤是交通事故中最严重的伤害2,3]。国家公路交通安全管理局的研究(国家公路交通安全管理局)4]发现,近15000客运车辆乘员死亡发生在美国每年因汽车正面碰撞事故。

与被动安全技术的发展,居住在交通事故时更好的保护。到目前为止,然而,人的肌肉活动行为并没有被认为是在碰撞测试。肌肉活动起着重要的作用在人体功能和生成力量会影响居住者的动态响应与气囊相撞后(5,6和他们的生物力学响应7,8),尤其是在低速冲击,增加颈椎伸展宽容和不同损伤位置从下颈椎附近的头9]。此外,上颈椎韧带的应力产生正面的影响将显著降低肌肉收缩的力量(10]。然而,损伤机制的影响肌肉收缩力量尚不清楚,特别是颈部软组织的损伤。最近的研究在头部和颈部损伤大多集中在尾端的影响,这将减缓颈部伤害预防的进展。尽管颈部损伤的观测频率曲线的影响和额的影响比较严重程度较高(11),肌肉活动的影响力量为低速额的影响不应该被忽视12]。严重的正面影响,脖子将获得一个年代的形状,作为后端观察到的影响,导致不清楚脖子受伤组织(13]。因此,我们需要研究肌肉激活人的头部和颈部受伤额的影响。

以前的方法研究肌肉活动对颈部损伤的影响有许多缺点:机械假人biofidelity较低;榜单(事后剖析人类受试者)测试不能代表肌肉活动行为,即使他们可以用来模拟一个高速的影响;和志愿者测试只能在一个非常低速冲击伦理原因,虽然肌肉活动仍然可以观察到。因此,有限元模型模拟似乎能够克服原方法的缺陷:它可以很容易地获得重要信息,包括动态参数,甚至不同的应力、应变大小和影响速度。

在过去的几十年里,许多脖子FE模型已经开发出来。头颈模型被开发以人类骨椎骨建模通过壳元素,和相关的肌肉和韧带被膜和弹簧阻尼建模元素,分别是(14]。由于坚实的肌肉可以影响身体的稳定由于压缩刚度和惯性的影响,大大降低了需要肌肉活动产生影响,三维固体肌肉模型与连续的材料特性之间的摩擦的肌肉正是意识到被采纳。Ejima et al。5)模拟被动坚实的颈部肌肉组织不考虑各向异性,即nonviscoelastic肌肉的属性。Frechede et al。6,15)被认为是被动的肌肉组织的各向异性特征但机械属性定义为线性弹性。Hedenstierna [16),在瑞典,实现肌肉活动实现希尔元素到被动固体颈部肌肉模拟非线性弹性和粘弹性性质。著名人类全面的有限元模型,如萨姆(总人类安全模型)17,18)和GHBMC(全球人体模型财团中型男性全身模型)(19,20.),包括主动和被动肌肉属性。然而,FE模型开发初期没有得到充分准确,因为结构性缺陷和缺乏肌肉激活(5,6,14,15]。模型由Hedenstierna [16)没有人体的其他部分,包括之间的过渡biofidelity C7和胸腔是不够好。萨姆和GHBMC模型受到计算效率低和颈部肌肉的几何缺陷17- - - - - -20.]。因此,研究颈部肌肉活动的影响在颈部受伤,一个模型需要克服提到缺点。

本文的目的是研究颈部肌肉活动的影响在车辆使用者的头部和颈部受伤额影响通过使用混合dummy-human有限元模型。头颈部分的发展模式时,混合三世虚拟模型所取代头颈FE模型有效的被动和主动肌肉特点。混合dummy-human FE模型验证了NBDL级别(海军生物动力学实验室)在15 G额志愿者测试。颈部肌肉活动的机制影响汽车使用者的头部和颈部受伤额的影响三大强度,低速度(10公里/小时),中速(30公里/小时),和高速度(50公里/小时),进行了研究。

