黃建松 李政年

(海軍醫(yī)學(xué)研究所，上海 200433)

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人體胸腰椎體幾何學(xué)測量及生物力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)研究

黃建松*李政年

(海軍醫(yī)學(xué)研究所，上海 200433)

研究水下爆炸產(chǎn)生的艦船沖擊載荷導(dǎo)致艦船人員脊柱損傷的生物力學(xué)特性。分別從10具健康成年男性尸體上截取完整的胸腰椎，然后剔除不需要的軟組織，并從胸、腰椎上仔細(xì)分離出各個自由椎體，對每個椎體上下兩個端面處理后進(jìn)行靜態(tài)和動態(tài)壓縮試驗(yàn)研究。從胸椎T1至腰椎 L5，隨著椎體在脊柱位置上的下降，椎體的橫截面積和體積逐漸增加，每個椎體所承受的動態(tài)和靜態(tài)壓縮破壞載荷也逐漸增加。計算動態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度與靜態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度的比值，胸椎平均為1.51，腰椎平均為1.46。胸腰椎體面積和體積與其所本身所能承受的載荷變化趨勢與人體承載能力的規(guī)律相一致，它反映了艦船沖擊載荷造成船員胸腰椎損傷的機(jī)制及其損傷特性。

水下爆炸；艦船沖擊運(yùn)動；損傷生物力學(xué)；胸腰椎體

引言

人員可能暴露于各種各樣的極端載荷環(huán)境下，如飛行員應(yīng)急彈射、直升機(jī)墜毀、地雷爆炸、水下爆炸等，這些沖擊事件的共性都是具有較高的垂向加速度，產(chǎn)生的垂向沖擊載荷可能導(dǎo)致人員嚴(yán)重傷亡，其中脊柱損傷現(xiàn)象尤其常見。然而，不同的沖擊環(huán)境造成的人體損傷類型、損傷位置及程度等是不相同的[1-4]。對于水下爆炸事件來說，水下爆炸產(chǎn)生劇烈的水下沖擊波，引起整個艦船發(fā)生強(qiáng)烈的沖擊運(yùn)動，對艦船上的人員造成嚴(yán)重的沖擊傷害[5-7],這種類型的損傷被稱為艦船沖擊傷。與其他沖擊環(huán)境相比，艦船沖擊環(huán)境的典型特征是加速度極其高，高達(dá)上千個g(g為重力加速度，其單位為9.8 m/s2)和脈沖作用時間極其短(幾毫秒至十幾毫秒)。當(dāng)坐姿人體遭受的沖擊載荷過大時，可能損傷脊椎本身及內(nèi)部神經(jīng)等。研究表明，當(dāng)沖擊加速度達(dá)到20g時，可能導(dǎo)致脊柱出現(xiàn)胸椎前唇骨折、脊髓損傷、內(nèi)臟出血等嚴(yán)重?fù)p傷現(xiàn)象。椎體損傷的風(fēng)險可以通過載荷條件和椎體承受載荷能力的函數(shù)關(guān)系來確定,人體脊椎對艦船沖擊耐受性很大程度上是由脊椎本身的幾何學(xué)結(jié)構(gòu)和生物力學(xué)特性所決定的。人體組織的生物力學(xué)耐受性通常是通過人體尸體標(biāo)本的試驗(yàn)來獲得。試驗(yàn)是獲取信息的最直接方法，本研究通過人體胸腰椎段的幾何學(xué)測量及其生物力學(xué)特性試驗(yàn)研究，探索水下爆炸引起的沖擊載荷造成人體脊椎沖擊損傷的機(jī)制和特點(diǎn)，為進(jìn)一步開展人體沖擊防護(hù)研究等提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料及處理

實(shí)驗(yàn)材料來自10例健康成年男性尸體，經(jīng)檢查脊柱無病變，年齡在(26.1±3.2)歲之間，體重為(67.8±5.0)kg。從尸體上取出完整的胸、腰椎(保留骶棘肌、周圍韌帶及椎體兩側(cè)5 cm以上的肋骨、軟組織)，并將材料裝入塑料袋內(nèi)，密閉保存在-20℃冰柜內(nèi)。

