生物医学工程理论与实践/生物力学 III

头部/颈部力学

头部损伤机制

头部损伤主要有三种类型，由直接冲击或直接高加速度引起。

1. 脑损伤：脑损伤可分为弥漫性损伤和局灶性损伤。弥漫性损伤是由于整个大脑的高加速度导致，可引起从轻微脑震荡到弥漫性轴索损伤，这通常与刚性平面或半钝性物体撞击有关。局灶性损伤是由直接冲击到大脑局部区域造成的，从轻微的挫伤（瘀伤）到大脑的直接穿透，这通常与钝性或锐性物体撞击有关。
2. 颅骨骨折：颅骨骨折可由直接冲击引起。颅骨骨折可由两种不同的冲击负荷机制引起。
   1. 与平面表面冲击，产生线性型骨折
   2. 与钝性物体冲击，产生局部凹陷性骨折
3. 面部撕裂伤：面部区域的骨骼和软组织结构都非常复杂。主要的骨骼组是颧骨，构成眼睛周围的骨骼结构和鼻腔、上颌骨，形成上颌骨和下颌骨，形成下颌骨。面部骨折是由平面板和钝性物体直接冲击造成的，通常发生在沿着薄弱部位的特定位置。下颌骨单纯骨折的 AIS 得分为 1，上颌骨和颧骨的骨折得分为 2，复杂骨折得分为 3。

头部损伤最常见的参数是加速度。头部能够承受较高的加速度，但持续时间较短，任何超过损伤阈值的暴露都会变得严重。Gadd 在 1961 年提出了严重性指数，现在被称为 Gadd 严重性指数 (GSI)： ${\mathit {S}}{\mathit {I}}=\int _{0}^{t}a(t)^{2.5}dt$

其中 a 是头部瞬时加速度，T 是脉冲持续时间。如果积分值超过 1000，将导致严重损伤。 Versace 提出了 GSI 的修改形式，现在被称为头部损伤标准 (HIC)。其定义为

${\mathit {H}}{\mathit {I}}{\mathit {C}}={\bigg \{}{\Big [}{\frac {1}{t_{2}-t_{1}}}\int _{t_{1}}^{t_{2}}a(t)dt{\Big ]}^{2.5}\left(t_{2}-t_{1}\right){\bigg \}}_{max}$

其中 t₁ 和 t₂ 是 HIC 达到最大值的区间内的初始时间和最终时间（以秒计），加速度 a 以 g（标准重力加速度）为单位。还要注意 HIC 的最大持续时间，t₂ – t₁，限制在 3 到 36 毫秒之间的特定值， 通常为 15 毫秒。

表。MTBI 的耐受性估计

变量	耐受性估计（损伤概率）
	25%	50%	75%
HIC	136	235	333
线性加速度 (m/sec2)	559	778	965
角加速度 (rad/sec2)	4384	5757	7130
最大主应变，ε (%)	25	37	49
最大主应变率，dε/dt (sec−1)	46	60	79
ε · dε/dt (sec−1)	14	20	25

来源：King, A.I., Yang, K.H., Zhang, L. 等人。2003 年。头部损伤是由线性加速度还是角加速度造成的？在 Bertil Aldman 讲座中，2003 年国际 IRCOBI 冲击生物力学会议论文集，第 1-12 页，

颈部损伤机制

颈部从颅骨底部（寰椎）到第七节椎骨，称为 C-1 到 C-7，并连接到胸椎（上背部）。脊柱包含大约二十四个相互连接的、形状奇特的骨骼片段，以及一些称为椎骨的透明软骨。脊柱保护脊髓（一束神经组织）。甲状软骨的隆起被称为“喉结”，是一个明显的外部颈部特征。喉结在男性中更为明显，因为软骨以 90 度角相遇；在女性中，角度通常为 120 度。由于颈部结构复杂，颈部损伤机制多种多样。

1. 张力-屈曲损伤
2. 张力-伸展损伤
3. 压缩-屈曲损伤
4. 压缩-伸展损伤
5. 涉及侧弯的损伤

对于屈伸建模，颈部损伤标准建模由 Alderman 于 1986 年开发。基于压力效应模型的颈部损伤标准 (NIC) 于 1996 年开发。椎间颈部损伤标准 (IV-NIC) 基于以下假设：超过生理极限的椎间运动可能会损伤颈部软组织。基于以下假设：后方碰撞的颈部保护标准应考虑载荷和力矩的线性组合，于 2002 年提出了一个名为 Nkm 的新标准。

人体头部/颈部替代品

ATD 的三维模型

THOR-Mod 套件后测试

胸部和腹部冲击的损伤机制、标准和耐受性

压缩损伤

加速度与胸部两大主要损伤（肋骨骨折和内脏损伤）无关。肋骨本身具有一定的弹性，会导致肋骨在骨折前发生压缩。因此，肋骨骨折与力和胸部压缩有关，因为两者都与胸部的生物力学刚度有关。换句话说，压缩标准 (CC)，即最大胸部压缩，已被用作预测肋骨骨折比加速度或力更好的标准，因为它可能更容易测量。

加速度损伤

胸部创伤指数 (TTI) 是胸部在侧面影响情况下的损伤标准。它假设损伤的出现与受冲击侧肋骨和下胸椎所承受的最大横向加速度的平均值有关。此外，TTI 还考虑了受试者的体重和年龄。TTI（尺寸（g））定义如下：$TTI=1.4*AGE+0.5*(RIB_{Y}+T12_{Y})*MASS/M_{std}$

