1 背景介紹
由于解剖學特征以及某些航空環境下復合加速度的作用，脊柱成了軍機飛行員在執行任務的過程中最容易受到傷害的部位之一。根據Lewis的統計調查研究表明，在彈射過程發生后有29.4%的生還者都發生了脊柱骨折損傷，而且最容易發生骨折的部分位于胸腰椎結合部位。
數值仿真的方法被廣泛用于研究沖擊載荷下脊柱的結構響應，然而這些都并不是針對彈射過程進行研究。因此，本文的主要目的是研究人體脊柱胸腰段部分在彈射救生過程中的動力學響應，以期能加深對彈射引起的脊柱損傷機制的認識，同時有助于防護裝置的研究和設計。為了實現該目的，本文建立了兩種不同的仿真模型，一種為多體動力學假人模型，該模型可以提供人體不同節段上整體的運動學信息，另一種是胸腰椎有限元模型，利用該模型可以對脊柱內部應力應變信息進行研究。
2 材料和方法
2.1胸腰椎有限元模型
選取一名健康志愿者(35歲，身高174cm，體重75kg)，采用64排螺旋CT對其行自T9至S1部位的掃描，將得到的序列圖片導入至圖像處理軟件進行分割，保留所需要的骨組織部分并將處理后的圖像以．stl格式導入到CAE前處理軟件HyperMesh11.0中進行網格劃分，并進行適當的網格優化，完成后的整體有限元模型如圖1所示。脊柱分為椎間盤、椎骨以及后部單元，椎骨和后部單元均為六面體，且椎骨由皮質骨、松質骨和終板組成。椎間盤包括髓核和由膠原纖維進行加強的間盤基質兩部分，兩者體積比例按照組織學觀察設定為nucleus44%和annulus56%。膠原纖維為8層互相交叉的網狀結構，纖維與終板的夾角保持為約±30°。模型還包括脊柱上七條主要的韌帶，分別為前縱韌帶(ALL)，后縱韌帶(PLL)，橫突間韌帶(ItL)，黃韌帶(FL)，棘上韌帶(SSL)，棘間韌帶(ISL)和關節囊韌帶(CL)，所有韌帶尺寸以及附著點位置均和解剖學觀察一致。所有韌帶以及膠原纖維均采用三維非線性彈簧單元進行模擬。
骨盆和座椅模型分別采用四面體實體單元和四邊形殼單元進行劃分。胸腰椎有限元模型中所用到所有材料特性及單元類型見表1所示，計算過程中小關節之間的相互作用采用無摩擦的面面接觸進行設定，為了防止沙漏，將全局沙漏系數設為0.01。后處理則在HyperView11.0中完成。
Tablel 胸腰椎有限元模型材料屬性及單元類型表
ALL，前縱韌帶；PLL，后縱韌帶；FL，黃韌帶；ITL，橫突間韌帶；ISL，棘間韌帶；SSL，棘上韌帶；CL，關節囊韌帶。
2.2有限元模型驗證
為了驗證有限元模型的有效性，需要將模型預測的結果和實驗結果進行對比，驗證過程分為靜態驗證和動態驗證兩部分。靜態部分選取Renner等研究者所進行的實驗數據作為參考，對本研究中胸腰椎有限元模型施加與實驗相同的邊界條件以及約束，分別得出相鄰節段中自由度并與實驗數據進行對比。
由于缺乏沖擊作用下多節段脊柱的動力學響應實驗數據，因此僅選取T12-LI節段作為動力學驗證的部分，同時將椎間盤的材料參數做相應的調整，以得到其應有的動態載荷剛度。計算結果和文獻的實驗結果進行對比。
2.3多體動力學模型
將志愿者全身激光掃描后得到的點云數據導入到逆向工程軟件Geomagic studi0 10.0中進行優化、分割和姿勢的調整，最終導入有限元前處理軟件HyperMesh11.0中進行網格劃分。建立好的飛行員多剛體動力學模型分為頭、頸、胸、腰、上臂、前臂、手、大腿、小腿、足共16個節段，每節段的幾何尺寸以及質量、質心位置、轉動慣量等參數均符合Hybrid III假人標準。節段之間通過鉸鏈進行連接，并添加旋轉鎖止角、轉動剛度、摩擦、阻尼等參數以符合人體關節特性。
航空座椅模型在CAD軟件Solidworks 2007中建立，座椅幾何參數如座面寬度、深度、高度、椅背高、頭靠寬、開放角、座面角、背靠角等均按照ACE II型座椅特征進行設定，并將建立好的座椅模型導入HyperMesh11.0進行網格劃分。約束系統模型直接在該軟件中進行建立，安全帶采取PCU-15/P結構分為肩帶和腰帶兩部分，其材料彈性模量分別為1080Mpa和1260Mpa，寬度為44mm，厚度為2.2mm。利用Hypermesh強大的有限元模型調整能力，對假人、座椅以及約束系統進行裝配，為防止計算穿透，保持安全帶與人體及座椅表面距離為2mm左右，多體動力模型如圖1所示。
圖1 多體動力學假人模型（左）及胸腰椎有限元模型（右）
為了實現動力學模型和有限元模型之間數據的傳遞，分別選取假人胸部對應于T9上終板中心和髖關節旋轉中心作為參考點，將同樣載荷及約束條件下假人位于該參考點的運動學數據提取出來并作為邊界條件輸入到有限元模型中。
