飛行過程中頭盔對飛行員頸部損傷的影響

王麗珍 劉景龍 趙彥鵬 卜偉平 柳松楊 樊瑜波

(1. 北京航空航天大學 生物與醫學工程學院, 北京 100083;2. 北京航空航天大學 北京市生物醫學工程高精尖創新中心, 北京 100083;3. 北京航空航天大學 生物力學與力生物學教育部重點實驗室, 北京 100083;4. 空軍特色醫學中心, 北京 100142; 5. 北京航空航天大學 醫學科學與工程學院, 北京 100083)

頸部疼痛是困擾飛行員的一種常見疾病[1]。在一項針對超過8 000 名飛行員的統計分析中,飛行員頸部疼痛的發生率高達51%[2]。 各國的研究顯示,丹麥空軍在飛行中及飛行后經歷頸部疼痛的飛行員比例甚至高達97%[3],挪威空軍為72%[4],中國戰斗機飛行員頸部疼痛的比例也達33. 7%[5]。 頸 部 肌 肉 的 急 性 拉 傷[6]、 韌 帶 撕裂[7]、椎間盤突出[8]甚至椎體的骨折[9]都會引發頸部疼痛,造成頸部損傷的原因有很多,包括頭盔的佩戴[10]、頭頸部姿勢[11]、飛行時長[12]、飛行工況[13]等因素,尤其在實際飛行過程中,多種因素的共同作用加劇了頸部損傷風險。

頭盔的佩戴能夠保護飛行員頭部免受損傷,為了增強飛行員的作戰效能,往往會在頭盔上集成顯示器等裝置,這導致了不同頭盔的質量及質心位置不同。 研究顯示,頭盔質量的增加和質心位置的改變,增加了飛行過程中的頸部載荷,加大了頸部的損傷風險[10]。 自20 世紀80 年代瑞典空軍開展頭盔對頸部損傷影響的研究以來,國內外開展了大量的相關研究,主要包括流行病學調查、實驗研究和數值仿真研究。 Sovelius 等[14]利用蹦床實驗,測量了飛行員佩戴頭盔在不同加載下頸部的肌電信號,發現頭盔質量的增加,增大了頸部肌肉的拉力。 吳明磊等[15]利用志愿者和HYBRID Ⅲ假人實驗,分析了不同彈射條件下頭盔對人體頭頸響應的影響,發現頭盔對頸部載荷的影響隨著加速度的增加而增加。 賈曉紅等[16]利用AnyBody 軟件平臺建立頭頸部肌骨模型,分析了不同頭盔質量、質心位置及加速度對頸部肌肉力的影響,發現頭盔質量的增加導致肌肉力的增加,而質心的后移會增加前伸肌肉的作用力。Mathys 和Ferguson[17]也利用頭頸部模型分析了不同頭盔在特定載荷下對頸部損傷的影響,同一工況下下頸椎的載荷較大。 包佳儀等[18]也建立了飛行員頭頸部有限元模型,分析了阻攔著艦過程中飛行員頸部的損傷。 然而以上關于飛行員頸部損傷的相關研究中,主要集中在較短時間內的恒定載荷作用下頸部的損傷分析,對不同飛行工況下不同頭盔對飛行員頸部損傷影響的研究還較為缺乏。

因此,本文采用頭頸部多剛體動力學模型,對急轉彎及穩定盤旋飛行工況下,不同頭盔對飛行員頸部損傷的影響進行了仿真研究,通過肌肉力、椎間力及頸部損傷準則研究頸部損傷情況,分析飛行過程中頭盔對飛行員頸部損傷的影響,研究結果可為飛行員頭盔的設計優化及其頸部損傷的影響提供仿真數據支撐。

1 模型的建立與驗證

1.1 模型的建立

本文中的人體頭頸部多剛體動力學模型是基于筆者課題組的研究建立的[19]。 基于1 名中國成年男性頭頸部的CT 圖像,通過逆向建模得到頭頸部的幾何模型,導入多剛體動力學建模軟件ADAMS 中建立多剛體模型。 模型包括頭骨、7 個頸椎、1 個胸椎及胸部和肩部的骨骼結構,這些結構均設為剛體。 胸骨和肩骨用來給肌肉提供附著點,不考慮胸椎和胸骨與肩骨之間的相對運動,將三者連接成一個整體。

