2. 北京航空航天大学 生物医学工程高精尖创新中心, 北京 100083;
3. 空军航空医学研究所, 北京 100142;
4. 军需工程技术研究所, 北京 100010;
5. 中国人民解放军总医院, 北京 100853
2. Beijing Advanced Innovation Center for Biomedical Engineering, Beihang University, Beijing 100083;
3. Institute of Aviation Medicine, Air Force, Beijing 100142, China;
4. Institute of Military Engineering and Technology, Beijing 100010, China;
5. Chinese PLA General Hospital, Beijing 100853, China
航空母舰是海军的核心力量，而舰载机是航空母舰的威力所在，因此其研究和发展一直是各军事强国关注的重点。舰载机依靠阻拦索等辅助设备在航空母舰甲板上降落，在阻拦着舰的短暂过程中飞行员要承受持续2 s左右水平方向上的载荷，这种载荷被称为着舰阻拦载荷[1]。阻拦载荷会造成头颈部与肢体之间的异常相对运动，导致颈椎延伸过度。舰载机飞行员长期反复暴露于该飞行环境易引起颈椎挥鞭(whiplash)损伤。据报道，美太平洋舰队F/A-18舰载机飞行人员有74%以颈部疼痛为首发症的头颈部损伤发生[2]。
目前，国内外学者对舰载机阻拦着舰过程对飞行员产生的影响的研究主要集中在飞行员出现的生理及心理现象。张建等结合外军舰载机总结了飞行员生理及心理职业特点，指出特殊起降时的反复冲击性加速度会造成肢体和头颈部与躯干的异常相对运动，这不仅能引起飞行员颈肌拉伤，还能造成颈椎骨折、韧带撕裂、椎间盘退变和椎间盘突出等[3]。对于颈部损伤的研究，张建国等利用所建立的人体头颈部有限元模型仿真分析了挥鞭样损伤，得出颈椎在挥鞭运动过程中的变化规律, 结果表明，C7-T1的最大过伸角度可达20°，椎间盘所受最大应力值16 MPa[4]。但对于持续性过载条件下，舰载机飞行员头颈部可能产生的损伤状况及发生损伤的概率等问题的研究却鲜有报道。
因此，本文将采用有限元模型仿真的方法来计算和分析舰载机飞行员在阻拦着舰过程中持续性过载导致的头颈部的应力分布和应变情况，并结合损伤评价判定准则分析计算是否会造成颈部损伤及损伤发生概率。研究结果可为飞行员头颈部保护装置的设计与改进提供理论依据，从而最大限度地减轻舰载机飞行员在阻拦着舰过程中头颈部的伤害。
1 几何模型与有限元模型的建立为了得到更准确的仿真计算结果，参考人体头颈部解剖学结果，建立生物逼真度较高的人体头颈部有限元模型，包括头骨、椎骨、椎间盘、韧带、肌肉和关节软骨等组织。
1.1 几何模型的建立根据中国舰载机飞行员50百分位的人体基本数据，选取24岁，身高172 cm，体重62 kg的健康男性志愿者一名，无头颈部骨骼畸形和病变。采用GE公司16排螺旋CT进行扫描，得到第3节胸椎(T3)及以上的人体组织CT图像共560张，分辨率为512像素×512像素。
将所得CT图像导入到Mimics17.0中，通过阈值分割提取骨质的灰度信息，分别建立头部和C1-T1的3D骨骼模型。再将模型依次导入RapidformXOR3中进行光滑处理，得到平滑的头颈部几何模型。之后将该几何模型导入到Geomagic Studio12.0中，通过网格医生对模型进行分析检查，并进一步修复得到光滑的几何特征，然后拟合并构造曲面，完成由点云数据到几何曲面模型的转化。
椎间盘则在SolidWorks软件中绘制(如图 1所示)。根据上下椎体表面的轮廓来绘制椎间盘的外轮廓，并利用缩放等功能将椎间盘分为髓核和纤维环两部分。
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| 图 1 椎间盘建立 Fig. 1 Intervertebral disc building |
1) 网格划分
将经过平滑优化处理过的曲面几何模型导入到Hypermesh14.0中进行网格的划分。椎体结构复杂，划分为四面体网格，椎间盘结构规则，划分为六面体网格，网格单元尺寸均为1 mm。
2) 软组织模型建立
