高速沖擊下人體頸椎與椎間盤接觸應(yīng)力分析

1、第27卷 第4期 2012年8月天津科技大學(xué)學(xué)報Journal of Tianjin University of Science & TechnologyVol. 27 No. 4 Aug. 2012高速沖擊下人體頸椎與椎間盤接觸應(yīng)力分析姜 文，薛 強，張向穎(天津科技大學(xué)機械工程學(xué)院，天津 300222)摘 要：建立了人體頭頸部有限元生物力學(xué)模型，并在頸椎與椎間盤間設(shè)置接觸以15g加速度載荷施加于頭頸部有限元模型的頭部，進行高速沖擊有限元分析，得出頸椎與椎間盤的接觸應(yīng)力分布情況結(jié)果表明：高速沖擊下C6、C7間易發(fā)生椎間盤突出；在頭頸部有限元模型中設(shè)置接觸條件，可以更好地模擬頭頸部的生

2、理特性和動力學(xué)響應(yīng)情況關(guān)鍵詞：有限元；頭頸部；接觸問題；高速沖擊中圖分類號：TH122 文獻標志碼：A 文章編號：1672-6510(2012)04-0057-03Analysis of Contact Stress Between Cervical Vertebra and IntervertebralDisc of Human on High-speed ImpactJIANG Wen，XUE Qiang，ZHANG Xiangying(College of Mechanical Engineering，Tianjin University of Science & Technol

3、ogy，Tianjin 300222，China)Abstract：The finite element biomechanical model of the human head and neck was established，and the contact between the cervical vertebrae and the intervertebral disc was set. A load of 15g acceleration was imposed on the head of the model，the finite element model on high spe

4、ed impact was analysed，and the contact stress distribution between the cervical vertebra and intervertebral disc was got. The results show that under high speed impact，protrusion of intervertebral disc is easy to occur between C6 and C7，and the finite element model of the head and neck set in contac

5、t conditions can better simulate the head and neck physiological characteristics and the dynamic response.Key words：finite element；head and neck；contact problem；high-speed impact在各種類型的沖擊碰撞過程中，人體頭頸部是最易受到損傷的部位在高速沖擊事故中，頭頸部損傷不僅具有高發(fā)性，而且事故幸存者往往有長期后遺癥建立人體頭頸部有限元模型以進行沖擊碰撞分析，研究頭頸部的動力學(xué)響應(yīng)及損傷情況，從而最大限度地減輕沖擊造成的頭頸部

6、傷害，具有重要意義在有限元分析中，接觸條件是一種特殊的不連續(xù)的約束，它允許力從模型的一部分傳遞到另一部分只有當兩個表面發(fā)生接觸時才會有接觸約束的產(chǎn)生，而當兩個接觸的面分開時，約束就自動解除了，所以這種約束是不連續(xù)的在進行人體沖擊有限元分析時，必須考慮人體組織的接觸問題，對接觸問題的理解將直接影響有限元建模過程中單元類型、參數(shù)的選取以及計算的可靠性如果不考慮接觸條件，則不能很好地模擬頭頸部關(guān)節(jié)的運動和受力情況2004年，Mayer等1開發(fā)了一個有限元模型，模擬了頭頸部的前撞擊、后撞擊、斜撞擊和側(cè)向撞擊，并進行了模態(tài)分析和優(yōu)化2008年，Greaves等2建立一個頸椎和脊柱的三維有限元模型，研究頸

7、部的損傷機理2011年，Toosizadeh等3建立頸部有限元模型，分析肌肉受力的情況和內(nèi)部載荷但是他們并沒有討論頸椎關(guān)節(jié)的接觸問題2005年，Zhang等4利用一個68歲男性尸體的標本，建立人體頭頸部三維有限元模型，并在齒突、C1C7關(guān)節(jié)突設(shè)置接觸進行分析，但沒有進一步說明接觸問題是怎樣解決的，對于頸椎與椎間盤的接觸問題也沒有討論本文建立了一個能夠反映人體結(jié)構(gòu)基本特征和描述人體運動基本規(guī)律的人體頭頸部三維有限元模型，對頸椎及與之相連的椎間盤間設(shè)置接觸條件，進行高速沖擊條件下的有限元分析，得出頸椎與椎間盤收稿日期：20120222；修回日期：20120308作者簡介：姜 文（1987），男，遼

8、寧莊河人，碩士研究生；通信作者：薛 強，教授，qxue.·58·的接觸應(yīng)力情況，并進行頸椎和椎間盤的損傷分析1 建立模型用一個身高1.7m，體質(zhì)量70kg的中國成年男子為樣本，通過螺旋CT掃描生成DICOM格式圖像數(shù)據(jù)，使用Mimics將CT圖像轉(zhuǎn)換成三維模型，再利用Geomagic進行三維重建，得到人體頭頸部的幾何模型在三維有限元分析中，六面體單元由于變形特性好，剛性比四面體單元低，能較好地避免單元內(nèi)形成尖銳夾角，可以提高有限元分析的可靠性和計算精度，并縮短計算時間本文中將幾何模型導(dǎo)入TrueGrid和HyperMesh中劃分網(wǎng)格，生成了六面體單元的有限元模型，如圖1所示