模型中的全局坐標系位于胸椎T1 的中心,x軸為人體前后向,y軸為人體側向,根據右手定則z軸為豎直方向,如圖1 所示。

圖1 多剛體動力學模型及坐標系Fig.1 Multi-body dynamic model and definition of coordinates

參考de Jager[20]設置模型中頭骨、椎體的質量特性,建立包含韌帶、椎間盤和關節共同作用的集總參數關節,通過力和位移及速度之間的關系對集總關節進行定義,忽略了椎間盤、韌帶和肌肉的質量[19-22]。 基于解剖位置,采用“繩索”單元建立了15 組頸部肌肉,在肌肉起止點之間建立滑動分割點,表示肌肉的彎曲效應,如圖1 所示,使用Hill 三元素模型表示肌肉的收縮作用[23],所建多剛體模型如圖1 所示。

1.2 模型的驗證

使用關于志愿者的加速度峰值為15G的前向沖擊數據[24]及針對志愿者的8G和10G沿脊柱方向的沖擊數據[25]對模型進行了驗證。 將驗證輸入的運動學數據施加在模型的第一胸椎T1 處,開展動力學計算。 提取模型頭部質心處的x向和z向加速度與志愿者的實驗數據進行對比,結果如圖2 所示。

圖2(a)、(b)展示了模型及實驗的前向沖擊結果,可以看出,前向驗證下頭部質心x向和z向加速度能夠較好地復現實驗結果。 圖2(c)、(d)為沿脊柱方向的沖擊結果,可以看出,沿脊柱方向8G和10G沖擊的z向沖擊結果與實驗數據有著相似的趨勢。

圖2 模型仿真結果與實驗數據對比Fig.2 Comparison of simulation results and experimental data

使用相關性分析方法對模型仿真度進行定量評估,采用區間評估和截面評估來評價曲線相似度,表示模型的仿真度。 區間評估用于評價仿真曲線在實驗區間內的相似度,截面評估通過幅值、相位等評價曲線的相似度,可用來評估仿真假人或模型與實驗數據的相似度[26]。 通過總得分定量評估模型的仿真度,對4 種驗證結果分配了相同的權重計算總得分,得分在0 ～0.26 表明模型是不合格無法接受的,0.26 ～0.44 表明模型仿真度尚可,0. 44 ～0. 65 表明模型仿真度合適,在0.65 ～0.86 則被認為仿真度良好,本文模型的綜合得分為0.694,如表1 所示,在0.65 ～0.86 區間內,表明本文中的頭頸部模型可以用來進行仿真計算。

表1 頭頸部模型的生物仿真度評估Table 1 Biofidelity assessment of head and neck model

2 仿真計算及結果分析

2.1 計算工況

本文采用2 種輸入工況,分別為急轉彎工況和穩定盤旋工況。 提取飛行實驗中2 種工況下飛行員胸椎處的加速度載荷曲線,如圖3 所示。 本文評價3 種頭盔在2 種飛行工況下對頸部損傷的影響,采用無頭盔情況作為對照組,共計4 種頭盔情況。添加頭盔后,按照重心分布及平行移軸定理,得頭部的整體質心及轉動慣量,如表2 所示。 將2 種飛行工況的載荷曲線施加在4 種頭盔模型的第一胸椎處開展動力學計算,共計8 種計算工況。

表2 頭部質量特性Table 2 Mass properties of head

圖3 飛行中加速度時間曲線Fig.3 Acceleration-time curves in-flight

2.2 肌肉力分析

分別提取2 種飛行工況下4 種頭盔情況對應的頭夾肌、斜方肌及集總舌肌的肌肉力,如圖4 和圖5 所示。 在2 種飛行工況下,無頭盔和B 頭盔情況的頭夾肌和斜方肌肌肉力較大,對應的集總舌肌肌肉力很小,而A 頭盔和C 頭盔情況的集總舌肌肌肉力較大,對應的頭夾肌和斜方肌的肌肉力較小。 頭夾肌和斜方肌為屈肌,位于頸部后側,在頭部前傾時被拉長,而集總舌肌為伸肌,在頸部前側,在頭部后仰時被拉長。 表明在2 種飛行工況下,無頭盔和B 頭盔情況下頭頸部均發生前傾,而A 頭盔和C 頭盔情況頭頸部均發生后仰。此外,在2 種飛行工況下,佩戴B 頭盔時,斜方肌肌肉力均最大,在急轉彎工況下為34.2 N,在穩定盤旋工況下為25.2 N,均明顯高于其他頭盔情況,表明B 頭盔對頸部斜方肌具有較大影響,斜方肌更容易受到損傷。