在ABAQUS中，参考人体头颈部解剖学中韧带形态以及在骨骼上的起止附着点，以线单元的形式连接起止点并赋予相应的横截面积，完成韧带的建立。建立的韧带有限元模型主要包括：前纵韧带(ALL)、后纵韧带(PLL)、黄韧带(LF)、关节囊韧带(JCL)、棘间与棘上韧带(ISL & SSL)。此外头部与颈椎之间的连接处还有寰枕前膜(AAOM)、寰枕后膜(PPOM)、寰椎横韧带(TL)、翼状韧带(AIL)和齿突尖韧带(APL)。
肌肉采用与韧带同样的方式构建。参考头颈部解剖学结构，通过连接肌肉起止附着点，并赋予横截面积来模拟头颈部主要肌肉[5]，包括胸锁乳突肌、颈长肌、头长肌、头夹肌、前斜角肌、中斜角肌、后斜角肌和斜方肌等。
由于软骨终板位于椎体皮质骨上下表面，被认为是椎体皮质骨结构的一部分[6]，在ABAQUS中，选取椎体上下表面的部分，并通过拉伸的方式，向椎体的内部偏移(offset)0.5 mm作为软骨终板，这样的方式能保证软骨终板与椎体共节点，以便更好地连接在一起。
3) 材料属性
在模型的几何形态满足仿真精度前提下，各组织材料属性的选取对有限元模型的计算精度至关重要。本文结合文献[7-8]采用的数据设置模型的材料属性：椎骨包括皮质骨和松质骨两部分，皮质骨选择壳单元(Shell)，松质骨选择实体(Solid)单元，软骨终板也采用壳单元来模拟。纤维环与髓核采用六面体实体单元，选用各向同性的线弹性材料。由于韧带主要承受拉力，受压缩的情况下几乎没有力学响应。因此韧带采用各向同性的线弹性材料，且设置为不可压缩。参考文献[9]中给定的关节软骨的材料参数，亦采用各向同性的线弹性材料。具体参数见表 1。
| 组织名称 | 弹性模量/MPa | 泊松比 | 密度/(10-3kg·m-3) | 单元类型 |
| 皮质骨 | 10000 | 0.3 | 2.0 | Shell |
| 松质骨 | 450 | 0.3 | 1.0 | Solid |
| 椎骨终板 | 1000 | 0.4 | 1.83 | Shell |
| 纤维环 | 3.4 | 0.4 | 1.2 | Solid |
| 髓核 | 1.0 | 0.49 | 1.1 | Solid |
| 前纵韧带 | 28.2 | 0.4 | 1.1 | Truss |
| 后纵韧带 | 23 | 0.4 | 1.1 | Truss |
| 黄韧带 | 3.5 | 0.4 | 1.1 | Truss |
| 关节囊韧带 | 5 | 0.4 | 1.1 | Truss |
| 棘上韧带 | 4.9 | 0.4 | 1.1 | Truss |
| 翼状韧带 | 5 | 0.4 | 1.1 | Truss |
| 寰椎横韧带 | 20 | 0.4 | 1.1 | Truss |
| 齿突尖韧带 | 20 | 0.4 | 1.1 | Truss |
| 寰枕前膜 | 20 | 0.4 | 1.1 | Truss |
| 寰枕后膜 | 20 | 0.4 | 1.1 | Truss |
肌肉具有特殊的力学特性：一方面，在外界载荷的作用下，肌肉可以被动地承受载荷，另一方面，又能通过神经的支配产生主动收缩力。本文参考Li等的研究[10]，仅模拟肌肉被动响应，材料选用超弹性材料中的Ogden模型，具体参数如表 2所示。
4) 模型的装配
将各部分分别赋予材料属性后，即进行装配工作。将韧带与其在头部及椎体上的附着区域进行捆绑约束，使其不发生相对运动。同样，椎体与关节软骨、肌肉，纤维环与髓核也进行捆绑约束[11]。由于关节软骨之间存在着滑动，故每对关节软骨之间建立无摩擦有限滑移面-面接触方式。由于本文只分析颈部的受力与损伤情况，故将头部实体化处理，并添加4.69 kg的质量[12]。装配完成后的有限元模型如图 2所示。
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| 图 2 完整有限元模型 Fig. 2 Complete finite element model |
本文结合Panjabi等[13]进行的头颈部基础运动实验和Ewing等[14]的志愿者前碰撞实验，从静态及动态2个方面对有限元模型的有效性进行了验证。
1) 静态验证
依据Panjabi等的头颈部基础运动实验[13]，对模型进行仿真计算。建立如图 3所示坐标系。
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| 图 3 坐标系示意图 Fig. 3 Schematic diagram of coordinate system |