9、該模型能夠反映人體結(jié)構(gòu)基本特征和描述人體運動基本規(guī)律，模型包括：顱骨、腦組織、C1C7頸椎、T1胸椎、椎間盤、前縱韌帶、后縱韌帶、棘間韌帶、棘上韌帶、項韌帶、黃韌帶、橫突間韌帶、斜方肌、肩胛提肌、胸鎖乳突肌和頸深肌群等肌肉群分別采用實體單元、索單元來構(gòu)建其中實體單元32323個，索單元154個模型中的生物材料屬性和本構(gòu)關(guān)系主要根據(jù)文獻16設(shè)置在頸椎與椎間盤之間設(shè)置面面接觸，摩擦因數(shù)取0.17圖1 頭頸部有限元模型Fig. 1 Finite element model of the head and neck2 接觸邊界條件的施加采用對稱罰函數(shù)接觸算法進行分析模擬罰函數(shù)法最早是由Courant等

10、8引入的，其目的是求解帶約束的泛函極值問題，1982年開始應(yīng)用于LS-DYNA程序現(xiàn)在該方法已發(fā)展為一種常用的接觸算法，在數(shù)值計算中被廣泛應(yīng)用它的基本原理是：在每一個時間步首先檢查各從節(jié)點是否穿透主面，如果沒有穿透不做任何處理；如果穿透，則在該從節(jié)點與被穿透主面間引入一個較大的界面接觸力，其大小與穿透深度、主面的剛度成正比，以限制從節(jié)點對主面的穿透引入的接觸力稱為罰函數(shù)值對稱罰函數(shù)法則是同時對每個主節(jié)點也作類似處理在接觸算法中，對稱罰函數(shù)法編程簡單，且由于具有對稱性、動量守恒準確，不需要碰撞和釋放條件，因此很少激起網(wǎng)格沙漏效應(yīng)，噪聲小，是最常用的算法 在頸椎與椎間盤之間設(shè)置面面接觸，提取頸椎與

11、椎間盤接觸面上的節(jié)點，使相互接觸的兩個表面之間的節(jié)點形成點對，以此設(shè)置面面接觸條件如圖2所示椎間盤A和頸椎B互相接觸，SC是該時刻兩物體互相接觸的界面，此界面在兩物體中分別是SA和SB定義椎間盤A為接觸體，頸椎B為目標體；稱SA和SB分別為從接觸面和主接觸面接觸面SA和SB上在SC相互接觸的兩個點分別為從、主接觸點，接觸力分別是FA和FB，接觸點的瞬時速度分別是vA和vB根據(jù)接觸問題應(yīng)該遵守的運動學(xué)和動力學(xué)條件，應(yīng)有 FAN+FBN=0vNA+vNB=0FAT+FBT=0和vTA+vTB=0式中：N、T分別代表法向和切向分量圖2 接觸界面上的力和速度Fig. 2 Forces and spee

12、d on the contact interface3 仿真實驗1976年，Ewing等9在美國海軍生物力學(xué)實驗室進行了志愿者滑車實驗實驗中剛性座椅被固定在滑車上，志愿者由雙肩皮帶約束在座椅上，在15g的加速度載荷條件下進行了碰撞實驗，測試記錄了碰撞過程中頭部相對于T1胸椎的速度參數(shù)，以此作為載荷條件施加于本文建立的模型，在仿真運動過程的前半段頭部模型相對于頸部模型水平前移，約在150ms2012年8月 姜 文，等：高速沖擊人體頸椎與椎間盤接觸應(yīng)力分析 ·59·時，頸部模型向前彎曲至最大位移處，此時頸椎模型前屈至極限位置，之后模型回彈至初始位置圖3所示為頭部相對于T1在豎直

13、方向上的位移曲線，與志愿者實驗結(jié)果相比較，模型的運動過程與實驗情況基本符合以15g加速度載荷施加于頭頸部有限元模型上進行正面碰撞模擬，得到頸椎椎體表面最大接觸應(yīng)力，見表1C6和C7與椎間盤間的接觸應(yīng)力最大，其接觸應(yīng)力曲線見圖4和圖5圖3 頭部相對于T1在豎直方向的位移Fig. 3 Vertical displacement of the head relative to T1 表1 各椎骨表面最大接觸應(yīng)力Tab. 1 The max contact stress of each vertebra MPa椎骨 上表面 24.7 24.2 28.1 39.7 46.129.2下表面 23.8 25

14、.4 26.6 38.3 48.7 32.8(a) 椎體下表面接觸應(yīng)力(b) 椎體下表面切向接觸應(yīng)力圖4 C6頸椎椎體表面接觸應(yīng)力曲線Fig. 4Contact stress curve of C6 vertebral surface(a) 椎體上表面接觸應(yīng)力(b) 椎體上表面切向接觸應(yīng)力圖5 C7頸椎椎體表面接觸應(yīng)力曲線Fig. 5 Contact stress curve of C7 vertebral surface4 結(jié)果分析由表1可知，在沖擊過程中，C6椎體下表面、C7椎體上表面的接觸應(yīng)力最大，其中C7下表面接觸應(yīng)力達到48.7MPa，出現(xiàn)在約150ms，也就是在頸部模型產(chǎn)生最大位移時；接觸應(yīng)力較大的是C6椎體上表面、C5椎體下表面，其中C6椎體上表面接觸應(yīng)力達到39.7MPa；其次是椎骨T1，為29.2MPa；接觸應(yīng)力較小的椎骨是C2、C3和C4，均為20MPa左右，都是出現(xiàn)在頸部模型產(chǎn)生向前最大位移時人體頸部在承受較大沖擊載荷時，頸椎的過度曲伸可使近側(cè)椎體向后移位，使椎間盤后方張力增加，導(dǎo)致纖