圖4 三組肌肉的示意圖Fig.4 Schematic diagram of three muscle groups

圖5 不同頭盔工況下的最大肌肉力Fig.5 Maximum muscle force for different helmet conditions

2.3 椎間受力分析

通常,使用上下頸椎的最大作用力和彎矩對頸部損傷進行評估[27]。 根據輸入曲線特點,頭頸部在人體矢狀面內運動,椎體主要受到壓力作用及前屈后伸的力矩作用。 因此,提取各計算工況下頭部枕骨大孔與第一頸椎(OC-C1)之間和第七頸椎與第一胸椎(C7-T1)之間的軸向壓力和前屈后伸力矩的時間曲線,如圖6 所示。 此處取軸向壓縮及前屈力矩為正,軸向拉伸及后伸力矩為負。

圖6(a)、(c)顯示,急轉彎工況下OC-T1 與C7-T1 之間的軸向壓力具有相似的變化趨勢,與輸入曲線中的z向載荷趨勢相似。 穩定盤旋工況中,兩頸椎節段的軸向壓力也具有相似的變化趨勢。 對于急轉彎工況下的同一頸椎節段,B 頭盔情況下的軸向壓力高于其他頭盔情況。 圖6(b)、(d)顯示,急轉彎工況下無頭盔和B 頭盔情況的力矩變化趨勢相似,且均為正值,表明頸部發生前屈;而A 頭盔和C 頭盔情況的力矩變化趨勢相似,均為負值,表明頸部發生后仰。 圖6(e)、(g)顯示,針對穩定盤旋工況,OC-C1 與C7-T1 之間的軸向壓力也具有相似的變化趨勢,對于同一節段,B 頭盔情況的軸向壓力最大。 圖6(f)、(h)顯示,穩定盤旋下,兩節段在無頭盔和B 頭盔均為前屈力矩,而A 頭盔和C 頭盔為后伸力矩。 由表2 可得,無頭盔和B 頭盔情況下,頭部質心的整體位置靠前,可能導致頭部更容易發生前傾。

圖6 相鄰椎體間軸向壓力和前屈后伸力矩隨時間的變化曲線Fig.6 Axial force and flexion/extension moment time curves of adjacent segment

表3 展示了OC-C1 及C7-T1 節段的軸向壓力和前屈后伸力矩極值及相應的損傷評估參考值[28],超過損傷評估值,則認為相應椎體發生嚴重損傷。 取軸向壓力及前屈力矩為正,拉伸力及后伸力矩為負。 在2 種飛行工況佩戴不同頭盔的情況下,軸向發生壓縮,壓縮力均小于臨界值。 其中,急轉彎工況佩戴B 頭盔的情況下,C7-T1 節段的軸向壓力最大,為1 141.6 N,小于臨界值4 000 N;前屈力矩也最大,為72. 2 N·m,小于臨界值190 N·m。 同樣,急轉彎工況中佩戴C 頭盔的情況下,C7-T1 節段的后伸力矩最大為-80.1 N·m,小于臨界值-192 N·m。 表3 中的結果表明,2 種飛行工況中,佩戴4 種頭盔情況下均不會造成頸部的嚴重損傷。 表2 顯示,B 頭盔和C 頭盔質量相近,B 頭盔質心位置更靠前,結合軸向壓力結果顯示,質心靠前增加了軸向壓縮作用;C 頭盔質心較為靠后,結合前屈后伸力矩結果,質心靠后可能會造成頸部后仰,增加后仰力矩。 由表3 可知,同一頸椎節段,后仰的損傷臨界值小于前屈的臨界值,意味著C 頭盔容易造成更大的損傷風險。

