近半个世纪来，国内外学者对人体颈部动力学响应与损伤进行了大量的实验研究，主要包括机械假人实验、尸体实验、志愿者实验。机械假人实验模型结构简单、生物逼真度低，目前主要应用于整车与汽车零部件安全性评价。尸体实验和志愿者实验的生物逼真度较高，但由于实验成本高、重复性差以及伦理因素等问题，目前开展较为困难。有限元仿真方法具备了实验成本低、可重复性、结果准确等优点，目前已经成为人体损伤生物力学的重要研究方法，而开发高精度、高质量和高生物逼真度的颈部有限元模型是保障有限元实验结果准确的重要前提。
虽然研究人员利用上述模型在研究颈椎动态响应与损伤机制方面已取得了大量研究成果，但已建立的颈部模型中大多数只能模拟椎骨的受力和运动情况，对椎间盘、小关节、颅脑等结构简化较多，很难准确模拟头颈联合响应以及椎间盘、关节软骨等部位的受力情况。
材料与方法颈部模型建立
CT图像储存为DICOM格式?然后利用医学三维重建软件Mimics17.0,提取DICOM图像信息,得到各截面椎骨图像?运用二值化法?灰度算法和人工修正等方法处理椎骨图像,建立高精度的椎骨图像标记层,并运用三维算法生成三维点云数据?最终将三维点云数据导入3-Matic软件中再处理,生成几何曲面模型并以IGES格式储存?几何重建的椎骨包括3个部分:上颈椎(寰椎?枢椎)?下颈椎(C3~7颈椎)和胸椎T1[见图1(a)]?
利用上述已建立的几何模型导入ICEMCFD中，生成相应的点、线、面元素。然后运用网格投影原理和由下至上划分网格的方法，创建与椎骨拓扑结构相吻合的块，并将几何模型的点、线、面与块逐个关联后，最终生成椎骨网格。
颈部模型包括椎骨、椎间盘、小关节、韧带等部分。椎骨模型包括皮质骨、松质骨、终板和终板软骨等，皮质骨平均厚度为1．5mm，终板平均厚度为0．5mm，终板软骨平均厚度为1．0mm。椎间盘分为髓核和纤维环，髓核位于椎间盘的中央，纤维环位于椎间盘外部环绕着髓核，在横切面上排列成同心环状，由纤维环基质与加强纤维薄膜共同组成。纤维环基质由六面体单元组成，共5层;加强纤维薄膜由5对同心壳网格组成，以±25°～±45°角沿纤维环径向由外至内逐渐变化，并与纤维环基质共节点组成纤维环。
韧带附着于骨骼的可活动部分，同时限制其活动范围，用弹簧单元模拟韧带。模型包括前纵韧带、后纵韧带、*韧带、翼韧带、棘上韧带、棘间韧带、横突间韧带、寰枕横韧带、寰枕后膜、寰枕后韧带以及关节囊韧带。小关节包括关节软骨和关节囊韧带。关节软骨附在小关节面上，由一层六面体单元模拟，关节囊韧带用弹簧单元模拟。完整颈部模型共包含个节点和个六面体单元。
头颈材料本构与参数
研究表明，当骨骼的应变超过屈服应变后会产生塑性变形，同时会发生骨折等情况。本文考虑到仿真冲击较大，可能会出现椎骨骨折等情况。以双线性曲线弹塑性材料模拟骨骼，其具体材料特性见表1。
终板以Cowper-Symbols乘子的幂函数塑性材料模拟，其强度定义为皮质骨的1/3。
髓核含水量高达70%～90%，其材料特性采用黏弹性材料模拟;纤维环基质主要由胶原纤维组成，其材料特性用弹性材料模拟;加强纤维薄膜以复合材料模拟，其材料特性参考Holzapfel等［22］的纤维环加强纤维薄膜单轴拉伸实验数据，应力(σ)-应变(ε)曲线见图2。
软骨承受张力负荷时，其硬度、强度与关节软骨面有密切关系，故软骨与椎骨也采用共节点连接，保证力传递准确，其材料特性用弹性材料模拟。各组织的详细材料特性和单元属性见表2。
韧带主要承受拉应力，其强度与加载方向的纤维数有关。本文参考Yoganandan等［25］韧带拉伸实验得出的力学特性，数据显示韧带的应力-应变曲线
在屈服点前呈线性，可近似为线弹性材料，因此，以线弹性材料模拟韧带在张力载荷作用下的力学特性，单个韧带中的弹簧单元为并联关系，其弹性系数之和为单个韧带的弹性系数。各韧带弹性系数分别为:前纵韧带21．34、后纵韧带26．42、*韧带26．78、棘间韧带10．04、棘上韧带37．86、寰枕横韧带17．36、翼韧带35．80、寰枕后韧带26．42、关节囊韧带16．64、寰枕后膜9．03、横突间韧带19．96，单位N/mm。
模型验证
