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车辆 - j h ：人碰撞中下肢动力学响应和损伤生物力学分析 摘要 在汽车交通碰撞事故中，行人下肢损伤是最常见的损伤部位，为研究行人下 肢损伤的生物力学响应及损伤机理，本文应用有限元的方法，改进了下肢有限元 模型，研究了下肢碰撞生物力学响应及损伤机理，结合参数分析了预测膝关节韧 带的损伤风险，以及基于真实行人碰撞事故对下肢骨折进行了损伤重现研究。结 果可作为研究下肢损伤机理的理论参考依据。 下肢有限元模型根据5 0 百分位的行人下肢的解剖学结构建立。模型由骨骼组 织和韧带组织构成。其中，有较大骨折风险的长骨包括股骨、胫骨和腓骨用实体 单元和四节点壳单元模拟皮质骨和松质骨以获得较好的力学响应特性。其他部分 如髋骨、足骨等组织由壳体单元及弹簧一阻尼单元构成。整个模型由2 9 7 7 7 个节 点，3 0 8 7 3 个单元组成。整个下肢模型有效质量为1 3 4 k g 。 本文中采用了h y p e r m e s h 网格前处理软件，对已建立的行人下肢模型 ( h b m 1 0 w e rl i m b ) 进行了解剖学结构以及网格质量的完善和改进，应用 l s d y n a 3 d 软件，通过模拟胫骨的三点弯曲实验和下肢的剪切与弯曲实验，对 模型的有效性进行验证。通过运用本模型，模拟了不同的高度、方向等冲击载荷 条件下下肢动力学响应和膝关节韧带的生物力学响应及损伤风险，并利用此模型 对真实行人下肢交通伤进行骨折重现研究，预测了股骨、胫骨、腓骨的骨折风险 参数。 研究结果表明，通过改进，下肢模型的生物逼真度进一步提高；在大腿碰撞 条件下，由于膝关节的翻转而使m c l 韧带的损伤风险最大；而对比四根韧带在 不同高度的碰撞条件下，m c l 韧带的损伤风险明显高于其它韧带；在不同角度的 碰撞条件下，由于十字交叉韧带受到张力的作用，损伤风险明显更高；降低保险 杠高度有利于保护膝关节韧带；损伤计算得到的各种损伤评价指标对于损伤类型 和严重程度具有较好的对比性，并得出了股骨、胫骨和腓骨的骨折耐受限度的v o n m i s e s 应力参考值分别为1 1 5 m p a 、1 2 5 m p a 、1 2 5 m p a ；结果表明模型对下肢损伤 类型和损伤风险有一定的预测能力。 该模型的建立对国内的行人下肢损伤机理的基础研究和其损伤防护技术的开 发将起到一定的作用，模拟计算结果可作为研究下肢损伤耐受限度的理论参考依 据。 关键词：行人下肢；损伤生物力学；膝关节韧带；骨折；车辆行人碰撞； 有限元方法 l i 硕一l ：学位论文 a b s t r a c t i nv e h i c l e - p e d e s t r i a nc o l l i s i o n ，t h el o w e rl i m b so fp e d e s t r i a na r ef r e q u e n t l y i n ju r e db yv e h i c l ef r o n ts t r u c t u r e s i no r d e rt oi n v e s t i g a t et h ed y n a m i cr e s p o n s ea n d i n j u r ym e c h a n i s m so ft h el o w e re x t r e m i t yt oal a t e r a li m p a c t ，t h ec u r r e n ts t u d yw a st o i m p r o v ea3 df i n i t ee l e m e n t ( f e ) m o d e lo ft h eh u m a nl o w e rl i m bi nt r a f f i ca c c i d e n t s u s i n gf i n i t ee l e m e n tm e t h o d u s i n gt h ef e mm o d e lp r e d i c t i n gt h er i s ko ft h ek n e e j o i n tl i g a m e n t s ，a l s o c o m b i n a t i o nw i t ht h er e a l w o r l d p e d e s t r i a n a c c i d e n tt o i n v e s t i g a t i o nt h eb o n ef r a c t u r eo ft h e1 0 w e rl i m b s t h er e s u l to ft h i ss t u d yc a nf o r ma b a c k g r o u n dk n o w l e d g et or e s e a r c ht h ei n ju r yb i o m e c h a n i c so ft h el o w e rl i m b s t h ef em o d e i sb a s e do na n a t o m i e a ls t r u c t u r eo