實(shí)驗(yàn)前對標(biāo)本進(jìn)行如下處理：

1)實(shí)驗(yàn)前2～3 h，將骨骼從冰柜中取出并在室溫下自由解凍；

2)剔除不需要的軟組織，從胸、腰椎上仔細(xì)截取各個自由椎體(T1～T12，L1～L5)；

3)使用自凝牙托粉、牙托水等作填充劑，將椎體兩端制成互相平行且與受力方向垂直的兩個固定平面。

1.2 參數(shù)測量與計算

利用量尺分別測量并記錄各個椎體的長軸半徑(a)、短軸半徑(b)、椎體的上邊緣寬度(c)、下邊緣寬度(d)、椎體的平均高度(h)。

每一個分離出來的胸椎和腰椎體的上、下兩個面的橫截面積(S)和每個胸椎和腰椎體的體積(V)可通過以下公式分別計算，有

(1)

(2)

式中，π=3.1416。

取同一個胸椎和腰椎體上、下兩個橫截面積的平均值作為該椎體的橫截面積。根據(jù)式(1)、(2)，分別計算得到每個分離胸椎(T1～ T12)、腰椎(L1～ L5)椎體節(jié)段的相應(yīng)橫截面積和體積，如表1所示。

表1 胸腰椎體節(jié)段的面積、體積±SD)

1.3 靜態(tài)壓縮強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)

每個椎體上、下端面分別進(jìn)行平面處理后，隨機(jī)將處理后的標(biāo)本分成兩組，選擇其中一組的5具尸體的胸椎、腰椎，對制作好的測試試件進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮性能測試實(shí)驗(yàn)。在靜態(tài)壓縮試驗(yàn)中，采用多功能材料測試機(jī)對每個椎體分別進(jìn)行壓縮測試實(shí)驗(yàn)，根據(jù)研究人體承受載荷的力學(xué)特性確定壓縮應(yīng)變率為1.4 mm/min，并取實(shí)驗(yàn)曲線的極限載荷作為該椎體的靜態(tài)壓縮破壞載荷。

1.4 動態(tài)壓縮強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)

選擇另外一組的5具尸體的胸椎、腰椎，對制作好的測試試件進(jìn)行動態(tài)壓縮性能測試實(shí)驗(yàn)。在動態(tài)壓縮試驗(yàn)中，采用落錘類型的沖擊試驗(yàn)機(jī)，并根據(jù)沖擊載荷的強(qiáng)度確定沖擊速度約為2.5 m/s，對各個椎體依次進(jìn)行沖擊壓縮測試實(shí)驗(yàn)。取材料加速度響應(yīng)曲線的第一峰值作為該受試椎體的動態(tài)壓縮破壞載荷。

2 結(jié)果

2.1 椎體靜態(tài)和動態(tài)壓縮試驗(yàn)結(jié)果

通過靜態(tài)和動態(tài)壓縮試驗(yàn)，分別得到胸腰椎體(T1～ T12，L1～ L5)的靜態(tài)和動態(tài)試驗(yàn)載荷，如表2所示。在表2中，動荷系數(shù)的值是根據(jù)同一椎體的動態(tài)載荷除以靜態(tài)載荷計算得到的。試驗(yàn)結(jié)果表明，椎體動載值與靜載值之間的差異十分明顯，動載顯著高于靜載，具有統(tǒng)計學(xué)顯著性(P<0.05)。胸椎的動荷系數(shù)高于腰椎的動荷系數(shù)。

2.2 椎體面積和體積分析

根據(jù)測量得到的數(shù)據(jù)，將各個椎體節(jié)段的面積、體積數(shù)據(jù)，從T1到L5，在一幅圖上分別繪制出胸、腰椎體的面積、體積變化趨勢柱狀圖，如圖1所示。在圖1中，胸椎體(從T1至T12)的橫截面積從495 mm2逐漸增加到1 121 mm2；腰椎體(從L1至L5)的橫截面積從1 276.08 mm2均勻增加到1 627.08 mm2；一般而言，同一椎體的上部平面的橫截面積略小于下部平面，但無顯著性差異。胸椎體(從T1到T12)的體積變化從26.34 cm3逐漸增加到50.08 cm3；腰椎體(從L1至L5)的體積變化從66.10 cm3均勻增加到80.50 cm3； 從胸、腰椎整體結(jié)構(gòu)面積和體積(從T1到L5)變化趨勢上看，隨著椎體在脊柱上的位置逐漸下降，椎體的面積和體積均相應(yīng)逐漸增大。