2。方法和材料

混合dummy-human FE模型是由头颈部分的取代混合三世头颈人体模型,该模型可以模拟模型与经颈部肌肉的激活的行为。混合dummy-human FE模型在NBDL级别然后通过正面碰撞仿真验证实验(21,22]。研究肌肉活动的机制影响头部和颈部受伤,混合仿真模型被用来研究三个主要的额影响强度(即。,10公里/小时,30公里/小时,50公里/小时)。

2.1。混合Dummy-Human FE模型的发展

2.1.1。头颈直径人工有限元模型

头颈直径人工FE模型代表一个50百分位男性,这是由基本的头颈直径模型(图1杨)验证和姚23]。这个基本模型有一个详细的解剖结构,包括一个头骨,颈椎(C1-C7),椎间盘、关节面,颈椎韧带和肌肉模型的一维梁元素。头骨和肩膀被定义为是刚性的,因为这个模型主要用于颈部伤害有关的研究。详细的固体颈部肌肉模型(图2)开发基于脖子的MRI图像50百分位成年男性(24头颈人类FE)和集成到基本模型映射使用克里格方法的起源和终端以及坐标信息的颈部肌肉志愿者头颈模型的基本(原始模型包括详细的胸腔几何)[25,26]。克里格是一种最优插值DG Krige首次提出,在南非的地质学家。克里格方法的详细信息,请参阅文献[27]。

single-muscle FE模型由三部分组成:肌腱由梁单元建模,建模的被动肌腹的固体元素,和活跃的肌肉由梁单元建模(图3)。活跃的部分模型合并成被动部分共享节点。活跃的部分是由一个Hill-type建模元素定义为MAT_156材料LS-DYNA软件,和被动部分被定义为在奥格登材料超弹性的模型(垫77 LS-DYNA)。一个详细的材料定义中可以找到李等人进行的一项研究。25]。图4头颈人类FE模型由模型显示了上面的说明。

2.1.2。第三混合仿真有限元模型

混合三世机械虚拟是由通用汽车(General Motors)在1976年和被广泛使用的汽车公司。相对有限元模型应用于本研究使用LS-DYNA软件开发的一种商业模式。模型包括头部、颈部、胸部、腹部、骨盆,和四肢,包含7784个节点和4412个元素(图5)。

2.2。混合Dummy-Human FE模型

人类的计算效率,全面FE模型如GHBMC或萨姆与详细的软组织,如肌肉、大脑、内脏,耗费时间。虽然机械仿真有限元模型具有较好的计算效率,它有biofidelity低于人类全面的有限元模型。在这项研究中,我们决定把这两种模型的优点通过开发一个混合dummy-human FE模型,头颈部分取代混合III的头颈直径人体有限元模型,如前所述。这种混合模型具有较好的计算效率和良好的biofidelity研究肌肉活动的影响在头部和颈部受伤和其他相关生物力学研究。克里格方法也用于开发复杂的模型。的轮廓和坐标信息的T1头颈直径人工FE模型映射到虚拟的T1部件和与关节解剖(27,28]。头颈人类的严格的胸腔和T1有限元模型和虚拟FE模型被用来形成一个相应的坐标系统调整混合有限元模型的姿态。混合dummy-human模型预碰撞坐姿时,类似于混合三世菲假,如图6。

2.3。混合Dummy-Human FE模型的验证

2.3.1。NBDL级别实验

混合dummy-human FE模型验证基于15 G NBDL级别额志愿者测试。志愿者(年轻,训练有素的海军陆战队)坐在一个直立的位置在刚性座安装在HYGE加速器和暴露于短期加速模拟正面碰撞。加速度计和摄影目标是安装在主体和用于监控结果的三维运动头和T1。详细描述提供的仪器和测试方法是尤因et al。21,22]。雪橇的峰值加速度(即。,the mean value of the sled acceleration-time history) was 15 G, and the speed change was greater than 17 m/s (Figure7)。的动态响应头部和颈部的志愿者记录。实验验证过程中使用的走廊,从NBDL级别获得实验(22),表示为平均志愿者响应±标准差[29日]。