f 1 0 w e rl i m bw h i c hc o n s i s t so f t h ep e l v i s ，t h ef e m u r , t h et i b i a ，t h ef i b u l a ，t h ep a t e l l a ，t h ef o o tb o n e s ，p r i m a r yt e n d o n s ， c a p s u l e s , m e n i s c u s ，a n dk n e el i g a m e n t s t h em a s sd i s t r i b u t i o na n dm a t e r i a lp r o p e r t i e s o ft h eb o n e sa n ds o f tt i s s u e sa r eb a s e do nb i o m e e h a n i c a ld a t af r o mt h ep u b l i s h e d l i t e r a t u r e t h em o d e li sc o n s t r u c t e du s i n gs h e l la n ds o l i de l e m e n t sw h i c hm e s hb y h y p e r m e c h ，a l s oi n c l u d el i n e a rs p r i n g d a m p e re l e m e n t sa n dc o n s i s t so f2 9 7 7 7n o d e s ， 3 0 8 7 3e l e m e n t s ，t h ee f f e c t i v em a s si s13 4 k g t h em o d e li si m p l e m e n t e db yu s i n gt h ef i n i t ee l e m e n tp r o g r a ml s d y n a 3 d t h ev a l i d i t yo ft h em o d e lo ft i b i as e g m e n ti se v a l u a t e da g a i n s tt h r e ep o i n tb e n d i n g t e s ti nt e r m so ft i b i as t r e s s t h ew h o l em o d e li sv a l i d a t e da c c o r d i n gt h ec a d a v e rt e s t d a t a t h ed y n a m i cr e s p o n s ea n di n ju r yr i s ko ft h el o n gb o n e sa n dk n e el i g a m e n t sa r e a n a l y z e di nd i f f e r e n ti m p a c tl o c a t i o n s ；t h ef eh b m l o w e rl i m ba n da ne x i s t i n g m u l t i - b o d ys y s t e m ( m b s ) h u m a nm o d e lo ft h ep e d e s t r i a na r eu s e dt or e c o n s t r u c tt h e r e a l w o r l dv e h i c l e p e d e s t r i a na c c i d e n ta n dl o w e rl i m bi n j u r i e s ，t o p r e d i c tt h ei n j u r y p a r a m e t e r so ft h ef e m u r , t i b i aa n df i b u l a t h er e s u l ts h o wt h a tt h em o d e lh a sag o o db i o f i d e l i t yb yi m p r o v i n g ；t h es t r e s s o f tt h eb o n ei sc o n c e n t r a t e di nt h ei m p a c t o rc o n t a c ta r e a w h i c hc a nc a u s eah i g h f r a c t u r er i s k ；i ni m p a c t st ot h ef e m u ro rk n e e ，t h ei n ju r yo ft h em c la r ee s p e c i a l l y h i g h e rt h a no t h e rl i g a m e n t sd u et ot h ev a l g u sm o t i o no ft h ek n e ej o i n t ，w h i c hc o u l d c a u s ek n e el i g a m e n tr u p