有限元分析：启动时间对飞行员弹射过程中颈椎生物力学响应的影响

《Applied Bionics and Biomechanics》：Finite Element Analysis on the Effect of Activation Time on Cervical Spine Biomechanical Response During Pilot Ejection

　　摘要

本研究采用有限元分析（FEA）方法，探讨了不同肌肉激活时间对飞行员弹射过程中颈椎生物力学响应的影响。研究使用了一个经过验证的C0–T1颈椎模型，该模型包含了椎骨、椎间盘、韧带以及13块主要的活动肌肉，并模拟了150毫秒内10G垂直加速度的弹射条件。分析了26至92毫秒不等的激活时间，以评估它们对椎体旋转、椎间盘应力及受伤风险的影响。结果表明，较短的激活时间（26–46毫秒）可以减少C3–C4和C4–C5区域的过度屈曲；这些早期肌肉的参与增强了脊柱的稳定性。相反，较长的延迟时间（76–92毫秒）会增加C5–C7区域的旋转角度，从而增加与过度屈曲相关的受伤风险。大约46毫秒的最佳激活时间能够在不引起代偿性过度伸展的情况下，最小化屈曲程度，并平衡颈椎各段的负荷分布。这些发现强调了神经肌肉响应时序在减轻高G值弹射过程中颈椎损伤中的关键作用。本研究为通过定制肌肉激活策略、先进的人工智能（AI）防护设备设计和训练方案来优化飞行员安全提供了依据。