2.3.2。仿真设置

因为坐姿有很大的影响在乘员的头部受伤30.),以减少其影响,混合dummy-human FE模型被设定在一个正常的汽车的姿势(图8在重力场),在NBDL级别的实验。刚性的假坐在座位上,连接到一个刚性板代表。较低的手臂放在大腿上。对乘员约束系统的配置主要是采用从商业铁车辆模型(31日本研究中使用。安全带包括牵开器,滑环,自负,一束带1 d建模元素和2 d壳元素,和锚节点连接到刚性席位。一维梁元素能够模拟滑环的滑动效果。力与工程应变曲线安全带装卸,牵开器的力与时间曲线,自负的预加载曲线在图描述9。

活跃的肌肉收缩力量模型激活被激活 。然而,肌肉活动的时间历史没有立即激活时的碰撞。相反,它是 在哪里被定义为某种感觉阈值和时间吗描述激励是一种神经反射时间和激活动力学,分别。整个研究两个常数设置为30 ms和40毫秒和 ,分别由方法指的是一项由范德霍斯特(29日]。

的时间的历史,包括参数,如最大激活水平( ),第一个达到最大限度的激活水平的时间( ),结束时间达到激活( ),如图10。

使头部和颈部的动态反应显然明白,用于设置反应模拟的方法如表所示1。

加速度曲线(图的影响7)产生的液压冲击器被用来模拟的输入,和模拟的运行时设置为200毫秒,因为动态指标在NBDL级别实验恢复到一个较低水平,大约200毫秒。的时间历史头部旋转角度,颈部转动角,角加速度,和头部合成加速度比较与实验曲线和头颈直径模型的仿真结果曹et al。26]。

2.4。颈部肌肉活动的影响在不同强度的头部和颈部受伤

颈部肌肉活动的影响在头部和颈部损伤强度的影响正面碰撞被认为是三:10公里/小时,30公里/小时,50公里/小时,代表低速、中速和高速冲击速度100%全部车辆正面碰撞仿真,分别。车辆(图的有效性11)已成功验证通过比较后座的加速度在100%的完整的汽车正面碰撞仿真50公里/小时,在实验(图12)[31日]。脉冲的影响b(图13),从模拟获取100%的完整的汽车正面碰撞在上述三个强度,用作模拟输入。

肌肉激活是一样的,用来验证混合虚拟人体有限元模型,模拟和运行时间设置为200 ms。

3所示。结果

3.1。模型验证

目前的整体动态响应模型如图14。女士从0到50 ms,模型处于静力平衡状态,因为影响脉冲在这个时期是presimulation设置为0,光靠重力作用于混合模型(图(14日))。这一时期后,随着脉冲影响的增加,假的躯干向前移动,从后座(图分离14 (b)),而头部歇斯底里地搬到有轻微颈部扩展,因为颈部的肌肉没有准备离开了。然而,肌肉开始激活和移动一起胸腔和颈部。女士在105年开始,根据约束的行为系统,躯干运动是有限的,而头开始包装,与颈部弯曲假设一个S形(图14 (c))。在这一时期,颈部肌肉完全激活,但仍不能提供足够的扭矩保持稳定。然后达到一个极端位置主管165 ms (C形状图14 (d)),开始包装的脖子向后延续。在181毫秒,200毫秒,头部和颈部逐渐反弹由于肌肉牵引。

头部和颈部的动态响应与实验曲线NBDL级别一致。时间点(约98毫秒,150毫秒)的峰值的头部合成加速度志愿者响应足够精确,但加速度值只是略高于曲线的初始时期由于预碰撞平衡(图(15日))。第一个峰值跌到底的价值通道和第二超过大约6%。其他输出显示一个类似的趋势。头部角加速度是在良好的协议与曲线除了少量的过载时(图15 (b))。比较研究的输出由曹et al。26外),曲线在最后阶段要小得多。从50到100 ms,头部旋转角度(图15 (c))低于通道的范围和时间的最大值达到几乎是一样的,在实验结果,而头部旋转角度研究曹等人下降通道内,和它的峰值低18.9%比目前的研究。颈部旋转角(图15 (d))在50毫秒之间的曲线和100 ms,但下降通道内到达峰值。尽管最大值保持志愿者的反应几乎一样,达成最大时提前10 ms。与颈部转动角度研究曹et al .,颈部旋转角的趋势在目前的研究更符合NBDL级别的实验曲线。