t u r e ；i nd i f f e r e n ta n g l ei m p a c t s ，t h ei n ju r yr i s ko fc r u c i a t e l i g a m e n t sc a na l s ob e c o m eh i 曲b e c a u s eo ft h et e n s i o no ft h e s el i g a m e n t s ；t h e l o w e r i n go ft h eb u m p e rh e i g h tc a nr e d u c eo ft h er i s ko ft h ek n e el i g a m e n t s ；t h er e s u l t o fr e c o n s t r u c t i o no ft h ea c c i d e n ts h o wt h ei n ju r yc r i t e r i o ni n d i c t sc a l c u l a t e df r o m t h er e c o n s t r u c t i o n sw e r ec o m p a r e dw i t hh o s p i t a lr e p o r t s ，a n dt h ev o nm i s e ss t r e s sa sa 车辆，j 行人科f 掩中下肢动力学响心和损伤生物力学分析 p a r a m e t e r sw h i c hi n d i c tt h ef r a c t u r et o l e r a n c el e v e lo ft h ef e m u r , t i b i a ，f i b u l aa r e 115 m p a ，1 2 5 m p a ，12 5 m p ar e s p e c t i v e l y t h er e s u l t sd e m o n s t r a t i o nt h a tt h i sm o d e l h a v eag o o dc a p a b i l i t yt op r e d i c ti d j u r i e st y p e sa n ds e v e r i t yi nv e h i c l e p e d e s t r i a n i m p a c t t h eh b m - l o w e rl i m bw i l lc o n t r i b u t et ot h er e s e a r c ho nl o w e rl i m bi n j u r y m e c h a n is m s a n dd e v e l o p m e n to ft h ei n j u r yp r o t e c t i o nd e v i c e a n dt h ef r a c t u r e t o l e r a n c el e v e lo ft h el o n gb o n e sc a nb eu s e da sar e f e r e n c ef o rt h i sr e s e a r c h k e yw o r d s ：p e d e s t r i a nl o w e rl i m b ；i n j u r yb i o m e c h a n i c s ；k n e ej o i n ti n j u r y ；b o n e f r a c t u r e ；v e h i c l e p e d e s t r i a ni m p a c t ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d i v 硕1 ：学位论文 第1 章绪论 在近几十年间，随着经济的发展，人们对汽车拥有量逐年增加，对汽车的安 全性提出了更高的要求，因此，汽车的安全性受到了汽车工业界及世界各国政府 的高度重视。随着各项道路交通安全法规的实施以及汽车的主动安全性和被动安 全性技术的革新，因道路交通事故受伤的人员呈现下降的趋势。但是在中国，因 交通事故伤亡的绝对数字依然十分惊人，特别是道路使用易受伤者( 行人、骑自 行车者) 。因此如何减少交通事故、如何保护行人安全以及减轻其与车辆发生碰撞 时的伤害已经成为各国道路交通安全性研究的热点问题。 1 1 选题背景及研究意义 在交通碰撞事故中，由于行人、骑自行车者等缺乏保护措施，受损伤的风险 极高。近年来，随着我国国民经济的快速增长，人民生活水平不断提高对汽车需 求量很大，汽车工业和交通运输事业不断向高层次发展，取得这些成就的同时我 们也付出了惨痛的代价，中国的道路交通伤害死亡人数和死亡率居世界前列，近 年我国道路交通事故死亡人数如表1 1 。在交通发达国家的交通死亡事故中，机 动车驾驶员与道路交通易受伤害者( 行人、骑自行车人等) 的死亡之比是3 ：1 ，而我 国则恰恰相反，这一比例为1 ：3 ，就是说约有7 5 以上的死亡人数为交通使用弱 者。 