约束第1节胸椎T1下表面的6个自由度。在头部的旋转中心位置选择一参考点，并与头部的其他节点进行运动耦合约束，在该点上分别在±X、±Y、±Z方向加载1.5 N·m的纯力矩[15]，分别产生前屈、后伸、左右侧屈以及轴向旋转。然后，分别在椎体的前部选取参考点，输出各个参考点在该坐标系的运动参数，并计算出相邻椎体之间的椎间活动度(相邻椎体间活动角度之差)。
静态验证将仿真计算出的椎间活动度与实验数据做对比分析，分为前屈、后伸、侧屈和轴向旋转4个过程。以侧屈过程为例，活动度和仿真效果如图 4、图 5所示，图 4灰色线段为标准误差线, C1~C7为椎骨编号。
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| 图 4 侧屈椎间活动度数据对比 Fig. 4 Data comparison of lateral flexion intervertebral range of motion |
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| 图 5 侧屈过程仿真结果 Fig. 5 Simulation results of lateral flexion process |
由图 4可见，仿真计算得到的数据与离体实验数据进行对比，各椎体之间的活动度均在离体实验的误差范围之内，FE仿真数据与实验数据基本吻合。因此可认为FE模型能较好地模拟颈椎受力时真实运动情况，仿真计算结果可信。
2) 动态验证
通过Ewing等的志愿者碰撞实验[14]数据，验证模型的动力学响应。约束第1节胸椎T1在X和Z 方向上的平动自由度，以及冠状面和水平面上的旋转自由度，仅释放Y方向上的平动自由度和矢状面上的旋转自由度。在整个T1上同时施加Y方向上的加速度和矢状面上向前的旋转角度来模拟前碰撞实验，模型处于正常重力场中。整个仿真过程持续250 ms，加载的T1加速度和转动角度如图 6和图 7所示。
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| 图 6 T1加载的加速度-时间曲线 Fig. 6 Acceleration-time curve of T1 loading |
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| 图 7 T1加载的转动角度-时间曲线 Fig. 7 Rotation angle-time curve of T1 loading |
动态验证从有限元模型仿真的结果中获取前碰撞头部的运动参数。选取头部重心Y方向上的加速度与志愿者前碰撞实验的结果进行对比，由于该实验包含多名志愿者，因此给出数据上限和下限曲线，如图 8所示。从仿真数据与实验数据对比结果来看，仿真得到的头部加速度结果与实验数据有很好的相似性，基本上都在实验数据的上下限范围之内；仿真计算数据的曲线趋势与实验数据曲线趋势一致，但在时间上稍有延迟。这主要是由于人体肌肉具有主动收缩能力，而模型只模拟了肌肉的被动收缩能力造成的。
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| 图 8 Y方向上的加速度-时间对比 Fig. 8 Acceleration-time comparison in Y direction |
综上所述，本文所建立人体头颈部有限元模型具有很好的生物逼真度，动力学响应与真实实验结果基本吻合，故认为该有限元模型计算结果可信，可用于阻拦着舰过程中的动力学仿真分析。
3 阻拦着舰过程有限元仿真计算利用所建立的模型对舰载机阻拦着舰过程飞行员头颈部的受力过程进行仿真分析。根据文献[16]中所给出的实验数据，本文选取50 000 lb重量的舰载机加速度-时间曲线(1 lb = 0.453 59 kg)，如图 9所示。T1除了前后方向上的平动自由度和矢状面的旋转自由度以外，其他自由度均进行约束，将加速度载荷施加到整个T1，并给整个头颈部模型一个初始的速度57 m/s。整个模型处在1 g加速度的重力场中，且考虑到飞行员头部佩戴头盔，头部质量增加2.04~6.73 kg[17]。整个过程持续2.7 s，加速度最大值为28 m/s2。
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| 图 9 舰载机阻拦着舰加速度-时间曲线 Fig. 9 Acceleration-time curve during arrest deck-landing of carrier-based aircraft |
