摘要 目的 在腰椎有限元模型构建及验证的基础上,对飞行员腰椎正常、L5单侧及双侧峡部裂模型动力学响应进行仿真计算和损伤预测,探究持续性飞行过载对飞行员腰椎正常及峡部裂状态下的影响。方法 基于腰椎CT图像,采用逆向工程软件和计算机辅助工程(computer-aided engineering, CAE)技术建立人体腰椎精细的三维有限元模型;利用腰椎静态与动态体外实验验证模型的有效性;开展持续性过载条件下飞行员正常腰椎及峡部裂腰椎生物力学仿真分析,并结合动态响应指数(dynamic response index, DRI)损伤评价预测方法对脊柱损伤情况进行预测分析。结果 单侧及双侧峡部裂模型的L5椎体峡部最大应力分别为105.29、126.32 MPa,明显高于正常模型;峡部裂模型的L4～5和L5～S1节段椎间盘相比正常模型更易出现过早退行性改变;结合DRI脊柱损伤预测方法,正常腰椎、L5单侧及双侧峡部裂的脊柱损伤概率分别为0.001 4%、2.26%和3.21%,峡部裂发生后脊柱损伤概率明显升高。结论 峡部裂加重了飞行过载下腰椎峡部的负荷。研究结果为制定训练方案和防具开发提供更精确的数据支撑,保证飞行安全。
关键词:
腰椎峡部裂
持续性飞行过载
损伤预测
仿真分析
飞行人员腰椎峡部裂是指腰椎单侧或双侧椎弓上、下关节突之间峡部骨质缺陷或不连续,多见于L5腰椎,在美军飞行人员中的发病率高达23%,我国飞行人员发病率约为10.9% [1] 。伴随着运载工具速度及机动性能的提升,在长期训练中因腰椎峡部裂发病诱发的椎间盘病变、椎体滑脱、神经根受压等导致飞行不合格或暂不合格的飞行员约占15% [2] 。高性能战斗机作业训练时,飞行员要承受3～4 s复合加速度带来的过载及不同方向载荷快速转换导致的推拉效应的影响,飞行载荷峰值和增长率分别可达9 G 和3～6 G /s,易造成腰部组织损伤 [3-5] 。腰椎峡部裂损伤目前已成为影响国内外空军战斗力的常见病症之一,而飞行因素对腰椎峡部的生物力学影响机制尚没有明确结论,仍需进一步探究 [1,6] 。
随着计算机技术的发展,数值模拟可以摆脱生物伦理及实验条件的限制,成为生物力学研究较为理想的手段。目前,过载条件下腰椎生物力学仿真分析得到广泛关注 [7-8] 。Inceoglu等 [9] 研究发现,单侧腰椎峡部裂发生后,对侧椎弓峡部区域应力增加,容易引起临近椎间盘及韧带组织的损伤。顾晓民等 [10] 建立L5双侧椎弓峡部裂三维有限元模型,发现在同步轴向加压和后伸时峡部应力最高,可能导致椎弓峡部裂和椎体滑脱。结合我军相关特许飞行指南 [11] ,腰椎峡部裂、无椎体滑脱者给予特许飞行合格。但峡部反复受力容易诱发腰腿疼痛、椎间盘突出和椎管狭窄等危险症状 [1,12] 。因此,针对持续性过载条件下飞行员腰椎峡部裂可能产生的损伤状况,需进一步研究分析。
本文在所构建的腰椎正常、L5单侧及双侧峡部裂有限元模型基础上,对持续性过载条件下腰椎峡部、椎体及椎间盘等组织进行仿真分析,结合脊柱损伤预测方法对腰椎损伤及损伤发生概率进行计算。研究结果可在一定程度上表明飞行过载对飞行员腰椎峡部的影响,为制定飞行鉴定标准和训练方案提供更精确的数据支撑,保证飞行安全。