表1 11 9 9 8 2 0 0 4 年全国道路交通事故统计f 1 1 年份事故次数，次死亡人数，人受伤人数，人直接经济损失，万元 1 9 9 83 4 6 1 2 97 8 0 6 72 2 2 7 2 l1 9 2 9 5 1 1 9 9 9 4 1 2 8 6 0 8 3 5 2 92 8 6 0 8 02 1 2 4 0 2。 2 0 0 06 1 6 9 7 19 3 8 5 34 1 8 7 2 12 6 6 8 9 0 2 0 0 l7 5 4 9 1 91 0 5 9 3 0 5 4 6 4 8 53 0 8 7 8 7 2 0 0 27 7 3 1 3 71 0 9 3 8 l5 6 2 0 7 43 3 2 4 3 8 2 0 0 36 6 7 5 0 71 0 4 3 7 24 9 4 1 7 43 3 6 9 1 4 2 0 0 4 5 1 7 8 8 91 0 7 0 7 74 8 0 8 6 42 3 9 1 4 1 事故伤亡加上事故现场抢救、伤亡善后处理、生产力和劳动力损失，所付出 的各种费用，给国家造成巨大的社会经济损失。一位从事汽车安全研究的专家认 为，中国与欧、美、日的交通状况有很大不同，国内道路大多是行人、自行车、 车辆j 行人碰掩巾下肢动力学响应和损伤生物力学分析 摩托车和汽车混行，行人、自行车、摩托车造成的交通事故比例很高。在中国使 用的汽车，更应该优先考虑行人的交通安全问题，降低交通事故发生时对行人的 伤害。最大限度地减少汽车交通事故中的人员伤亡是车辆工程和相关研究领域要 解决的重要科技问题。 根据事故数据分析，在我国的道路交通体系中，自行车、人力车、畜力车等 非机动车和行人、乘车人是重要的交通参与者，汽车交通事故中车辆与行人相撞 的较高【2 】。湖南大学交通安全研究中心成立了深入的交通事故调查小组，对整个 长沙地区的交通事故进行了深入的事故调查。k o n g 等人pj 收集并分析了2 0 0 0 到 2 0 0 6 年间长沙地区的交通事故，结果表明行人下肢损伤人数占总受伤人数的 3 2 8 ，虽然下肢损伤并非致命性的，但它们通常是导致受伤人员致残的主要因 素，并给社会带来巨大的经济成本损失，因此研究车辆与行人相撞事故中行人下 肢的生物力学响应及损伤机理是汽车安全领域应优先考虑豹问题之一。对汽车与 行人碰撞事故中行人的损伤因素和损伤机理的碰撞生物力学问题的深刻理解是改 进汽车安全性的重要理论基础。通过对汽车与行人碰撞交通事故中行人下肢损伤 的分析研究，确定导致损伤的原因及其与汽车安全相关的因素。 本文改进了一个人体下肢的有限元模型，并用已有实验数据对此模型进行了 验证。运用此模型可对行人下肢的损伤生物力学问题进行研究。通过建立人体下 肢有限元模型来研究下肢的损伤机理，从而改进汽车安全设计，减少下肢损伤风 险，是世界汽车安全性领域持续研究且尚未彻底解决的科技问题，在我国则几乎 还是空白。因此本课题具有现实的经济和社会意义，可为我国行人安全的研究做 出一定的贡献。 1 2 研究历史及其现状 近些年，道路交通安全的研究重点已更多的关注到行人等路上弱势群体的保 护。特别是在中国这种混合交通道路的情形下，行人安全问题更为突出。行人受 伤害的风险大小取决于汽车韵碰撞速度、碰撞方向、与车的接触部位以及他本人 的体质诸如年龄、身高、体重等多方面的因素，它们之间的相互关联程度还需进 一步的研究。应用高水平的技术分析和对碰撞事故发生原因的深刻理解对加强行 人的安全保护有重要的意义。汽车工业界和研究机构的科研人员和医学专家花费 了数十年的时间搜集和分析相关的数据，发展技术解决方案，并进行相关研究。 从上世纪七十年代开始，研究人员广泛研究行人损伤机理、耐受限度、汽车 设计影响和防护对策。k r a m e r t l 】通过2 0 9 个实验研究分析了胫骨损伤与试件的机 械和生物属性、载荷、冲击点和冲击能量之间的联系。k a j z e r i l 3 1 4 j 通过实验研究 了行人下肢在侧向碰撞中的两种典型载荷形式：剪切和弯曲对行人下肢膝关节损 伤和长骨骨折的影响。b u n k e t o r p ”j 通过2 0 个实验研究了不同的汽车前部结构对 2 硕f ：学位论文 行人的下肢损伤的影响，研究发现可以通过改变保险杠的刚度和高度来达到保护 行人下肢的目的。n y q u i s t 1 6 等通过对胫骨的三点弯曲实验确定了胫骨骨折的耐受 限度。k e r r i g a n l l 7j 在k a j z e r 等人的研究基础上，应用人体膝关节进行了四点弯曲 实验，提出了膝关节损伤的耐受限度。这些尸体实验和其他的一系列实验提供了 下肢的损伤机理、生物材料属性、损伤标准和耐受限度的基本原理和信息。在这 些尸体实验的基础上，研究者们开发出了行人的假人模型和数学模型。 过去的几十年间，发展出了很多的数学模型，包括多刚体动力学和有限元的 模型。i s h i k a w a 等人【l8 j 用c r a s hv i c t i ms i m u l a t o r 建立了一个行人的多刚体模型。 并应用此模型分析了汽车前部结构对行人动力学运动学响应的影响。y a n g 1 9 】用 m a d y m o 建立了具有行人膝关节特点和可以模拟行人下肢的多刚体模型。模型 包括股骨骨节和膝关节中的重要韧带。但是，多刚体的模型不能反映损伤的细节 和应力应变等参数。