1. 引言

在人类中，颈椎是一个高度暴露、无保护、灵活且复杂的生物力学结构，由七块椎骨（C1–C7）、椎间盘、韧带和肌肉组成，共同为头颈部系统提供活动性和结构稳定性。在神经肌肉的协调作用下，颈椎在维持头部方向、支持视觉以及吸收外部机械力方面起着至关重要的作用[1]。然而，由于其解剖结构和生物力学特性，颈椎在高加速度环境下（如车辆碰撞、运动撞击和紧急弹射场景）特别容易受伤[2, 3]。其中，从高速飞机中弹射的飞行员所经历的负荷条件是颈椎面临的最极端情况之一，常常导致过度旋转运动和高压力，从而可能造成严重损伤[4, 5]。在飞机紧急弹射过程中，飞行员会在几分之一秒内受到10–15G的垂直加速度作用[6]。在这种极端条件下，颈椎会经历短暂的屈曲-伸展运动，导致相邻椎骨之间的较大角度旋转。这种过度运动可能导致多种损伤，包括椎骨骨折、韧带撕裂、椎间盘突出，甚至脊髓损伤[7–9]。多项研究表明，弹射过程中的高G值加速度会对颈椎产生巨大的机械负荷，常常超过生理耐受限度，从而增加急性损伤和长期肌肉骨骼疾病的风险[10–13]。颈椎对外部力的响应受到被动和主动生物力学成分的影响[14, 15]。被动成分包括椎间盘、韧带和小关节，它们提供结构完整性并限制过度运动。这些结构在正常生理条件下对稳定颈椎至关重要，但在飞行员弹射时可能不足以抵御极端力量[16]。相比之下，主动成分（如颈部肌肉）通过主动控制椎体运动和吸收冲击力，显著贡献于动态稳定性[17, 18]。胸锁乳突肌、斜方肌、半棘肌、头半棘肌和斜角肌是主要的颈椎肌肉群，它们通过防止头部和颈部的过度屈曲/伸展运动来发挥作用。研究表明，这些肌肉的协调激活（无论是双侧还是单侧）有助于通过减少椎体旋转和降低椎间盘应力来降低颈椎损伤的风险[19, 20]。然而，这些肌肉在预防损伤方面的有效性在很大程度上取决于每个椎体水平产生的力/力矩，这与肌肉激活时间和肌肉的解剖/机械特性密切相关。影响弹射过程中颈椎生物力学的一个最关键因素是肌肉激活时间（也称为反射延迟时间），即颈部肌肉对外部刺激作出反应所需的时间。这一激活时间受神经传导速度、肌肉纤维组成和运动控制机制的影响[21]。一般来说，人类颈部肌肉的反射延迟时间在26至92毫秒之间，具体取决于肌肉类型和外部扰动的强度[22]。在飞行员弹射过程中，肌肉激活的延迟会显著影响颈椎抵抗过度运动的能力[10]。如果激活时间过长（例如超过76毫秒），颈椎可能会在肌肉产生足够的力量/力矩之前经历过度屈曲或伸展运动。这种延迟反应可能导致椎间盘应力增加，增加韧带损伤的风险[19, 23]。相反，如果激活时间较短（例如26–46毫秒），早期肌肉活动可以稳定颈椎，减少峰值旋转角度，并防止关节过度负荷。然而，如果激活过快或过强，可能会对椎间盘结构产生不必要的压缩或剪切力[24]。尽管已有许多关于不同负荷条件下颈椎生物力学的研究，但在飞行员弹射场景中肌肉激活时间的功能仍存在许多未解答的问题[25, 26]。以往的研究主要比较了肌肉激活的存在与否或简化的反射条件，但尚未系统地研究生理上合理的激活延迟对弹射过程中颈椎运动学的影响。传统的实验方法（如尸体研究和体内测量）提供了宝贵的见解，但存在伦理问题、样本量有限以及难以复制极端弹射条件等局限性[27]。计算方法，特别是有限元分析（FEA），已成为模拟颈椎复杂生物力学相互作用的强大工具[28]。FEA使研究人员能够模拟不同的弹射条件，测试各种肌肉激活策略，并分析颈椎相应的运动学和动力学响应[29]。通过将肌肉激活时间作为变量纳入模型，有限元（FE）模型可以定量分析不同激活时间如何影响高G值事件中的椎体运动、椎间盘应力和韧带负荷。这些发现有助于开发损伤预防策略、飞行员训练计划和改进的防护设备设计。本研究利用FE模型，试图探讨不同肌肉激活持续时间对模拟弹射过程中颈椎生物力学响应的影响。具体而言，本研究：（1）计算了26、36、46、56、66、76和92毫秒不同激活时间对颈椎旋转、椎间盘应力和韧带应变的影响；（2）确定能够最小化颈椎过度运动并降低颈部受伤风险的最佳激活时间；（3）评估关键颈椎肌肉群在弹射条件下稳定颈椎的各自贡献。通过实现这些目标，本研究希望加深我们对颈椎生物力学的理解，并有助于为高G值紧急弹射中的飞行员开发更好的颈部保护技术。

2. 材料与方法

从工程角度来看，肌肉可以被视为神经系统控制的执行器。所有肌肉组织都具有可伸展性（能够被拉伸或增长长度）、弹性（拉伸后恢复到原始长度的能力）、兴奋性（对刺激的反应能力）和张力发展能力等独特的行为特性。肌肉的弹性活动主要分为两部分：首先，当肌肉被动拉伸时，其并联弹性成分（PEC，即肌肉膜）会发挥作用并产生阻力；其次，对于紧密拉伸的肌肉，其串联弹性成分（SEC，主要是肌腱）像弹簧一样储存弹性能量。由于肌肉成分的粘性，肌肉的拉伸和回缩具有时间依赖性。此外，肌肉还会因其兴奋性而产生张力。历史上，肌肉的收缩成分（CE）被用来表征肌肉长度、力-变形和力-时间函数下的主动张力/力大小[30]。