根据军用标准中战斗机飞行员50百分位标准数据,选取1名28岁健康男性志愿者,身高171.4 cm,体重62 kg,排除腰椎畸形、病变损伤等情况。数据采集时使用64排螺旋CT扫描机,骨组织窗扫描层厚为1.0 mm,层间隔0.7 mm。扫描过程中使志愿者取仰卧位并保持腰部中线与扫描中线重合,从腰椎L1上方5 mm至骶椎S1下方5 mm处进行断层扫描,得到374张断层图片,图片像素为512×512。
将CT图像数据储存为DICOM格式并导入Mimics 20.0软件中,设置骨骼的灰度阈值并逐张进行分割,建立L1～S1的3D骨骼模型。再将模型导入Geomagic Studio 2014中,利用“网格医生”和“精确曲面”对模型进行检查和优化。
由于CT图像清晰度的限制,部分软组织不能很好显影,故将相邻两块椎骨导入CAD软件SolidWorks 2019中,在相邻椎骨上下关节突绘制关节突软骨。选取相邻椎体上下表面绘制符合人体生理特征的椎间盘,椎间盘上下表面0.5 mm设置为终板,然后按0.47比例的“质心缩放”分别得到纤维环和髓核[见 图1 (a)]。
参考人体脊柱解剖学中韧带形态及其在骨骼上的起止附着点,以实体形式在起止点附近赋予相应的横截面积,完成韧带的建立,包括前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、棘间韧带和横突间韧带。
将几何模型导入ANSYS 21.0软件中,根据组织材料特点采用合适的单元类型进行网格划分和质量检测。椎骨包括皮质骨和松质骨两部分,为了与人体真实组织的属性保持一致,将皮质骨设为厚度为1.5 mm的壳单元 Shell 181,松质骨设为187实体单元Solid 187。划分网格后的正常腰椎有限元模型中含有87 424个单元和165 068个节点。
结合飞行人员特许放飞案例与相关临床诊断分析 [11-13] ,依据CT图像分类腰椎峡部裂为终末期时(峡部基本完全断裂,但无滑脱)可能造成的损伤更具代表性,故本文在正常模型L5椎体椎弓根峡部创建1个约3 mm自由边,并造成缺损来模拟峡部裂终末期症状,缺损方向是典型的斜向通过峡部。
模型各组成部分材料参数设置如 表1 所示 [14-15] 。其中,皮质骨、松质骨采用弹塑性材料,纤维环采用黏弹性材料,其短时剪切模量、长时剪切模量分别为32、18 kPa,弹性体积模量为307 MPa。其余均采用线弹性材料。模型中韧带与椎体的附着区域设为捆绑约束,使其不发生相对运动。椎体、椎间盘与上下软骨终板,纤维环与髓核之间的连接部分依据生物组织特征设置为捆绑约束 [16] 。由于关节软骨与椎体间存在滑动,故关节软骨与上椎体间建立无摩擦有限滑移面-面接触方式,与下椎体建立捆绑约束。腰椎整体有限元模型如 图1 (b)所示。
结合Panjabi等 [17] 尸体腰椎段的力学行为研究和Begeman等 [18] 的尸体脊柱正面冲击试验,分别从静态和动态两方面对所构建的仿真模型进行有效性验证。
采用Panjabi等 [17] 尸体腰椎段基础运动实验对模型进行静态验证。约束骶椎下部全部自由度,并沿模型纵轴施加100 N压缩预载荷;在L1上沿± X 、± Y 、± Z 方向加载10 N·m扭力弯矩,分别模拟模型的前屈、后伸、左右侧屈及轴向旋转过程。依次在椎体的前部选取参考点并输出各个参考点的运动参数,计算相邻椎体间的活动度(range of motion,ROM)。
以屈曲过程为例,将仿真计算的ROM与实验数据对比分析。结果表明,腰椎模型的屈曲活动度都在实验结果的上、下限范围内(见 图2 )。因此,可认为该模型能较好模拟腰椎受力时的真实运动情况。