同时，在碰撞事故研究领域也发展出了一些行人下肢的有限 元模型。y a n g 2 0 1 建立的行人下肢有限元模型包括股骨、胫骨和膝关节，模型的外 形较为简单，但其接触特性和模拟效率较好。模型通过验证分析表明此模型可预 测长骨的骨折风险和膝关节损伤风险。t a k a h a s h i 等【2 l 】根据v i e w p o i n td a t a l a b t m 的几何数据，应用p a m c r a s h 软件建立了下肢有限元模型，模型的骨骼通过了 单独的三点弯曲实验验证，整个模型的验证对比尸体实验数据。s c h u s t e r 2 2 1 、 u n t a r o i u 2 3j 等相继建立了下肢有限元模型，应用于车辆与行人的碰撞事故中下肢 损伤机理研究。 1 3 本课题研究重点 该课题以损伤生物力学、有限元方法与多刚体动力学为基础，结合事故调查 和计算机仿真分析研究方法，研究车辆与行人相撞的交通事故中行人下肢的损伤 机理，确定导致行人损伤的原因及其它与汽车安全相关的因素，并由此探索在车 辆与行人相撞的交通事故中行人损伤防护的方法和新途径。 本论文工作侧重于改进已建立的一个人体下肢的有限元模型，该模型可用来 对冲击载荷下的人体下肢的生物力学响应参数进行分析和研究。归纳起来，本论 文开展的研究工作包括： 1 ) 人体下肢损伤文献的研究，总结了人体下肢解剖结构、生物力学特征及其 运动范围的相关知识，计算机仿真研究方法及其在汽车被动安全研究中的应用， 分析人体下肢损伤研究的历史和现状、损伤现象、损伤机理及其研究方法； 2 ) 人体下肢有限元模型的建立：力学模型的处理、有限元单元的选择及网格 的划分、边界和载荷条件的确定；叙述建模理论动态有限元显式解法的基本概念， 阐述有限元人体下肢模型的建立原则和方法；分析人体下肢有限元模型各部分结 构的材料特性参数和生物力学响应参数； 午辆i 。z ，- 人碰掩中下肢动力学响j 越和损伤生物力学分析 3 ) 人体下肢有限元模型的验证：通过仿真实验用已有的试验数据对该模型的 有效性进行了分析与评价； 4 ) 模型的仿真研究及参数分析：利用验证后的模型对人体下肢运动过程的动 力学及运动学响应作分析；膝关节韧带损伤风险； 5 ) 应用验证的有限元模型对真实行人事故进行事故及下肢损伤重建以研究 下肢损伤，并提出长骨骨折的风险值。 6 ) 人体下肢损伤防护对策研究：在损伤机理和参数分析的基础上，初步探讨 碰撞事故中防止行人下肢损伤的相关对策。 1 4 本章小结 ( 1 ) 本章介绍了课题的研究背景和课题的主要研究重点。本论文工作侧重于 改进一个人体下肢的有限元模型，该模型可用来对冲击载荷下的人体下肢的生物 力学响应和基于参数分析对膝关节损伤进行风险评估以及对真实行人事故中下肢 的骨折进行损伤重建的分析和研究。 ( 2 ) 本章简单介绍了损伤生物力学的基本知识；介绍了行人下肢损伤的评估 标准和损伤耐受限度等相关内容。 ( 3 ) 描述了行人下肢损伤的研究历史和现状等。 4 硕上学位论文 第二章下肢损伤生物力学 人体下肢损伤生物力学研究是一个渐进发情的过程，早在十八世纪，研究者 就用人体下肢骨骼分析其耐受限度。以往的实验方法主要是取已死亡者的尸体和 骨骼做动静态试验，以确定不同性别和不同年龄的骨骼的生物力学：再后来人们 通过模拟汽车行人的碰撞事故中的一些典型碰撞过程来获取损伤生物力学特性 的认识，这与实验的行人事故是有区别的，而且由于缺乏详细的事故数据。现在 研究者们通过进行深入的事故调查，取得行人事故及碰撞过程的第一手资料，通 过整理分折并建立数据库，而后应用数学和力学工具来开展人体的损伤生物力学 研究。此类方法可分为多体动力学方法和有限元方法等。 2 1 人体下肢解剖结构 人体下肢按解剖学结构可分为骨骼系统和软组织系统【2 4 1 ，其主要组成部分如鼍 图2 1 所示。 厂下蒎带骨 髋骨o 岫b o n e ) l 骨骼系统j厂股骨( f 、l 髌骨a t c l l a ) llf 胫骨( t i b i a ) l 自由下驳骨 小照骨 l1 腓骨( l kr 跗骨妇眦s ) 足骨( f o o tb e s ) 跖骨( m c t 毅a r 钳5 ) l 趾骨 迸勰g 哟 f 皮肤( s k l a ) l 肌肉( m u s c l e ) 。， 软组织系统 血管( v e l n ) i 韧带s g a m e 【l ：) l 肌腱( t 嫩a o n ) r 靛关节( h i p j a i n ) 下载骨连接l 膝关节( h j o i n l ) l 踝关节( a n l d e j o i m 图2 1 人体下肢解剖学结构图 2 1 1 髋骨 髋骨为不规则的扁骨( 图2 2 ) 。是髋骨外面中央的环形关节窝，由髂、坐、 5 车辆与行人撕掩中下肢动力学响应和损伤生物力学分析 耻三块骨的体构成，与股骨头相关节，其底部中央粗糙，无关节软骨附着，称为 髋臼窝。窝的周围骨面光滑，附以关节软骨，叫做月状面。髋臼的前下部骨缘凹 入，叫髋臼切迹1 2 4 1 。 骨租瀣 外铡规銎 内铡视图 图2 2 髋骨【2 5 1 2 1 2 股骨 股骨是人体中最大的长管状骨，可分为一体两端( 图2 3 ) 。上端朝向内上方， 其末端膨大呈球形，叫股骨头，与髋臼相关节。