表2 胸腰椎體的靜態(tài)和動態(tài)試驗(yàn)載荷±SD)

3.2 椎體靜態(tài)和動態(tài)破壞強(qiáng)度分析

將測試得到胸腰椎體靜、動態(tài)破壞載荷的變化趨勢繪制成柱狀圖，如圖2所示。在圖2中，從T1至T12，靜態(tài)破壞載荷從3 311 N 增加到7 413 N，動態(tài)破壞載荷從5 166 N增加到10 584 N；從L1至L5，靜態(tài)破壞載荷從7 634 N 增加到 9 920 N，動態(tài)破壞載荷從11 145 N增加到14 720 N。其中T1至T3的變化趨勢比較緩慢；L5比L4略有下降?？傮w來說，不論是動態(tài)載荷還是靜態(tài)載荷，從T1到L5其壓縮破壞載荷總體變化趨勢是逐漸增大的。

圖1 胸、腰椎體的面積、體積變化趨勢Fig.1 Thoracolumbar vertebrae areas and volumes trends

圖2 胸、腰椎體的靜態(tài)和動態(tài)載荷變化趨勢比較Fig.2 Thoracolumbar vertebrae break loads trends

在動態(tài)和靜態(tài)測試中，同一部位的胸、腰椎體承受的動態(tài)與靜態(tài)壓縮破壞載荷值之間的差異是十分顯著的(P<0.05)。胸椎的動荷系數(shù)平均值是1.51，腰椎的動荷系數(shù)平均值是1.46。胸、腰椎體的動載荷值顯著高于靜載荷值50%左右。胸椎與腰椎之間的動荷系數(shù)無顯著性差異(P>0.05)。如果將每個胸、腰椎的壓縮破壞靜載荷與動載荷分別除以各自椎體的橫截面積，就可以得到各個椎體在單位橫截面積上的應(yīng)力值，將計算結(jié)果繪制在圖3中。

圖3 椎體單位橫截面積上的靜態(tài)與動態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度變化趨勢比較Fig.3 Thoracolumbar vertebrae stress trends

在靜態(tài)載荷作用下，胸椎(T1～T12)上的應(yīng)力強(qiáng)度平均值大約在6.37 N/mm2，腰椎(L1～L5)上的應(yīng)力強(qiáng)度平均值大約在6.14 N/mm2，兩者基本上相近，無顯著性差異。在動態(tài)載荷作用下，胸椎上的應(yīng)力強(qiáng)度平均值大約在9.60 N/mm2，腰椎上的應(yīng)力強(qiáng)度平均值大約在9.00 N/mm2，兩者也無顯著性差異。在動態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度與靜態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度的比值，胸椎平均為1.51，腰椎平均為1.46，它反映了胸、腰椎抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律性。這剛好可以說明椎體所能承受的壓縮破壞強(qiáng)度和壓縮應(yīng)力大小與椎體本身的幾何結(jié)構(gòu)尺寸大小是完全一致的，也就是說，胸、腰椎體的壓縮強(qiáng)度變化與椎體結(jié)構(gòu)本身的橫截面積、體積變化情況是完全相關(guān)的。

3 討論

從20世紀(jì)50年代以來，有許多研究人員對分離的胸椎、腰椎體開展了軸向壓縮特性試驗(yàn)。Ruff報道胸椎和腰椎體(從T8到L5)的屈服載荷從5 800 N增加到10 500 N[8]。Yamada提出T1到 L5的破壞載荷從3 622N 增加到7 147 N[9]。Gozulov等報道在準(zhǔn)靜態(tài)載荷條件下T1到 L5的壓縮破壞載荷范圍從4 650 N 到12 611 N[10]。本研究獲得的胸腰椎體(T1～L5)壓縮載荷變化范圍則從3 311 N 到9 920 N。在圖4中，繪制了上述研究人員的部分研究結(jié)果，其中Huang表示本研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖4 (準(zhǔn))靜態(tài)載荷作用下胸腰椎體破壞載荷研究結(jié)果比較Fig.4 Thoracolumbar vertebrae break strength under static compression load

