生物醫學工程理論與實踐/生物力學 III

頭部/頸部力學

頭部損傷機制

頭部損傷主要有三種類型，由直接衝擊或直接高加速度引起。

1. 腦損傷：腦損傷可分為瀰漫性損傷和局灶性損傷。瀰漫性損傷是由於整個大腦的高加速度導致，可引起從輕微腦震盪到瀰漫性軸索損傷，這通常與剛性平面或半鈍性物體撞擊有關。局灶性損傷是由直接衝擊到大腦區域性區域造成的，從輕微的挫傷（瘀傷）到大腦的直接穿透，這通常與鈍性或銳性物體撞擊有關。
2. 顱骨骨折：顱骨骨折可由直接衝擊引起。顱骨骨折可由兩種不同的衝擊負荷機制引起。
   1. 與平面表面衝擊，產生線性型骨折
   2. 與鈍性物體衝擊，產生區域性凹陷性骨折
3. 面部撕裂傷：面部區域的骨骼和軟組織結構都非常複雜。主要的骨骼組是顴骨，構成眼睛周圍的骨骼結構和鼻腔、上頜骨，形成上頜骨和下頜骨，形成下頜骨。面部骨折是由平面板和鈍性物體直接衝擊造成的，通常發生在沿著薄弱部位的特定位置。下頜骨單純骨折的 AIS 得分為 1，上頜骨和顴骨的骨折得分為 2，複雜骨折得分為 3。

頭部損傷最常見的引數是加速度。頭部能夠承受較高的加速度，但持續時間較短，任何超過損傷閾值的暴露都會變得嚴重。Gadd 在 1961 年提出了嚴重性指數，現在被稱為 Gadd 嚴重性指數 (GSI)： ${\mathit {S}}{\mathit {I}}=\int _{0}^{t}a(t)^{2.5}dt$

其中 a 是頭部瞬時加速度，T 是脈衝持續時間。如果積分值超過 1000，將導致嚴重損傷。 Versace 提出了 GSI 的修改形式，現在被稱為頭部損傷標準 (HIC)。其定義為

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

其中 t₁ 和 t₂ 是 HIC 達到最大值的區間內的初始時間和最終時間（以秒計），加速度 a 以 g（標準重力加速度）為單位。還要注意 HIC 的最大持續時間，t₂ – t₁，限制在 3 到 36 毫秒之間的特定值， 通常為 15 毫秒。

表。MTBI 的耐受性估計

變數	耐受性估計（損傷機率）
	25%	50%	75%
HIC	136	235	333
線性加速度 (m/sec2)	559	778	965
角加速度 (rad/sec2)	4384	5757	7130
最大主應變，ε (%)	25	37	49
最大主應變率，dε/dt (sec−1)	46	60	79
ε · dε/dt (sec−1)	14	20	25

來源：King, A.I., Yang, K.H., Zhang, L. 等人。2003 年。頭部損傷是由線性加速度還是角加速度造成的？在 Bertil Aldman 講座中，2003 年國際 IRCOBI 衝擊生物力學會議論文集，第 1-12 頁，

頸部損傷機制

頸部從顱骨底部（寰椎）到第七節椎骨，稱為 C-1 到 C-7，並連線到胸椎（上背部）。脊柱包含大約二十四個相互連線的、形狀奇特的骨骼片段，以及一些稱為椎骨的透明軟骨。脊柱保護脊髓（一束神經組織）。甲狀軟骨的隆起被稱為“喉結”，是一個明顯的外部頸部特徵。喉結在男性中更為明顯，因為軟骨以 90 度角相遇；在女性中，角度通常為 120 度。由於頸部結構複雜，頸部損傷機制多種多樣。

1. 張力-屈曲損傷
2. 張力-伸展損傷
3. 壓縮-屈曲損傷
4. 壓縮-伸展損傷
5. 涉及側彎的損傷

對於屈伸建模，頸部損傷標準建模由 Alderman 於 1986 年開發。基於壓力效應模型的頸部損傷標準 (NIC) 於 1996 年開發。椎間頸部損傷標準 (IV-NIC) 基於以下假設：超過生理極限的椎間運動可能會損傷頸部軟組織。基於以下假設：後方碰撞的頸部保護標準應考慮載荷和力矩的線性組合，於 2002 年提出了一個名為 Nkm 的新標準。

人體頭部/頸部替代品

ATD 的三維模型

THOR-Mod 套件後測試

胸部和腹部衝擊的損傷機制、標準和耐受性

壓縮損傷

加速度與胸部兩大主要損傷（肋骨骨折和內臟損傷）無關。肋骨本身具有一定的彈性，會導致肋骨在骨折前發生壓縮。因此，肋骨骨折與力和胸部壓縮有關，因為兩者都與胸部的生物力學剛度有關。換句話說，壓縮標準 (CC)，即最大胸部壓縮，已被用作預測肋骨骨折比加速度或力更好的標準，因為它可能更容易測量。