头的中央稍下方，有一小凹，叫 做股骨头凹，为股骨头韧带的附着处。头的外下方较细的部分称股骨颈。颈与体 的夹角称颈角，约为1 2 0 l3 0 。颈体交界处的外侧，有一向上的隆起，叫做大 转子，其内下方较小的隆起叫做小转子。大转子的内侧面有一凹陷称为转子窝。 下端为两个膨大的隆起，向后方卷曲，分别叫做内侧髁和外侧髁。两髁的下 面和后面都有关节面与胫骨上端相关节，前面的光滑关节面接髌骨，称为髌面。 在后方，两髁之问有一深凹陷，叫做髁间窝。 大转予 乡 翦视图后视雷 图2 3 股骨2 5 1 6 阉嵴 硕上学位论文 2 1 3 髌骨 髌骨( 图2 4 ) 是人体内最大的籽骨，包埋于股四头肌腱内，为三角形的扁 平骨。底朝上，尖向下，前面粗糙，后面为光滑的关节面，与股骨的髌面相对， 参与膝关节的构成。 弦底垂直脊 瓤视圈后视图 图2 4 髌骨1 2 5 】 2 1 4 小腿骨 包括胫骨和腓骨，胫骨位于内侧，腓骨位于外侧，如图2 5 。胫骨，可分为 一体和两端。上端膨大，形成内侧髁和外侧髁，两髁之间的骨面隆凸叫做髁间隆 起。隆起前后各有一凹陷的粗糙面，分别叫做髁问前窝和髁间后窝。上端的前面 有一粗糙的隆起，叫做胫骨粗隆。外侧髁的后下面有一关节面，接腓骨小头，叫 做腓关节面。下端膨大，下面有与距骨相接的关节面，内侧有伸向下的骨突，叫 做内踝。外侧有与腓骨相接的三角形凹隐，叫做腓骨切迹。 腓骨位于小腿的外侧部，细长，分为一体和两端。上端膨大叫做腓骨小头。 小头内上面有关节面与胫骨上端外面的关节面相关节，小头下方缩细叫作腓骨颈。 下端也稍膨大，叫外踝。外踝的内面有呈三角形的关节面，和胫骨下端的关节面 共同构成关节窝，与距骨相关节。 肉嬲簇婀骨节外侧馥阍臂节 静视图后视图 图2 5 胫骨和腓骨【2 5 l 7 溺前区 车辆与行人碰撞中下肢动力学响心和损伤生物力学分析 2 1 5 足骨 足骨包括七块跗骨、五块跖骨和十四块趾骨三部分( 图2 6 ) 。跗骨属于短骨， 位于足骨近侧部，共7 块。可分为三列，即近侧列相叠的距骨和跟骨，中间列的 舟骨，远侧列的第1 3 楔骨和骰骨。跖骨为小型骨，位于足骨的中间部，共5 块，其序数自拇趾侧数起。每一跖骨都分为底、体和小头三部，第1 、2 、3 跖骨 底分别与第l 、2 、3 楔骨相关节，第4 、5 跖骨底与骰骨相关节。小头与第l 节( 近 节) 趾骨底相关节。趾骨共14 块，形状和排列与指骨相似，但都较短小。 上视躅下视图 图2 6 足骨【2 5 1 关节 2 2 下肢的运动学 人体下肢的主要运动力学功能是行走、支撑整个身体质量。从而决定了下肢 的关节即要有一定的灵活性，又具有较强的稳定性。各下肢骨由韧带关节囊相连， 这些连接结构提供内源性稳定，而肌肉则提供外源性支持。 人体下肢的基本运动可以分为：曲伸、翻转和旋转，如图2 7 所示： 舜愈 f 1e x i o ne x t e n s io na b d u c t i o n 弯曲伸展外翻 e x t e r n a li n t e r n a l i o nr o r a t i o nr o t a t i o n 外旋内旋 图2 7 人体下肢的基本运动【2 6 1 人体下肢的运动范围是指人体下肢生理活动的运动幅度，主要利用x 射线检 硕士学位论义 测装置和双平面立体光学检测仪来测量。其大小受到多种因素的制约，性别，年 龄的差异都会影响到下肢的运动范围。表2 1 列出了不同人体主要关节的活动范 围，可以看出在正常情况下各关节的活动范围相差较大。 表2 1 人体下肢的运动范围 运动5 0 百分位男子5 百分位女子老年人 关节 情况 0l0201020102 曲伸 11 0 1 0 l1 613 9 5 5 髋关二竹翻转2 94 131 4 5 2 23l 旋转2 52 53 23 21 91 9 膝关节曲伸0一l1 001 1 0一39 5 踝关节背曲 2 03 02 13 3l82 7 从生物力学角度分析，人体行走主要依靠下肢的曲伸运动，其运动范围较大。 而其翻转与旋转的运动情况较少，其运动范围相对也较小。但在行人碰撞事故中， 人体下肢通常受到侧向冲击载荷，其翻转是主要的运动形式。关节是运动的主体， 下面从生物力学角度分析下肢主要关节的生物解剖结构和运动形式1 27 1 。 2 2 1 髋关节 髋关节由股骨头与髋臼相对构成，属于杵臼关节( 图2 8 ) 。髋臼内仅月状面 被覆关节软骨，髋臼窝内充满脂肪，可随关节内压的增减而被挤出或吸入。在髋 臼的边缘有关节盂缘附着。在髋臼切迹上横架有髋臼横韧带，并与切迹围成一孔， 有神经、血管等通过。关节囊厚而坚韧，上端附于髋臼的周缘和髋臼横韧带，下 端前面附于转子间线，后面附于转子间嵴的内侧( 距转子间嵴约1 厘米处) 。因此， 股骨颈的后面有一部分处于关节囊外，而颈的前面则完全包在囊内。 兹视图 图2 8 髋关节2 5 1 9 后援瞄 下辆。j 行人碰撞中下肢动力学响心和损伤生物j 学分析 2 2 2 膝关节 膝关节( 图2 9 ) 由股骨内、外侧髁和胫骨内、外侧髁以及髌骨构成，为人 体最大且构造最复杂，损伤较多的关节。 关节囊较薄而松弛，附着于各关节软骨的周缘。关节囊的周围有韧带加固。 