1) 椎骨的应力分析
仿真计算后，截取各椎骨出现最大应力时的应力云图，如图 10所示。由图中数据可知椎骨受到的应力从C1至C7逐渐递增。这是由于飞行员的身体部位有安全带束缚，因此越接近胸腔的椎骨活动度越小，在运动过程中所受的应力也就越大。应力集中出现在椎弓下两侧的位置，最大值为95.39 MPa，无明显形变。而人体皮质骨强度为227 MPa[18]，可见椎骨所受应力并不足以直接造成椎骨的损伤，但该过程存在应力集中点，长期重复受力，易造成疲劳伤害。
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| 图 10 C7椎骨应力云图 Fig. 10 Stress contour of C7 vertebrae |
2) 椎间盘应力分析
求每个椎间盘所有节点的应力均值，输出应力-时间曲线，如图 11所示。C7-T1椎间盘的应力值最大，最大值达到18.3 MPa，这与文献[4]的仿真计算结果基本一致。其他椎间盘的应力逐级减小，但C4-C5的应力均值却大于C5-C6。
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| 图 11 Stress contour of C7 vertebrae Fig. 11 Intervertebral discs' stress-time curve |
截取1 300 ms左右仿真过程中的运动形态图，如图 12所示，该时刻颈椎呈反“S”型，而C4-C5椎间盘正处于弯曲处，因此受到了较大的应力。较大的应力集中易造成纤维环的破损，引起椎间盘突出等疾病，因此，相比于其他部位，该处也更容易造成损伤。临床上C4-C5椎间盘的发病率高于其他部位，说明该部位的应力较大，这与计算结果相符。
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| 图 12 1 300 ms时椎体反“S”型 Fig. 12 Vertebral anti-S type at 1 300 ms |
3) 主要韧带最大拉伸量
通过仿真计算可以得到主要韧带的相对最大拉伸量，如图 13所示，关节囊韧带的拉伸最长，棘间棘上韧带次之。由此可以看出，颈部过度前屈会导致关节囊韧带拉伸较长，易造成韧带拉伤或松弛，从而引起椎体失稳。颈椎失稳也是飞行员最常见的疾病之一。
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| 图 13 主要韧带相对最大拉伸量 Fig. 13 Maximum relative tensile strain of main ligaments |
为了进一步确定颈部的损伤情况，需对颈部损伤判定标准进行计算。国际公认的颈部损伤评价准则有NIC(Neck Injury Criterion)，IV-NIC (Intervertebral Neck Injury Criterion)，以及Nij、Nkm等。本文选取NIC和Nij两准则进行损伤评估分析。
1) NIC损伤判定
颈椎损伤评价标准NIC准则计算公式如下：
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(1) |
式中：arelative为头部质心与第1节胸椎在水平方向上的相对加速度，m/s2；Vrelative为头部质心与第1节胸椎在水平方向上的相对速度，m/s；0.2为通过测量猪颈椎的长度得到的常量，单位为m[19]。
仿真得到头部质心与T1之间的相对加速度与相对速度，分别如图 14(a)、(b)所示。从相对加速度的图中可以看出，在0.4 s左右头部质心与T1之间的相对加速度达到最大值。
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| 图 14 头部质心与T1相对加速度和相对速度 Fig. 14 Mass center of head and T1 relative acceleration and relative speed |
根据NIC的公式，计算得到NIC值随时间变化的曲线如图 15所示。
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| 图 15 NIC-时间曲线 Fig. 15 NIC-time curve |