头部模型采用毛征宇等建立且验证的具有详细解剖结构的人体头部有限元模型，主要由硬骨组织、脑组织与软组织3个部分组成。模型共包含个节点、个六面体单元，总质量约为4．2kg，均采用共节点连接方式，并与上述所建颈部模型装配成头颈部有限元模型。本文以Nightingale等和Camacho等报道的无肌肉组织头颈部尸体轴向冲击实验数据为依据，对头颈部模型进行有效性验证。
Nightingale等采用11个死亡不久并保留了完整颈椎的人头颈部尸体为样本，进行轴向冲击实验。样本去除了肌肉和头皮组织，保留韧带组织。将样本固定在坠落悬挂系统上，分别以不同的高度坠落撞击与水平面成－15°、0°、15°刚性平面。采用压力装置在T1胸椎的下平面加载16kg质量，模拟躯干对颈椎的影响，测力传感器测量头部与冲击面发生碰撞时的冲击力，加速度传感器测量头部加速度。本文用建立的中国人50百分位头颈部有限元模型模拟该实验工况，对比头-平面接触力、头部加速度以及碰撞过程的响应形态，验证所建模型的有效性。
对头颈部有限元模型进行刚性平面与水平面成－15°、0°、15°3种不同工况的仿真。仿真的边界和加载条件为:头颈部模型置于1g重力场中，头部与刚性平面距离1mm，初始速度为3．2m/s，加速度为9．81m/s2。约束胸椎T1，令其只能在上下方向运动，并在T1上附加16kg质量，模拟躯干对头颈部跌落运动的影响。加速度传感器、接触力传感器位置与实验相同(见图3)。
结果人体头颈部分别碰撞－15°、0°、15°刚性平面的仿真和实验响应对比结果。前3ms颈椎没有发生明显变形，第6ms时C1开始出现明显变形，第9ms由于压力作用颈椎开始出现较明显的变形。在－15°刚性平面实验中，从第9ms开始C1～4呈现伸展模式，C5～7呈现屈曲模式，颈椎整体呈S型变形;0°刚性平面实验响应与－15°刚性平面实验相似，颈椎上端呈现伸展模式，下端呈现屈曲模式，但是其头部向前运动相对较小，故S型变形不明显。由于原文未给出0°刚性平面实验变形图，故只给出了仿真结果;15°刚性平面实验中，其响应与－15°、0°刚性平面实验不同，当头部撞击15°刚性平面时，头部受到向后的作用力，并向后方运动，颈椎整体呈现屈曲变形，其中C3～6的变形量最大。综上所述，该头颈模型在－15°、0°、15°3种不同条件下的仿真运动趋势与实验结果吻合。
图5所示为头部碰撞力和加速度仿真曲线与实验曲线的对比结果。头部碰撞力曲线与实验曲线吻合较好。从0ms开始，头部在初速度与重力加速度共同作用下与刚性平面发生碰撞;2～3ms，头部与刚性平面的接触力达到最大，同时骨骼在此过程中产生屈服开始塑性变形，接触力减小;5～6ms，接触力再次增大。对比图4碰撞响应图发现，由于该时刻附在T1上的16kg质量在重力影响下开始下压，颈椎发生明显变形并将力传递到头部，故导致接触力再次增大。之后头颈系统开始自由振动，接触力逐渐降低。此外，头部加速度仿真曲线基本落在实验区间内，与实验曲线吻合较好。部分时刻仿真曲线与实验曲线有少许偏差，推测是由于头部形态、测量点差异以及实验误差造成的。
对颈椎主要部件(椎骨和椎间盘)的应力分布情况进行观察。Holzapfel等［22］通过纤维环加强纤维薄膜单轴拉伸实验发现，椎间盘纤维环整体的力学特性基本由纤维环加强纤维薄膜确定，故本文以VonMises应力作为主要指标，对加强纤维薄膜和椎骨的应力分布情况进行观察。
3种工况下加强纤维薄膜应力的变化趋势基本一致,应力主要集中在第5和第4层薄膜的后侧,说明椎间盘的受力区域集中在椎间盘的外侧后方区域?产生的原因是椎骨前侧受拉?后侧受压,导致椎间盘前侧受拉应力,前纵韧带通过对抗此拉力以缓解椎间盘的前侧受力?椎间盘最大应力均出现在C7~T1椎间盘,其次在C3~4和C4~5椎间盘上?同时,椎骨应力也主要集中在C2~5和C7椎体区域,这是由于椎骨C7和椎间盘C7~T1是承受T1上16kg质量的第1个区域,C3~6椎间盘则是由于其变形量最大,应力更为集中?0°和15°工况下,C3?C4的横突区域出现了较大应力,是由于C3?C4相对运动较大,横突间韧带为对抗椎骨的相对运动对横突区域施加拉力导致?由此可知,轴向冲击过程中C3~4?C4~5?C7~T1椎间盘和C2~5?C7椎体区域是易损伤部位?
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