3.2。肌肉活动的行为

比较的动态响应与肌肉激活或不激活(表示主动或被动模式、职责)数据所示16- - - - - -18。在低速模拟(10 km / h)额影响,两个高峰值合成加速度的观察在主动和被动模式。首次合成加速度达到峰值18.9 G在105 ms活跃在24 G在97 ms模型和被动模式。第二高峰时间被动模型6晚于女士在活动模式,并通过2.5 G加速度值不同。的最大角加速度达到1496 rad / s²98 ms的活动模式,这是1478 rad / s²在103 ms被动模式。

中速(30 km / h)额影响仿真结果,活跃和积极的头部合成加速度峰值模型发生在89毫秒,97毫秒,分别;的第一个峰值前降低了大约18%,第二个峰值降低了27%以上。与此同时,角加速度峰值在这两个模型在同一时间观察。然而,被动的角加速度峰值模型大约有20.8%高于活动模型。

在一个高强度的影响(50公里/小时),双峰值之间还发现90 ms和102 ms模型头部合成加速度的输出,但是被动模型大约24%的峰值高于活动模型。在扩展期间,被动模型中的峰值为97.8 G,虽然57克在活动模型,这是低得多。两种模型的角加速度峰值发生在约92毫秒,而被动模型的峰值15.3%高于活动模型。

椎间盘的应力数据所示19- - - - - -21。总的来说,随着冲击强度的增加,椎间盘的应力增加。积极的压力模型相比要低得多,在被动模式尤其是C2-C3,同样,C4-C5光盘低速冲击强度崩溃。C2-C3盘的模型在低速冲击,最大压力为0.103的绩点在被动模型中,超过17次GPa 0.005684活动模型。被动的最大剪应力模型0.0252的绩点,超过129%的平均绩点0.011活动模型。此外,最大·冯·米塞斯应力C4-C5盘的被动模型大约是1.58倍,在活动模型。然而,C2-C3和C4-C5光盘上的最大剪应力、最大压力C2-C3和瘤光盘,和最大·冯·米塞斯应力C2-C3和同样的光盘在高速冲击了相反的趋势。C2-C3盘,活跃的最大·冯·米塞斯应力模型高出大约33%,在被动模式。最大剪应力和最大压力在活跃的模型在一个中速影响低于在被动模式,而最大·冯·米塞斯应力表现出相反的趋势。

4所示。讨论

在本文中,混合dummy-human FE模型。该模型根据NBDL级别志愿额影响实验进行验证。头颈受伤颈部肌肉活动的影响额影响居住者的使用混合dummy-human FE模型分析了在三个影响强度,也就是说,10公里/小时,30公里/小时,50公里/小时。的动态响应头和颈椎间盘生物力学响应,包括最大·冯·米塞斯应力、最大剪应力、最大压力,比较而言,颈部肌肉是否激活。

混合dummy-human FE模型被证明有很好的biofidelity仿真实验走廊NBDL级别相比。混合模型显示好200 ms正面碰撞仿真的计算效率,需要大约5个小时使用电脑CPU 40-core英特尔(R) e5 - 2670 v2在2.50 GHz处理器。因为假的躯干行为,头颈直径动态反应更可靠,与前面的人类头颈单一模型只能被加载到C7和椎骨之间的驾驶行为或者躯干和颈部之间可以因此无法模拟。在这项研究中由李等。26,28,32),头颈模型只使用以前的人类,两座山峰的头部合成加速度观察而不是一个(本研究),这种现象也发生在类似的研究(8头颈模型]当模拟使用没有躯干部分。