2.1. 有限元模型

本研究使用了张等人之前开发并验证的C0–T1有限元（FE）模型[31]，来模拟飞行员弹射过程中颈椎的生物力学响应。该模型基于从尸体标本和CT扫描获得的解剖信息构建，能够精确表示颈椎的几何结构。模型的验证包括在生理静态负荷条件下以及动态负荷条件（如接近顶点的坠落冲击和后端冲击（挥鞭伤）下预测的颈椎运动段力矩-旋转关系比较。模拟结果与先前发表的实验数据吻合良好，证明了该模型能够再现人类颈椎在静态和动态负荷条件下的基本生物力学行为。精确的解剖模型包括了所有关键椎骨（C0–T1）、椎间盘、相关韧带和颈部主要肌肉。骨骼皮质骨和松质骨以及椎间盘被建模为具有适当弹性特性的固体元素。主要韧带（如前纵韧带（ALL）和后纵韧带（PLL）被建模为连接元素，以提高模型在动态负荷条件下的机械响应准确性。使用ANSYS R16和LS-DYNA求解器，将定义主要颈部肌肉主动特性的参数纳入弹射模拟分析中[32–38]。该模型包含31,749个节点和27,712个元素（图1A）。根据已发表的文献，为骨骼椎骨、韧带、椎间盘和肌肉分配了具有不同机械和结构特性的各种2D和3D元素类型[34, 39–42]（见表1）。先前验证的C0–C7颈椎模型具有约37°的生理前凸曲率，与50%男性坐姿时的颈部姿势一致[31, 43]。此外，头部重心（CG）是根据已发表的生物力学数据定义的。在头骨中矢状面靠近CG的节点处分配了质量元素，以表示5.5公斤的头部质量和相应的惯性矩0.035公斤·米2[30, 31]。头部、枕骨髁（OC）和T1椎骨的相对位置遵循在验证的颈椎模型中常用的中性解剖对齐方式。椎骨的初始方向被定义为再现生理颈椎前凸。由于本研究重点关注肌肉的激活时间，第2.2节提供了关于肌肉建模的简要描述。

2.2. 主动肌肉建模

为了对肌肉进行建模，其纤维的收缩特性被建模为与肌肉弹性成分并联或串联。1938年，Hill[44]创建了第一个全面的肌肉力模型。图1B展示了由收缩成分（CE）与弹性成分（SE）串联组成的简化Hill型肌肉模型。在临床、运动和职业生物力学研究中，许多研究人员基于Hill模型创建了自己的数值模型，以预测肌肉力量并模拟人体运动[14, 45–50]。然而，关于这些肌肉模型在模拟冲击下对头颈部复合体进行有限元分析（FEA）的应用的研究非常有限。目前，常用的有限元分析软件（如ANSYS、ABACUS等）没有标准的元素类型和材料属性来描述激活肌肉中产生的复杂张力。在现有的数值研究中，颈椎周围的肌肉通常被简化为弹簧或弹簧-阻尼器元素，这些研究主要关注头颈部复合体的动态响应[27]。C0–T1有限元模型包含了12组对头颈部力学至关重要的关键肌肉群。所有这些肌肉都会以等长或等张的方式双向或单方向地收缩或伸展，从而导致头颈部复合体在不同关节角度下的屈曲/伸展运动。为了模拟激活的肌肉，在使用LS-DYNA求解器获得结果文件之前，需要修改ANSYS程序生成的文件中定义的元素属性。定义肌肉张力发展的有三个函数表达式：

(i) 活动长度函数：
(1)

(ii) 活动张力-速度函数：
(2)

(iii) 激活状态时间函数：
(3)

图2展示了肌肉模型中使用的特征函数，包括力-长度关系（FL）、力-速度关系（Fv）和肌肉激活函数（Na）。激活水平（Na）在0到1之间变化，并根据激活函数随时间演变。每个肌肉的瞬时力是通过Hill型肌肉公式计算的，该公式取决于最大肌肉力、激活水平以及力-长度和力-速度关系。LS-DYNA求解器中使用的相应参数列在表2中。