加速度損傷

胸部創傷指數 (TTI) 是胸部在側面影響情況下的損傷標準。它假設損傷的出現與受衝擊側肋骨和下胸椎所承受的最大橫向加速度的平均值有關。此外，TTI 還考慮了受試者的體重和年齡。TTI（尺寸（g））定義如下：$TTI=1.4*AGE+0.5*(RIB_{Y}+T12_{Y})*MASS/M_{std}$

其中

TTI = 胸部創傷指數（尺寸：g）

AGE = 受試者的年齡（以年為單位）

RIBY = 受衝擊側第 4 肋骨和第 8 肋骨的橫向加速度的絕對值的最大值（以 g 為單位），訊號濾波後

T12Y = 第 12 胸椎的橫向加速度的絕對值的最大值（以 g 為單位），訊號濾波後

MASS = 受試者的質量（以 kg 為單位）

M_std = 標準參考質量，75 kg

在使用第 50 百分位數 HybridIII 假人進行碰撞測試時，可以使用稱為 TTI(d) 的不同 TTI

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

其中 TTI(d) 是第 50 百分位數假人使用的 TTI 的定義。

粘性損傷

內臟器官（如心臟、肺、肝、脾臟和血管）的損傷更與侵入率有關，而不是胸部壓縮。但是，壓縮和速率依賴性標準似乎是最適用的。因此，速度/壓縮基礎的或粘性標準已被用作在最大偏轉之前損傷程度的最佳指標。該標準適用於 3 到 30 米/秒的不同速度的衝擊，以及胸部儲存的質量或能量，而不是能量耗散。它用於正面和側面衝擊。它還假設不同的約束造成的不同載荷條件需要更具體的約束損傷標準。粘性標準或 V*C 是由變形速度：V(t) 和瞬時壓縮函式：C(t) 的乘積組成的時域函式。V(t) 透過微分變形計算，C(t) 相對於初始軀幹厚度 (D) 計算。

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

正面和側面衝擊的耐受水平均使用胸部壓縮標準，該標準預測肋骨骨折。

胸腰椎損傷

如果損傷與脊髓有關，可能會發生截癱。這些楔形骨折的損傷是由於壓縮載荷和彎曲載荷的共同作用造成的。由於慣性載荷，透過脊柱的兩個載荷路徑來傳遞垂直（軸向）壓縮，依靠腰椎的取向。這兩個載荷路徑是椎間盤和關節突，透過使下關節突的尖端接觸到下方椎骨的椎板來傳遞壓縮載荷。椎間盤破裂發生得很慢。極度猛烈的單次載荷會導致髓核從椎間盤的側面突出。

組合胸部指數

組合胸部指數 (CTI) 包含峰值胸部加速度和最大胸部偏轉。發現它與其他標準相比具有更好的預測能力。CTI 的方程為

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

其中 $A_{max}$ 和 $D_{max}$ 分別是觀察到的最大加速度和撓度，而 $A_{int}$ 和 $D_{int}$ 是相應的最大允許截距值。

損傷風險評估

到目前為止，胸部和腹部的大多數反應都進行了容差測試。下表顯示了來自 Cavanaugh、Rouhana 和 Viano 等人 的評論中的容差水平。

表。胸部和腹部衝擊的人體耐受性

標準	胸部		腹部		標準
	正面	側面	正面	側面
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+
壓力					壓力
	187 kPa		166 kPa		AIS 3+
				216 kPa	AIS 3+
壓縮					壓縮
肋骨骨折	20%
穩定的肋骨架	32%		38%		AIS 3+
連枷胸	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+

來源：（改編自 Cavanaugh J.M., 胸部損傷的生物力學，在意外損傷：生物力學和預防，Nahum A.M. 和 Melvin J.W.,（編輯），第 362–391 頁，Springer-Verlag，紐約，1993 年和 Rouhana S.W., 腹部損傷的生物力學，在意外損傷：生物力學和預防，Nahum A.M. 和 Melvin J.W.,（編輯），第 391–428 頁，Springer-Verlag，紐約，1993 年。）

以下等式顯示了損傷機率 p 與生物力學響應 x 之間的關係

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

其中 α 和 β 是從生物力學資料的統計分析中得出的引數。下表總結了用於胸部和腹部損傷風險評估的可用引數。

耳蝸力學

耳蝸的橫截面

前庭力學

前庭系統是聽覺系統的一部分，與耳蝸一起構成聽覺系統。它構成大多數哺乳動物內耳的迷路，位於內耳的前庭。前庭系統由耳石器和球囊（統稱為耳石器）組成，它們是線性運動感測器，以及三個半規管（SCCs），它們感知旋轉運動。

耳石器

大耳石器

半規管

前庭系統的半規管 - 橫截面

毛細胞

穿過 Corti 器的切面，顯示內毛細胞和外毛細胞

進一步閱讀

• Bronzino, Joseph D. (2006 年 4 月). 生物醫學工程手冊，第三版. [CRC 出版社]. ISBN 978-0-8493-2124-5.
• Villafane, Carlos, CBET. (2009 年 6 月). 生物醫學：從學生的角度，第一版. [Techniciansfriend.com]. ISBN 978-1-61539-663-4.{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
• 有關 生物醫學工程 的資訊。