前方的叫髌韧带，是股四头肌肌腱的延续( 髌骨为该肌腱内的籽骨) ，从髌骨下端 延伸至胫骨粗隆，在髌韧带的两侧，有髌内、外侧支持带，为股内侧肌和股外侧 肌腱膜的下延，并与膝关节囊编织在一起。后方有胭斜韧带加强，由半膜肌的腱 纤维部分编入关节囊所形成；内侧有胫侧副韧带，为扁带状，起自内收肌结节， 向下放散编织于关节囊纤维层；外侧为腓侧副韧带，是独立于关节囊外的圆形纤 维束，起自股骨外上髁，止于腓骨小头。 前视图后视图 图2 9 膝关节2 5 】 由于股骨内、外侧髁的关节面呈球面凸隆，而胫骨髁的关节窝较浅，彼此很 不适合，在关节内，生有由纤维软骨构成的半月板 图2 10 ) 。半月板的外缘较 厚，与关节囊紧密愈着，内缘薄而游离；上面略凹陷，对向股骨髁，下面平坦， 朝向胫骨髁。内侧半月板大而较薄，呈“c ”形，前端狭窄而后份较宽。前端起于 胫骨髁间前窝的前份，位于前交叉韧带的前方，后端附着于髁间后窝，位于外侧 半月板与后交叉韧带附着点之问，边缘与关节囊纤维层及胫侧副韧带紧密愈着。 外侧半月板较小，呈环形，中部宽阔，前、后部均较狭窄。前端附着于髁间前窝， 位于前交叉韧带的后外侧，后端止于髁间后窝，位于内侧半月板后端的前方，外 缘附着于关节囊，但不能腓侧副韧带相连。 1 0 硕上学位论文 胫骨上 髌韧带卢。 二 碌关节内部 图2 1 0 膝关节半月板 半月板具有一定的弹性，能缓冲重力，起着保护关节面的作用。由于半月板 的存在，将膝关节腔分为不完全分隔的上、下两腔，除使关节头和关节窝更加适 应外，也增加了运动的灵活性，如屈伸运动主要在上关节腔进行，而屈膝时的轻 度的回旋运动则主要在下腔完成。此外，半月板还拥有一定的活动性，屈膝时， 半月板向后移，伸膝时则向前移。 2 2 3 足骨的连接 足骨的连接包括踝关节，跗骨间关节，跗跖关节，跖趾关节及趾间关节5 种。 踝关节是最主要的结构。 踝关节( 图2 1 1 ) 由胫、腓骨下端的关节面与距骨滑车构成，故又名距骨小 腿关节。胫骨的下关节面及内、外踝关节面共同作成的“门”形的关节窝，容纳距 骨滑车( 关节头) 。由于滑车关节面前宽后窄，当足背屈时，较宽的前部进入窝内， 关节稳定。 图2 1 1 踝关节 车辆。j 行人碰掩中下肢动力学响肫和损伤生物力学分析 2 3 骨组织与力学特性 骨组织由骨细胞、有机质的无机盐日组成。有机质占总质量的1 3 ，主要是 骨胶原纤维和少量的粘蛋白，骨胶原纤维平行排列成束，借助粘蛋白粘合在一起， 它们形成网状结构，使骨有很大的弹性和韧性。骨胶原纤维具有良好的塑性，位 长时的延伸率可达到2 0 以上。无机盐占重量的2 3 ，主要成分为羟磷灰石，分 子式是3 c a ( p 0 4 ) 2 c a ( o h ) 2 ，它们是一些检微小的颗粒( 长约2 0 n m ，横载面积约 为2 5 n m 2 ) ，是骨质坚硬的主要因素。无机盐晶体牢固地贴附在纵向平行排列的 片状骨胶原纤维上，就形成一片片的骨板；若贴附在互相交错的胶原纤维上，则 形成棒状骨小梁。，由于骨胶原纤维中存在有大量的无机盐晶体，使骨组织既有较 好的弹性和韧性，又有较大的强度和刚度，成为抗压的支柱。 骨表面有骨膜，它具有缓和受力状态，使受力均匀的作用。骨内部的骨髓腔， 从受力构件来说，也是合理的结构。人体全身的2 0 6 块骨头，都是由密质骨和松 质骨构成。密质骨由整齐排列的板状骨板构成，致密坚硬，强率，刚度大；松质 骨由棒状骨小梁互相交错，不规则排列而成，类似于工程上的桁架结构，能承受 较大的弹性变形能力。 骨骼在受到不同形式的载荷后的弯形可分为拉伸与压缩、剪切、扭转和弯曲 等几种基本变形形式或这个几种基本变形的复合，称得合变形。以下是几种骨的 力学性能介绍： 1 轴向拉或压截面上的应力 骨骼在一对大小相等、方向相反的轴向外力作用下，发生沿骨的轴线方向的 伸长或缩短的变形。 下面分折在不垂直于轴线的斜截面上的应力状态，以受拉股骨为例，如图2 1 2 所示。设斜截面k k 的垂线方向与p 的交角为0 ，斜截面积比横截面增大，应力 减少，但这里既有正应力，又有切应力。0 = 0 0 时的截面为横截面，正应力t 3 为最 大值；0 = 4 5 0 时的斜截面上，切应力为最大，切应力和正应力的值扛都等于横断 面上正应力的一半。 p k p 图2 1 2 斜截面上的应力1 3 0 l 1 2 p p 硕士学位论文 2 拉伸时的应力应变曲线 长骨状骨的拉伸实验时，载荷由零缓缓增加( 加力速度很慢) ，试件慢慢伸长， 直至断裂，在拉伸过程中的载荷p 和对应的伸长量v l 之间关系可画出p v l 曲线。 为了消除尺寸的影响，可改用应力6 和应变为坐标轴，则位伸曲线可改画成a 曲 线，称为应力应变曲线，图2 1 3 所示为三种材料的o - 曲线。由图可知，湿润骨 ( 骨干) 的o 曲线有近似直线部分，说明应力与应变近似成正比，直线的斜率 k = g 表示了这种材料的刚度，即材料的弹性模量e 的a 吨曲线的线性段( 图示中 的o a 段) ，就是适合胡克定律的弹性阶段，若在该阶段卸载，材料将恢复原来形 状，不产生永久变形。若继续加载，超过了材料的屈服点( 图示中的a 点) ，则 到达了材料的非弹性( 塑性) 阶段，出现永久变形。骨骼的塑性区很短，若再继 续加载，骨骼将在极小的永久变形下发生断裂。断口截面在横截面上。