2.4彈射工況的模擬
為了考慮在彈射過程中飛行員身體的慣性力，在有限元模型中的中矢面建立兩個參考點，一個位于T9上終板中心處并和終板上表面進行剛體約束，另一個點位于L2和L3椎間盤中心前方10mm并且比T9上終板高約200mm并將定義為大小為上半身質量的質量點，兩參考點用剛體桿連接。按照persall的研究，在每一塊脊柱椎骨所承擔體重的身體節段中心分別建立一個質量點，并通過一剛性桿將其和相應的椎骨皮質骨中間部位進行連接。
對椅盆施加峰值為15G;加載率為150G/s；持續時間為0.2秒的加速度載荷，方向與椅背成5°夾角。在模擬彈射的過程中，對模型進行約束使得其所有部分只能在矢狀面上進行運動。
3 結果
3.1驗證結果
如圖2和圖3所示，本模型所預測的結果和其它文獻上的實驗及計算結果很一致，因此，本模型可以進一步用于其它工況下胸腰椎動態響應的研究。
圖2 靜態驗證結果
圖3 動態驗證結果
圖4 彈射沖擊過程中假人不同部位的運動
假人胸部參考點以及髖關節參考點的運動（旋轉及平動）如圖4所示。我們可以發現胸部和髖部有著較為相近的旋轉位移曲線，然而胸部的平動位移則明顯大于髖部的位移，造成這種狀況的原因部分是由于在約束系統中的慣性鎖被激發而產生鎖止之前，人體的上半身產生了一定的前屈所致。
3.3有限元模型的動態響應
在彈射過程的初始階段(t=0.12s)，胸腰椎表面的典型應力分布如圖5所示，可以發現高應力(vonMises)顯示分布于T12以及L1處前緣的皮質骨部位，而且隨著節段的下移高應力區逐步向后部椎弓根部位后移。
圖5 彈射過程中胸腰椎表面應力分布(t=0.12s)
彈射過程中胸腰椎上皮質骨以及終板部位的應力峰值的時間歷程變化曲線如圖6所示，在加速度開始階段(0-0.ls)作用在飛行員臀部上巨大的沖擊力使得脊柱皮質骨和終板上的應力峰值迅速連續增大，而在0.1秒過后外在的加速度保持恒定的情形下，應力峰值只是在小范圍內上下波動。
圖6 彈射沖擊下胸腰椎皮質骨和終板上應力峰值曲線
4 討論
相比于生物力學實驗，數值模擬方法可以在較小的成本下得到更多的體內生物力學數據并且具有更好的重復性。動態響應指數(DRI)模型和多體動力學模型是兩種被廣泛用于彈射生物動力學研究中的兩種模型，然而這兩種方法很難精確地得出諸如骨、韌帶、肌肉等人體內部組織的力學信息。完整的人體有限元模型可以對沖擊載荷下人體的局部變形和應力進行計算，但是該種模型需要在模型構建、材料選擇以及網格劃分過程中消耗大量的計算機硬件資源以及時間成本。
因此本文結合了有限元和多體動力學模型各自的優點，對彈射救生過程中飛行員的軀干尤其是脊柱部位的動態響應進行了研究。根據多體動力學假人的預測結果，在人體重心較之脊柱靠前而且彈射方向偏離椅背的共同作用下，飛行員在彈射過程中上半身會明顯前傾，而臀部（骨盆）在向后傾的同時整體會沿椅盆向前滑動，且臀部的旋轉和平移均明顯小于胸部。另外，由于椎間盤壓縮而導致肩帶的少量松散會增大上半身前屈的趨勢。有限元模型的研究結果表明高應力區主要集中于胸12和腰1前部以及靠近下腰椎的椎弓根部位。相似的應力分布也存于前人研究當中，而且這些區域也正是脊柱急性損傷的好發部位。在本研究當中，皮質骨上產生的最大米塞斯應力達到97.1Mpa，該值已經接近于皮質骨的屈服應力值(110Mpa)。
眾多研究表明沖擊載荷會引起終板或者椎體的骨折，然而對哪一個部位最先產生骨折卻沒有統一的定論。本研究結果表明，彈射沖擊所引起的終板上產生的最大應力要小于皮質骨，然而對于究竟是椎體還終板先產和骨折損傷卻很難得提供判據，因為對于它們二者分別在沖擊載荷下的破壞強度研究目前還不是很清楚。
誠然，本研究中尚存在一些不足。在多體動力學模型中，服飾以及體表軟組織（皮膚、肌肉等）在彈射沖擊時對于飛行員動力學響應的影響沒有考慮進來，它們所產生身體與救生傘帶之間更多的相互滑動有可能會使得脊柱損傷概率增大。而有限元模型中所有的韌帶均簡化成了一維彈簧，而沒有考慮它的幾何效應。這些不足會在將來進一步的研究中予以改進。
5 結論
利用HyperWorks可以建立出高質量的有限元模型及多體動力學模型，這兩種模型的結合可以很好地研究安全帶約束作用下的飛行員對于彈射沖擊的動態響應。彈射沖擊會在人體脊柱上產生明顯的前屈和壓縮效應，這些效應很有可能會增加脊柱損傷的風險，而且彈射沖擊過程中的高應力集中于T1和L1，使得這些區域成為最容易最傷的部位。
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