从计算的结果可以看出，NIC最大值为10.85 m2/s2，介于Panjabi等给出的损伤的阈值8.7 m2/s2[20]和Boström等给出的阈值15 m2/s2[19]之间，故可以预测，颈部脊髓不会发生损伤，但颈椎的软组织可能会有损伤。从实际情况来看，飞行员在阻拦着舰的过程中，过载的加速度没有碰撞的瞬时加速度高，椎骨及内部的脊髓很少会受到损伤，但由于头颈部的过度前屈，伴随着韧带的拉伸，很有可能会造成韧带的损伤，此外，椎间盘也会受到较强的压缩从而可能会造成损伤。
2) Nij损伤判定
Nij颈部损伤准则是美国高速公路安全管理局(National Highway Traffic Safety Administration，NHTSA)提出用于前碰撞过程中颈椎发生严重损伤的风险评估[21]。Nij为利用力和力矩的组合来预测前碰撞过程中颈部可能发生损伤的概率。基本公式为
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(2) |
式中：下标i为下标代表轴向载荷(拉伸或压缩)；下标j代表矢状面的屈伸运动(前屈或后伸)；Fz为指枕骨踝(Occipital Condyles，OC)处的轴向载荷力，N；My为指枕骨踝处的屈伸力矩，N·m；Fint为指轴向力标准化截距值，N；Mint为指转矩的标准化截距值，N·m。
文献[21]中给出了各种体型的假人所应当采用的标准截距值，本文选取第50百分位的标准值，如图 16所示。
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| 图 16 第50百分位假人Nij标准化截距值 Fig. 16 The 50th percent dummy Nij normalized intercept value |
因为阻拦着舰的过程中，由于整个过程是减速运动，颈椎相当于做前屈的运动，且头部的速度相对于T1总是向前的，故可判定为向前的拉伸，此时从图 16可知，Fint的值为4 500 N，Mint的值310 N·m。通过仿真结果并计算，得到阻拦着舰过程中的Nij值随时间t的变化曲线如图 17所示。
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| 图 17 Nij时间曲线 Fig. 17 Nij time curve |
2 s左右时，Nij的值达到最大，最大值为0.902。选取Nij的最大值通过式(3)计算颈部发生不同AIS(Abbreviated Injury Scale)等级损伤的概率P[21]。
|
(3) |
文献[22]给出了简明损伤定级法，并给出了不同AIS等级的损伤描述，如表 3所示。
通过计算，分别得到发生各级损伤的概率如表 4所示。
| 损伤等级 | 概率/% |
| AIS≥2 | 27.37 |
| AIS≥3 | 18.99 |
| AIS≥4 | 16.59 |
| AIS≥5 | 6.07 |
结合AIS损伤等级的描述，发生中度及以上伤的概率为27.37%，较重及以上伤的概率为18.99%，严重及以上伤的概率为16.59%，而发生危重及以上伤的概率仅为6.07%。可见，阻拦着舰过程中飞行员头颈部发生危重伤的概率很小。
4 结论通过对舰载机阻拦着舰过程中人体颈部的生物力学仿真计算，分析飞行员在该过程中的损伤情况，结果表明：
1) 应力最大值出现在C7椎弓下两侧的位置，大小为95.39 MPa，无明显形变。可见椎骨所受应力并不足以直接造成椎骨的损伤，但由于存在应力集中点，长期重复受力，易造成疲劳伤害。
2) 阻拦着舰过程造成头颈部过度前伸，导致关节囊韧带拉伸较其他韧带更长，更易造成拉伤或松弛，从而引起椎体失稳。
3) 椎间盘的应力值最大均值出现在C7-T1，达到18.3 MPa。与其他相邻椎间盘间应力变化相反，C4-C5的应力均值大于C5-C6，因此，该部位更容易造成损伤，这与临床报告C4-C5椎间盘发病率高于其他部位结果一致。
4) 结合NIC和Nij损伤标准分析可知，阻拦着舰过程造成飞行员头颈部危重及以上损伤的概率仅为6.07%，即造成椎骨和脊髓损伤的可能性很小。
综上所述，在舰载机飞行员防护装备的设计开发过程中，应考虑设计有缓冲或固定作用的头枕、更贴合颈部曲线的颈枕，以及通过设计降低头盔重量等方法，来降低阻拦着舰过程对飞行员头颈部的损伤概率。另外，在飞行员体能训练过程中应强化颈部肌肉力量的训练。
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