图示中的 b 点表示材料的断裂点，对应的纵坐标为材料的极限应力( 称为强度极限) ，横坐 标) 0 b 为断裂时的应变( 延伸率) ，湿润骨( 骨干部) 的延伸率很小，e = 1 4 ， 干骨更小，e 图2 1 4 弯曲( a ) 、侧面( b ) 横截面上的应力、( e ) - - - 点弯曲试验 中间有一层，纵向纤维既不伸长，又不缩短，这一屋称为中性层，图2 1 4 ( a ) 中的阴影部分表示为中性屋，在中性层上既无拉应力又无压应力，离中性层最远 的边缘屋，拉、压应力值最大。如果梁的中性层是对称平面，而且抗拉与抗压的 1 4 硕上学位论文 弹性模量相同，那么两边缘的拉应力和压应力的值相等。图示2 1 4 ( b ) 表示弯曲正 应力在横截面上的分布规律。对骨骼来说，中性层并非对称平面，而且抗拉与抗 压的弹性模量不同，帮两边缘的拉应力和压应力并不相等。 骨骼作弯曲强度试验时，常用三点弯曲试验方法，如图2 1 4 ( e ) 所示。图中a 、 b 两点为支点，中间p 点为力作用点，图中y 形表示断裂纹。骨骼将在中间受力 点处破坏，因为中间的弯矩最大。破坏形状呈y 形斜断面裂纹形状。当材料的抗 拉强度小于抗压强度时，破裂是先从拉抻一侧开始，裂口呈横型拉断，然后在压 缩一侧开始斜型剪断，此种为典型的脆性材料的破坏方式。这是由于在梁横截面 有切应力，当外侧被拉断后，受力面积减少，切应力相应增大，因此最后被剪断。 衡量骨骼抵抗弯曲变形能力的刚度指标常用刚性系数和韧性系数来表示。 5 扭转 当杆件两端的横截面上作用着一对与横截面平行、大小相等、方向相反的力 偶时，杆件会引起扭转变形，杆的任意两横截面会绕轴线发生相对转动。圆杆扭 转变形时，杆横截面上的任一处都存在着切应力，横截面上的切应力分布与中性 轴的距离成正比，如图2 1 5 所示。最大切应力发生在圆截面的边缘上。在包含中 央轴线的纵剖面上也发生切应力，其两侧的切应力方向相反，其数值与各处到中 央轴线的距离成正比，边缘处的切力最大，与横截面上的最大切应力相同。最大 切应变发生在圆杆的外表面上，而最大接应力和最大压应力发生在与中性轴成4 5 0 方向的斜截面上。因此，骨骼的受扭断裂，首先出现与中性轴平行的短裂纹，表 示剪切破坏，随后沿着最大们应力的平面发生断裂骨折，断口都在4 5 0 螺旋型。 图2 1 5 圆杆扭转时横截面上的切应力分布规律 2 4 下肢损伤机理和耐受限度 当发生行人碰撞事故时，外部载荷通过与车辆前部接触传递到人体下肢上。 当生物力学响应使人体下肢的变形超过了人体下肢的损伤耐受度时，就会导致下 肢生物组织的损伤和正常生理功能的破坏。 下肢的主要的损伤包括长骨受载荷超出其组织的弹性极限而造成的骨折损伤 车辆。j 行人碰掩中下肢动力学响应和损伤生物力学分析 以及膝关节的软组织的损伤。在汽车与行人交通事故中，保险杠和发动机罩前缘 是导致下肢损伤的主要部件( a p p e le ta 1 ，1 9 7 5 ；a s h t o n ，1 9 7 8 ) 1 2 8 j 。如图2 1 6 所示， 通常行人在碰撞事故中造成的损伤通常有：膝关节损伤( 包括股骨骨节骨折和胫 骨骨节骨折、髌骨骨折、韧带撕裂和拉伤) 、长骨骨折、踝关节与足错位等。下面 分别给出基于尸体实验下肢各个部位的损伤机理的论断。通过这些实验，可以评 价长骨骨折、骨节骨折和韧带撕裂这样的明显的损伤i i 6 。 图2 1 6 行人下肢的主要损1 ，i 2 4 1 大腿损伤 在前碰撞中，大腿骨骨折主要是由于因膝部受力而引起的大腿骨轴向受力而 造成的。由于大腿骨的形状，轴向受力引起了可以导致骨折的局部弯曲载荷。 在行人碰撞事故中，大腿的损伤主要是由于股骨撞击发动机罩前端产生股骨 弯曲变形而导致的。 2 4 2 膝部损伤 膝关节的损伤主要原因是因为车辆保险杠与膝部碰撞时膝部承受的冲击力引 起的，包括股骨骨节和胫骨骨节骨折，韧带的撒裂等。图2 1 7 展示了关于膝关节 中剪切力和弯矩的传递模型。在碰撞中，膝关节附近经常是汽车与腿部的碰撞部 位，由于股骨动力响应的延迟，膝关节面将产生切向错位，将导致膝关节韧带结 构的拉伸以及股骨节和胫骨髁间隆起产生集中接触力，接触力将使膝关节产生对 切向错位的阻抗。接触力将导致内侧股骨节与胫骨髁间隆起接触面之间的应力集 中。当应力超过其耐受限度时，股骨隆问起将发生骨折和( 或) 股骨软骨出现失 效。 当膝关节受侧面弯曲载荷时，( m c l ) 被拉应力所拉伸，由于其与骨髁接触， 压应力将产生与关节面的接触部位。由于膝关节的弯曲旋转时产生的应力使膝关 节韧带产生损伤。在此时，膝关节的内侧和外侧都将产生应力集中，由于韧带的 最终拉伸极限强度小于骨骼的强度而首先出现失效现象。在r a m e t 的准静态实验 中，通过研究2 0 个实体实验的结果表明膝关节内部损伤最早会出现在膝关节侧向 1 6 硕l ：学位论文 剪切位移约为1 2 m m 时。但由于实验中并未对膝关节预加载，所以影响到结果的 准确性。弯曲实验中膝关节损伤最早发生于平均弯曲角度约18 9 0 【2 9 1 。在k a j z e r 的实验中，当预加载荷的人体膝关节暴露于弯曲载荷条件下时，膝关节出现两种 最常见的初始损伤：膝关节的平均侧向弯曲角度大于1 5 度时