通过Begeman等 [18] 开展的尸体脊柱正面冲击实验对模型的有效性进行动态验证。实验共利用3具尸体进行约40次尝试,包括有无坐垫、是否受击打死亡等实验条件,本文选取其中无坐垫、正常死亡的数据进行模拟。
仅释放骶椎 Y 向的平动自由度和矢状面上的旋转自由度。在L1上耦合30 kg质量点代表躯干质量,在模型上施加如 图3 (a)所示的加速度过载,整个过程持续190 ms。仿真结果表明,腰椎模型受力虽有部分数据不在实验阈值范围内,但整体吻合较好,变化趋势也与实验保持一致[见 图3 (b)]。
综上所述,本文所构建的腰椎有限元模型仿真结果与实验数据基本吻合,说明该模型具有良好的生物仿真度,可用于持续性过载条件下飞行员腰部的生物力学仿真分析。
根据国家军用标准GJBC4423-2002高性能歼击机飞行员离心机训练方法与评定及相关训练方案,离心训练机产生的稳定高 G 力学环境可以很好地模拟飞行员在飞行过程中承受的过载情况。故本文以此为加载条件(见 图4 ),模拟在持续性过载条件下飞行员腰部的生物力学响应。
飞行员在飞行时腰部固定在安全座椅上,约束L4除前后方向上的平动自由度和矢状面的旋转自由度以外的其他自由度,将加速度载荷均匀施加至整个腰椎模型,使模型处在正常重力场中。Harris等 [19] 研究表明,头、腰及上肢重量约为实际体重的17.7%,考虑到飞行员佩戴头盔情况,在L1上方以质量点的形式施加20 kg载荷。
3 . 2 . 1 椎骨及峡部受力分析 根据Carter等 [20] 提出的人体骨骼强度计算公式( S =68(d ε/ d T ) 006 ρα ),得到皮质骨强度为227 MPa。3个模型L5椎体最大应力分布如 图5 (a)所示,正常模型L5椎体右侧峡部应力为76.54 MPa;双侧峡部裂模型L5椎体左侧峡部区域应力较大,约为100.74 MPa;单侧峡部裂模型中L5椎体左侧断裂峡部的对侧关节间部在过载飞行中承受更大的应力,为126.32 MPa,均低于人体皮质骨强度。
图5 不同腰椎模型应力云图及椎骨峡部von Mises应力
比较不同模型各节段椎体峡部von Mises应力发现,双侧峡部裂模型L4右侧峡部与单侧峡部裂模型L4、L5椎体右侧峡部承受了更大的应力[见 图5 (b)]。长期反复的高应力刺激会造成椎体疲劳损伤,加剧椎骨病变,产生滑脱危险 [9] 。
3 . 2 . 2 椎间盘及韧带损伤判定 L4～5椎间盘最高可承受19.4 MPa压应力 [21] ,故飞行过程中的过载不会直接导致椎间盘损伤。由不同模型各节段椎间盘平均应力可知,L5单侧及双侧峡部裂发生后椎间盘应力明显高于正常模型,特别是L4～5椎间盘,增长幅度分别可达51.32%和87.67%(见 表2 )。L5椎体峡部断裂后,由于受到剪切力的影响,会产生向前下的分力使L5～S1椎间盘承受反复异常应力作用,长期承受高于正常的载荷,会导致椎间盘过早退行性改变等伤害。临床上L5～S1节段突出占所有腰椎间盘突出症的95%,与计算结果相符 [22] 。
结合 图6 可知,腰椎正常模型黄韧带平均应力为7.131 MPa,L5单侧及双侧峡部裂模型黄韧带平均应力分别为12.92、15.213 MPa。其中,L5单侧及双侧峡部裂模型黄韧带及棘间韧带平均应力明显高于正常模型,尤其是L4～5黄韧带及L5～S1棘间韧带,峡部裂发生后韧带应力增大,可能发生韧带撕裂,引起软组织损伤,并进一步造成椎体失稳。
