垂直冲击下Hybrid III型腰椎损伤风险曲线

《Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials》：Hybrid III lumbar spinal column injury risk curves from vertical impact

　　

Narayan Yoganandan|Tyler F. Rooks|Nico Flierman|Tim Westerhof

美国威斯康星医学院神经外科

摘要

简易爆炸装置爆炸产生的底部冲击力会通过骨盆区域对人的脊柱施加动态载荷，而IED带来的初始冲击首先由腰椎承受，之后才传递到胸椎和颈椎。许多临床及回顾性研究都记录了这类损伤情况。尽管目前仍使用动态响应指数来预测腰椎损伤，但它是基于座椅面加速度得出的。因此有必要为人类替代模型制定腰椎损伤标准。本研究旨在针对底部冲击垂直载荷作用下的Hybrid III人体模型，建立以损伤评估风险曲线形式的腰椎损伤标准。

在Hybrid III人体模型上，腰椎的上下两端均安装了载荷传感器。通过定制的垂直加速装置向脊柱下端施加动态冲击载荷，从而获取脊柱两端的轴向力、剪切力及合力数值。此前的同类实验中，用人类尸体进行的测试结果也验证了以压缩力为依据的损伤机制。研究采用Weibull分布进行参数生存分析，进而构建腰椎损伤评估风险曲线，并通过±95%置信区间确定不同损伤概率水平下的各项指标质量。

在中等风险水平下，脊柱上端的预估轴向力为14.7千牛，剪切力为2.1千牛，合力为14.8千牛；在10%风险水平下，轴向力为6.7千牛，剪切力为0.9千牛，合力也为6.7千牛。在脊柱下端，中等风险水平下的预估轴向力为16.7千牛，剪切力为2.8千牛，合力为16.8千牛；10%风险水平下的数值分别为7.2千牛、0.8千牛和7.3千牛。论文中还给出了风险曲线的置信区间及质量评估结果。

在脊柱两端，轴向力始终大于剪切力，这一情况与临床及尸体研究中所记载的底部冲击损伤机制一致。与脊柱下端相比，脊柱上端的轴向力、剪切力及合力对应的损伤风险曲线均向左偏移，这体现了轴向力在脊柱中的吸收与传递过程。由于剪切力较低，合力可作为损伤判断标准。基于生存分析构建的这些损伤评估风险曲线，可初步作为Hybrid III腰椎损伤标准，用于提升战斗人员的安全性，以及评估现有和未来军用车辆在垂直冲击下的性能。

引言

临床及回顾性研究已充分记录了战斗中因底部冲击载荷导致的肌肉骨骼损伤情况（Danelson等人，2015、2018年；Loftis等人，2019年；Ramasamy等人，2008年；Vasquez等人，2018年）。这类损伤源于军事车辆底部被简易爆炸装置引爆。外部冲击载荷会通过士兵的防护装备，即靴子，从车辆地板传递到下肢，同时也会通过座椅结构，经骨盆传递到腰椎、躯干、颈部乃至头部。第一种载荷传递路径是从靴子到身体的近端部位，会导致足踝胫骨复合体受到动态载荷，相关骨折已在文献中有报道（Ramasamy等人，2008年；Rankin等人，2020年；Schoenfeld等人，2013年；Spanos等人，2016年；Spurrier等人，2016年）。另一种载荷传递路径则是通过骨盆对脊柱施加动态载荷，IED带来的初始冲击首先由腰椎承受，之后才传递到胸椎和颈椎（Helgeson等人，2011年；Kang等人，2012年；Patzkowski等人，2012年）。也就是说，作用于腰椎的冲击载荷是沿脊柱的尾侧到头侧方向，即从下往上施加的。