头的动态响应不同的额影响强度,包括线性加速度和角加速度大大有关头部嗝(33- - - - - -35)和头部AIS损伤水平(36),分别激活的颈部肌肉产生正面的影响似乎是一个重要的因素在减少头部受伤的风险。头部合成加速度峰值在被动模型是27%(低强度)24%(高强度的)比在活跃的模型中,这表明肌肉激活扮演更重要的角色在减少头部的嗝低强度的影响。一项研究显示,Ommaya [36),角加速度与AIS水平有一个明确的关系,如表中所示2。在我们的研究中,肌肉活动似乎更有效减少头部AIS在中期和高强度的影响。颈部肌肉活动减少了AIS的三级被动模型级别2的主动模式和被动模型中的5级到4级活跃模型在中期和高速影响,分别。然而,在低速冲击,人类头部受伤的风险较低,肌肉活动几乎没有影响。因此,我们可以得出这样的结论:颈部肌肉的激活可以减少头部嗝,尤其是在低强度的正面影响,但会在中期和高强度略低效果的影响。颈部激活系统可以减少头部AIS的水平,尤其在中期和高强度的影响。考虑约束系统的设计,虽然气囊的爆炸时间是根据测试设计假没有颈部肌肉活动,它仍然可以有效地保护实际人类居住者从头部严重受伤。

研究表明,椎间盘的损伤可能是由于局部剪切,压缩,或紧张部队运动引起的椎体(11,37]。在目前的研究中,颈部肌肉激活显示一个明显的影响在减少椎间盘在几乎所有的影响强度,剪切应力和减少压力的压力在中低强度的影响。到目前为止,然而,有足够的研究来说明降低压力或压力之间的关系和AIS的头部受伤。颈部肌肉系统的主要功能是维护稳定的头,防止颈部过度剪切和压力负荷。在低速的影响,当肌肉激活,一个组件的力量能够抵抗剪切荷载,和其他成功地降低了轴向压力自扩展和颈部的弯曲并不严重。冲击强度增加时,动态指标变得更大,肌肉必须提供更多的力量来维持稳定的头,防止阀瓣损伤由于剪应力和轴向压力。然而,随着冲击强度的增加,压力减少由于颈部激活变化从94.4%提高到11.2%,与最大剪应力变化从63.06%提高到56%,这表明脖子激活有更少的保护作用。与此同时,值得注意的是,肌肉活动在一个高强度的影响增加压力上椎间盘C2和C3之间。原因可能是肌肉活动会变得更大,因为严重的弯曲发生在颈部会增加强度的影响。一旦超过某个值,超过的活跃力量从椎体载荷,椎间剪切应力和压力会增加与此同时。 This phenomenon obviously occurred in the upper neck in a high-speed frontal impact. The additional axial compression can reduce the shear stiffness of the cervical disc and make it easier for the shear-type soft tissue injuries to occur [29日]。从目前的研究中,我们可以得出结论,可以防止肌肉活动行为严重的颈部损伤的低速额影响,但上颈部受伤的风险可能会增加在高速正面的影响。我们不确定是否肌肉激活行为可以提高或降低颈部损伤高速低额的影响,考虑到不确定性趋势主动和被动之间的剪切应力和压力模型。

在这项研究中,因为T1被定义为刚性根据混合三世虚拟特征,C1和T1之间的联系似乎少biofidelity的力和扭矩刚性和柔性之间的过渡部分。本研究的另一个限制是,高冲击强度设置为50公里/小时但更高的速度没有影响的研究。这是由于穷人软组织在模拟的计算稳定性更高的强度。

5。结论

混合仿真模型具有较好的计算效率和biofidelity研究肌肉活动的影响相关的头部和颈部受伤。

颈部肌肉的激活能降低头部合成加速度在不同冲击强度和头部在中期和高速冲击角加速度,从而减少头部受伤的风险。

颈部肌肉的激活也可以防止颈部剪切和压缩损伤在低速本源的影响。随着冲击强度的增加,肌肉活动的保护作用在头部和颈部受伤却降低了。尽管颈部肌肉激活可以防止剪切应力和压力在中速额影响,它可能无法防止其他类型的损伤。在高速正面影响,颈部肌肉活动甚至可能导致剪切和压缩损伤的风险上的脖子。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

支持的项目是由中国国家自然科学基金(51205117),Franco-Chinoise pour la科学基金会等ses应用,湖南省战略性新兴产业和科学技术研究项目(2016 gk4008)和国家重点实验室的研究基金会的先进的设计和制造汽车的身体(51475003)。

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