研究表明,人体脊柱损伤风险动态响应指数(dynamic response index, DRI)可对持续过载飞行条件下脊柱损伤情况进行分析 [23] ,用于表征加速度过载对人体的影响：
式中： δ max 为脊柱的最大变形量。最大变形与人体对加速度过载的耐受极限相关,脊柱损伤概率 P (injury)与DRI呈正相关：
经仿真计算,持续性过载飞行条件下正常模型DRI=5.13,脊柱损伤概率为0.001 4%;L5单侧峡部裂模型DRI=17.12,脊柱损伤概率为2.26%;L5双侧峡部裂模型DRI=17.69,脊柱损伤概率为3.21%。L5单、双侧峡部裂发生后脊柱损伤概率较正常模型明显增高,但在不伴有椎体滑脱、神经根受压或脊柱功能受损等高危因素时,影响飞行安全的概率不大 [1] 。
目前关于飞行员峡部裂后能否复飞及相关防护手段的研究多集中于应力损伤和椎体退变的探讨。飞行员腰椎峡部裂多继发于应力性损伤或应力性骨折,腰椎单侧峡部断裂后,抵抗向前应力的重要结构破坏,长期载荷作用下会使维持脊柱稳定的骨性结构疲劳受损 [22] ,进而产生椎间盘退变及脊柱滑脱,对峡部裂飞行员的复飞和改装飞行会产生一定影响。本文结果表明,椎体最大应力出现在L5单侧峡部裂模型右侧峡部,低于皮质骨可承受的最大强度,且无明显形变,不足以直接造成椎骨损伤,但由于应力集中点的存在,长期反复受力会加剧椎骨病变,影响脊椎稳定性,产生滑脱危险。朱岳龙等 [24] 同样认为,腰椎峡部裂会对脊柱稳定性产生影响,这也是导致飞行员改装不合格、暂时停训和非战斗停飞的主要原因。此外,长时间坐位、加速度、振动等也可能加重脊柱退变和椎体滑脱 [11] 。针对峡部裂飞行员在执行飞行任务中面临的此类问题,可通过改进飞行设备或医学恢复等方法进行缓解。
飞行员腰椎峡部断裂后,椎间盘在承担传递负荷、限制椎体运动、缓冲压力方面的作用更为明显。Mac-Thiong等 [25] 研究发现,双侧峡部裂发生后,大部分应力会转移到椎间盘导致其退变,并进一步造成椎体滑脱,其中L5～S1椎间盘退变发生率为87%。本文建立的3种模型中,椎间盘最大应力同样均位于L5～S1椎间盘,且各椎间盘受力规律满足：L5双侧峡部裂模型>L5单侧峡部裂模型>正常模型。脊柱是人体躯干的中轴骨,脊柱损伤生物力学研究对于飞行员防护同样具有重要意义 [26] 。结合人体脊柱损伤DRI可知,峡部裂发生后飞行员脊柱损伤概率明显增高,但在不伴有腰椎峡部高危因素时,对飞行安全的影响不大。鉴于腰部组织解剖学特征十分复杂,各种软组织结构也会对模型响应结果产生影响,未来考虑加入肌肉组织建立更加精细、准确的模型,为飞行员腰椎峡部裂后对正常飞行带来的影响及相关防护手段等提供更加全面的参考依据和理论指导。
本文构建了较为精细的腰椎正常、L5单侧及双侧峡部裂三维有限元模型,并根据损伤准则进行分析预测。结果表明,伴有峡部裂症状飞行员在执行任务或进行训练时,短期内加速度过载不会对其造成大的损伤。但结合飞行人员峡部裂病状的临床统计,腰椎峡部长时间承受过载可能导致负荷性损伤,诱发明显的临床症状,甚至出现脊柱活动受限等,危及飞行安全。因此,对伴有峡部裂症状的飞行员在进行改装飞行时,应及时优化训练方案和改进防护设备。
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