表3 OC-C1 及C7-T1 節段的最大軸向力與前屈后伸力矩Table 3 Maximum axial force and flexion/extension moment for OC-C1 and C7-T1 segment

2.4 Nij損傷風險分析

為了綜合分析頸部軸向壓力和前屈后伸力矩對頸部損傷的影響,使用頸部損傷Nij準則進行定量評估。 頸部損傷的Nij準則是由美國高速公路安全管理局(NHTSA)提出的用于評價汽車前向碰撞中乘員頸部發生嚴重損傷的評估標準[29],計算公式為

式中:Fz為軸向的壓縮力或拉伸力;My為矢狀面內的前屈后伸力矩;Fint為壓縮/拉伸力的臨界值,Mint為前屈/后伸力矩的臨界值。

針對OC-C1 及C7-T1 頸椎節段,臨界值取值如表4 所示[28,30]。Nij越大,表明頸部損傷風險越大,在航空領域,為了保證飛行員的安全不發生嚴重損傷,一般認為Nij不超過0.5[31]。

表4 OC-C1 和C7-T1 節段Nij臨界值的選取Table 4 Nij critical intercept values for OC-C1 and C7-T1 segment

圖7 和圖8 分別顯示了急轉彎工況和穩定盤旋工況下Nij隨時間的變化曲線,圖9 為各工況下Nij的最大值。 可以看出,各工況Nij值均小于0.5,表明在2 種飛行工況下,佩戴4 種頭盔均不會對頸部造成嚴重損傷。 對于同一飛行工況,兩節段的Nij隨時間變化的曲線具有相似的趨勢。

圖7 急轉彎工況Nij隨時間的變化曲線Fig.7 Nij time curves under sharp turn condition

圖8 穩定盤旋工況Nij隨時間的變化曲線Fig.8 Nij time curves under steady hover condition

圖9 Nij的最大值Fig.9 Maximum Nijvalues

對于急轉彎工況,同一頭盔佩戴情況下C7-T1 節段的Nij高于OC-C1 節段,表明下頸椎損傷風險較高;針對同一節段下,C 頭盔的Nij最大,A頭盔次之,B 頭盔最小。 而在最大軸向壓力及最大前屈后伸力矩的分析中,對于同一頸椎節段,B頭盔的軸向壓力最大,遠高于其他頭盔情況,而C頭盔情況下的后伸力矩大于B 頭盔的前屈力矩。由表4 可看出,前屈力矩的臨界值約為后伸力矩的2 倍,說明頸部在后伸情況下更易損傷,因此導致了C 頭盔情況下頸部具有最大的Nij值。 由表2可知,B 頭盔和C 頭盔質量相近,而C 頭盔質心靠后,顯示質心的過度后移會增加頸部的損傷風險。

3 結 論

本文對急轉彎及穩定盤旋飛行工況下,不同頭盔對飛行員頸部損傷的影響進行了仿真模擬研究,得到了不同工況下頸部肌肉力、椎間力與力矩及頸部損傷Nij的變化規律,分析了不同飛行工況下頭盔對頸部損傷的影響,得到以下結論:

1) 在2 種飛行工況下,B 頭盔的佩戴使得頭部質心前移,均增加了頸部前屈時斜方肌的肌肉力,容易造成斜方肌的拉傷;A 頭盔和C 頭盔的佩戴使得質心后移,導致集總舌肌受到拉伸。

2) 對于特定頭盔情況,下頸椎的軸向壓縮力高于上頸椎;對于同一頸椎節段,B 頭盔的情況下軸向壓縮力最大,C 頭盔導致的后伸力矩最大。

3) 在所有的飛行工況下,上下頸椎的Nij均小于0.5,表明4 種頭盔情況均不會造成頸部嚴重損傷,滿足航空領域的安全要求。

4) 對于同一飛行工況相同的頸椎節段,C 頭盔導致的Nij最大,其次是A 頭盔情況,而B 頭盔導致的軸向壓縮力大,Nij卻較小,這與頸部在前屈后伸過程中的損傷容限有關。 B 頭盔和C 頭盔質量相近,而B 頭盔靠前,C 頭盔靠后,說明頭盔質心的前后位置對頸部的損傷產生嚴重影響。