在T1至L1范圍內(nèi)，Huang的數(shù)據(jù)與Yamada的數(shù)據(jù)非常接近；從T3至L5范圍內(nèi)，Huang的數(shù)據(jù)與Ruff的數(shù)據(jù)比較吻合。為什么不同的研究人員卻得到不完全相同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果呢？這是由于許多研究主觀、客觀的因素造成的，主要包括實(shí)驗(yàn)室技術(shù)條件(例如測試儀器、記錄器等)、標(biāo)本材料本身的個體差異性(例如人種、年齡、性別、體重、標(biāo)本數(shù)量等)、受試材料的處理方法(新鮮的/防腐處理的等)、實(shí)驗(yàn)加載條件(如載荷-應(yīng)變率不同、沖擊速度等)等綜合因素的影響。例如，Kazaria對分離椎體進(jìn)行動態(tài)軸向壓縮實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在低應(yīng)變率(0.09 mm/s)時，T10～T12的極限載荷是5 600 N，在高應(yīng)變率(900 mm/s)時，極限載荷增加到8 900 N[11]，即應(yīng)變率增大椎體抗壓載荷也相應(yīng)增大。

人體承受垂向沖擊的耐受能力很大程度上取決于人體重力支持系統(tǒng)結(jié)構(gòu)所能承受的最大壓縮載荷大小，而人體脊椎的抗壓特性又與脊椎本身的幾何結(jié)構(gòu)特性等密不可分的。本研究通過測量人體胸、腰椎的各個椎體節(jié)段的橫截面積、體積，以及各個椎體的靜態(tài)和動態(tài)載荷特性實(shí)驗(yàn)研究，分析驗(yàn)證了椎體的幾何結(jié)構(gòu)特性確實(shí)與各個椎體在整個脊柱上所處的位置以及實(shí)際承受的負(fù)荷是高度相關(guān)聯(lián)的。胸、腰椎的靜載荷與動載荷及單位橫截面積上的應(yīng)力值與各個椎體本身的結(jié)構(gòu)幾何尺寸參數(shù)是完全一致的。

4 結(jié)論

沖擊加速度對人體的影響研究主要包括水平和垂向沖擊對坐姿和立姿人體的沖擊研究，主要研究方法是尸體標(biāo)本和流行病學(xué)研究兩類。在現(xiàn)實(shí)中，垂向沖擊載荷對人體的影響為椎體的軸向壓縮和彎曲力矩作用。由于人體的動力特性，峰值載荷傳遞到人體組織與沖擊加速度幅值、脈沖作用時間、人體的固有頻率等有關(guān)。

本課題針對水下爆炸引起的艦船垂向沖擊運(yùn)動對艦員胸腰椎損傷的影響，采用的實(shí)驗(yàn)標(biāo)本是從健康成年男性尸體上獲取的新鮮的、未經(jīng)防腐劑處理的胸腰椎體。選擇的靜態(tài)變形速率和動態(tài)沖擊速度等參數(shù)也是根據(jù)艦船沖擊載荷的波形特點(diǎn)來確定的。盡管離體材料與在體材料之間存在一定差異，但通過離體試驗(yàn)可以獲取諸如幾何學(xué)特性(如椎體的面積、體積)、力學(xué)特性(如極限強(qiáng)度、疲勞破壞)等表達(dá)脊椎特性的基本數(shù)據(jù)。為使離體研究結(jié)果更接近在體，本實(shí)驗(yàn)中特別選擇比較接近符合實(shí)驗(yàn)要求的10例健康男性的尸體作為實(shí)驗(yàn)測試標(biāo)本，并在試驗(yàn)時模擬在體時的各個椎體實(shí)際受力狀態(tài)。由于目前缺少胸腰椎在體垂向壓縮破壞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，因此本研究所提供的離體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為水下爆炸沖擊導(dǎo)致的艦船人員脊椎損傷研究提供科學(xué)的解釋和支撐，也為脊椎生物力學(xué)模型研究提供必要的物理參數(shù)，還將為人體脊椎沖擊損傷防護(hù)等提供重要的指導(dǎo)和幫助。

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Geometry Measures and Biomechanical Property Tests on Human Thoracolumbar Vertebrae

Huang Jiansong*Li Zhengnian

(NavalMedicalResearchInstitute,Shanghai200433,China)

underwater explosion; ship shock motion; injury biomechanics; thoracolumbar vertebrae

10.3969/j.issn.0258-8021. 2015. 05.016

2014-05-30， 錄用日期:2015-04-10

中國博士后科學(xué)基金(20100481495)

R318.01，R826.68

D

0258-8021(2015) 05-0629-05

*通信作者(Corresponding author)， E-mail: hynar@163.com