人体模型替代物可用于汽车及军事领域，通过模拟损伤情况来设计、开发并评估安全装置，从而提升对人员的保护效果。它们也被用于标准化测试。例如，用于汽车碰撞安全测试的Hybrid III人体模型就是为上述目的在五十多年前开发的（Backaitis，1994年；Foster等人，1977年）。该模型的设计与开发基于关于头部、胸部及下肢损伤的实地数据。其生物真实性则通过使用人类尸体模型进行的实验室实验来验证（Prasad，2015年）。对于头部和胸部的损伤防护，Hybrid III标准采用三轴线性头部加速度和胸部变形等测量指标。虽然Hybrid III用于模拟正面冲击，但其他人体模型则用于不同方向的冲击，且所有冲击方向都位于水平面内（Kang等人，2013年；Kuppa等人，2003年）。相比之下，底部冲击的载荷向量则处于垂直平面内。

在汽车标准中，Hybrid III模型可通过相应的损伤标准来预测头部和胸部的损伤，但目前尚无针对腰椎的此类标准（FMVSS-208，2001年；Petitjean等人，2015年）。在军事领域，目前仍使用动态响应指数来预测腰椎损伤（Brinkley和Shaffer，1971年；NATO，2023年；Stech和Payne，1969年）。由于该指数基于座椅面加速度，因此有必要利用Hybrid III模型在脊柱近端和远端的表现来制定腰椎损伤标准。因此，本研究的目的是针对底部冲击垂直载荷作用下的Hybrid III模型，建立以损伤评估风险曲线形式的腰椎损伤标准，用于军事车辆的相关应用，进一步提升战斗人员的安全性。

内容节选

人体模型与加速装置

本研究使用了中等体型（第50百分位）的男性Hybrid III腰椎模型（Backaitis，1994年）。该腰椎模型被安装在底部和顶部的六轴载荷传感器之间（型号M3944，制造商为上海Sunrise Instruments公司）。在顶部载荷传感器上放置了12公斤的模拟躯干质量。这些载荷传感器与垂直加速装置的平台相互垂直，该加速装置由两座塔结构组成，其中一座用于施加载荷，即冲击传递部件，另一座则用于...

结果

实验结果表明：总体而言，随着冲击速度的增加，脊柱两端的受力都会增大；不过达到峰值的时间也会影响受力大小。在相同的冲击速度下，达到峰值的时间越短，受力越大，这一现象符合脊柱的速率依赖性响应特性（Yoganandan等人，2022年）。此外，脊柱上端的受力也低于下端，这也与预期相符。

选择Hybrid III人体模型及配对测试的依据

如引言所述，本研究的目的是建立以损伤评估风险曲线形式的损伤标准，用于评估军用车辆在底部冲击事件中的安全性，从而保护战斗人员的腰椎。尽管存在多种不同类型的人体模型（THOR、FAA-Hybrid III、Hybrid II和WIAMan），但本研究仍选择Hybrid III模型，是因为它应用极为广泛。

总结

鉴于目前针对Hybrid III人体模型腰椎部分的损伤评估风险曲线研究较少，且需要在类似IED爆炸之类的垂直冲击场景下为乘员制定损伤标准，本研究为此类模型制定了腰椎损伤标准。该模型能够模拟实际战场中出现的骨折类损伤机制，且在当前冲击载荷作用下具备生物真实性。损伤评估风险...

作者贡献说明

Narayan Yoganandan：概念构思、正式分析、资金申请、实验研究、方法设计、项目管理、监督指导、初稿撰写、审稿与修改。Tyler F. Rooks：正式分析、审稿与修改。Nico Flierman：正式分析、项目管理、审稿与修改。Tim Westerhof：正式分析、资金申请、实验研究、项目管理、审稿与修改。

利益冲突声明

本研究的所有作者均与任何可能对研究结果产生不当影响（即存在偏见）的个人或组织没有财务或个人关系，因此不存在利益冲突。

致谢

本研究得到了美国国防部卫生事务助理部长办公室通过相关资助公告的支持，资助编号为W81XWH-16-1-0010；同时也得到了密尔沃基市退伍军人事务医疗中心以及退伍军人事务医学研究机构的支持。N.Y.是该退伍军人事务医疗中心的员工。本文中的观点、解读、结论及建议均为作者本人所提出，不代表资助方的立场。