其中

TTI = 胸部创伤指数（尺寸：g）

AGE = 受试者的年龄（以年为单位）

RIBY = 受冲击侧第 4 肋骨和第 8 肋骨的横向加速度的绝对值的最大值（以 g 为单位），信号滤波后

T12Y = 第 12 胸椎的横向加速度的绝对值的最大值（以 g 为单位），信号滤波后

MASS = 受试者的质量（以 kg 为单位）

M_std = 标准参考质量，75 kg

在使用第 50 百分位数 HybridIII 假人进行碰撞测试时，可以使用称为 TTI(d) 的不同 TTI

$TTI(d)=0.5*(RIB_{Y}+T12_{Y})$

其中 TTI(d) 是第 50 百分位数假人使用的 TTI 的定义。

粘性损伤

内脏器官（如心脏、肺、肝、脾脏和血管）的损伤更与侵入率有关，而不是胸部压缩。但是，压缩和速率依赖性标准似乎是最适用的。因此，速度/压缩基础的或粘性标准已被用作在最大偏转之前损伤程度的最佳指标。该标准适用于 3 到 30 米/秒的不同速度的冲击，以及胸部储存的质量或能量，而不是能量耗散。它用于正面和侧面冲击。它还假设不同的约束造成的不同载荷条件需要更具体的约束损伤标准。粘性标准或 V*C 是由变形速度：V(t) 和瞬时压缩函数：C(t) 的乘积组成的时域函数。V(t) 通过微分变形计算，C(t) 相对于初始躯干厚度 (D) 计算。

$VC=V(t)*C(t)={\frac {d[D(t)]}{dt}}*{\frac {D(t)}{D}}$

正面和侧面冲击的耐受水平均使用胸部压缩标准，该标准预测肋骨骨折。

胸腰椎损伤

如果损伤与脊髓有关，可能会发生截瘫。这些楔形骨折的损伤是由于压缩载荷和弯曲载荷的共同作用造成的。由于惯性载荷，通过脊柱的两个载荷路径来传递垂直（轴向）压缩，依靠腰椎的取向。这两个载荷路径是椎间盘和关节突，通过使下关节突的尖端接触到下方椎骨的椎板来传递压缩载荷。椎间盘破裂发生得很慢。极度猛烈的单次载荷会导致髓核从椎间盘的侧面突出。

组合胸部指数

组合胸部指数 (CTI) 包含峰值胸部加速度和最大胸部偏转。发现它与其他标准相比具有更好的预测能力。CTI 的方程为

$CTI={\frac {A_{max}}{A_{int}}}+{\frac {D_{max}}{D_{int}}}$

其中 $A_{max}$ 和 $D_{max}$ 分别是观察到的最大加速度和挠度，而 $A_{int}$ 和 $D_{int}$ 是相应的最大允许截距值。

损伤风险评估

到目前为止，胸部和腹部的大多数反应都进行了容差测试。下表显示了来自 Cavanaugh、Rouhana 和 Viano 等人 的评论中的容差水平。

表。胸部和腹部冲击的人体耐受性

标准	胸部		腹部		标准
	正面	侧面	正面	侧面
加速度					加速度
3 毫秒限制	60 g
TTI		85–90 g
ASA		30 g
AIS 4+		45 g		39 g	AIS 4+
力					力
胸骨	3.3 kN
胸部 + 肩膀	8.8 kN	10.2 kN
AIS 3+			2.9kN	3.1kN	AIS 3+
AIS 4+		5.5kN	3.8kN	6.7kN	AIS 4+
压力					压力
	187 kPa		166 kPa		AIS 3+
				216 kPa	AIS 3+
压缩					压缩
肋骨骨折	20%
稳定的肋骨架	32%		38%		AIS 3+
连枷胸	40%	38%	48%	44%	AIS 4+
粘性					粘性
AIS 3+	1.0 m/sec				AIS 3+
AIS 4+	1.3 m/sec	1.47 m/sec	1.4 m/sec	1.98 m/sec	AIS 4+

来源：（改编自 Cavanaugh J.M., 胸部损伤的生物力学，在意外损伤：生物力学和预防，Nahum A.M. 和 Melvin J.W.,（编辑），第 362–391 页，Springer-Verlag，纽约，1993 年和 Rouhana S.W., 腹部损伤的生物力学，在意外损伤：生物力学和预防，Nahum A.M. 和 Melvin J.W.,（编辑），第 391–428 页，Springer-Verlag，纽约，1993 年。）

以下等式显示了损伤概率 p 与生物力学响应 x 之间的关系

$p(x)=1+[\alpha -\beta x]^{-1}$

其中 α 和 β 是从生物力学数据的统计分析中得出的参数。下表总结了用于胸部和腹部损伤风险评估的可用参数。

耳蜗力学

耳蜗的横截面

前庭力学

前庭系统是听觉系统的一部分，与耳蜗一起构成听觉系统。它构成大多数哺乳动物内耳的迷路，位于内耳的前庭。前庭系统由耳石器和球囊（统称为耳石器）组成，它们是线性运动传感器，以及三个半规管（SCCs），它们感知旋转运动。

耳石器

大耳石器

半规管

前庭系统的半规管 - 横截面

毛细胞

穿过 Corti 器的切面，显示内毛细胞和外毛细胞

进一步阅读

• Bronzino, Joseph D. (2006 年 4 月). 生物医学工程手册，第三版. [CRC 出版社]. ISBN 978-0-8493-2124-5.
• Villafane, Carlos, CBET. (2009 年 6 月). 生物医学：从学生的角度，第一版. [Techniciansfriend.com]. ISBN 978-1-61539-663-4.{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
• 有关 生物医学工程 的信息。