表2. 用于模拟激活肌肉的变量。

图2：函数（A）FL(L)、（B）Fv(V）和（C）Na(t）的图表。

图3展示了在150毫秒模拟弹射过程中，不同时间点整个C0–T1复合体的变形图。

3.1 激活时间对颈椎旋转角度的影响
图4和图5分别展示了在不同激活（反射）时间（26毫秒、26毫秒、36毫秒、46毫秒、92毫秒）下，C0–C7每个颈椎水平的计算结果。从图4可以看出，C0–C1和C1–C2段的旋转角度变化趋势呈倒U形，而其他C2–C7段的旋转角度变化趋势呈U形。在C0–C1和C1–C2段，由于没有椎间盘，旋转角度主要取决于骨骼的几何结构、相关韧带以及附着肌肉产生的张力矩，因此呈现出倒U形。然而，肌肉活动的早期激活有效地减少了屈曲的幅度，最大屈曲发生在较短的时间内。在150毫秒时，由于C0–C1和C1–C2段在达到屈曲峰值后的屈曲减少速率不同，C0–C1段的屈曲角度变化幅度比C1–C2段小得多，在26毫秒的激活时间内，其变化从屈曲变为伸展。对于C2到C5的段落，在80毫秒的激活时间内大部分处于屈曲状态，而在26毫秒的激活时间内则大部分处于伸展状态。对于C5–C6段，在26到80毫秒的激活时间内，伸展运动的幅度和持续时间相同。然而，在110毫秒之后，26毫秒激活时间的段落开始出现较小幅度的屈曲运动。C6–C7段也观察到了类似的运动趋势；在26到80毫秒的激活时间内，伸展运动的持续时间和最大值有所不同。图5显示了在不同激活时间下各段的运动情况与80毫秒激活时间下的情况相比。在90毫秒的激活时间内，大多数段的屈曲/伸展趋势和幅度与80毫秒激活时间下的情况相似。对于其他激活时间（26毫秒、36毫秒和46毫秒），C0–C5段的运动发生了剧烈变化。C3–C4和C4–C5段经历了不同幅度和持续时间的伸展和屈曲运动，而在80毫秒的激活时间内则全程处于屈曲状态。C5–C7段在所有不同的激活时间下都经历了屈曲和伸展运动，伸展的幅度和持续时间几乎相同（约110毫秒），但在110毫秒之后C5–C6段的屈曲幅度不同。总体而言，在150毫秒的模拟时间跨度内，所有段在不同激活时间下都表现出屈曲/伸展运动。早期激活时间的屈曲或伸展变化率（梯度）较小，这表明更快的反射时间可以减少飞行员弹射时的严重颈部损伤。

3.2 反射时间对颈椎的总体影响
在前一节中，讨论了不同激活（反射）时间对单个颈椎段运动的影响。然而，为了全面了解颈椎肌肉反射时间对模拟弹射过程中整个头颈部复合体屈曲/伸展运动的影响，确定了头部（C0）相对于C7的最大旋转角度变化百分比（%），并以图6所示的方式进行了绘制。从图6可以看出，在150毫秒的模拟过程中，不同反射时间（115毫秒到135毫秒）内，C0–C7的旋转角度最大百分比变化在10G的恒定最大加速度范围内。C0–C7的旋转角度几乎呈线性减少，变化范围从-4.8%到-99.6%，反射时间越快，减少幅度越大；然而，在92毫秒的反射时间下，C0–C7的旋转角度增加了11.2%。这些发现表明，肌肉反射时间影响了模拟载荷条件下头颈部复合体的屈曲/伸展运动，有助于在飞行员弹射时减少严重颈部损伤的可能性。

4. 讨论
有限元分析（FEA）作为一种多功能的工程工具享有盛誉。FE模型经常用于研究各种模拟情况下生物结构的生物力学响应，补充实验研究。早期的动态研究FE模型通常由通过椎间盘和韧带连接的椎骨序列组成[51, 52]。这些模型无法充分模拟运动部分之间的相互作用，只能预测对载荷的总体响应。为了模拟弹射过程中颈椎的应力，Sadegh和Tchako的研究创建了一个包含不同骨骼组件简化机械属性的详细FE模型。尽管如此，该研究并未探讨头部对颈部反应的影响[53, 54]。为了描绘整个头颈部复合体，本项目使用了理想化的三维FE模型。Teo[30]和Zhang之前使用ANSYS/LS-DYNA（ANSYS公司，美国宾夕法尼亚州）创建了这个FE模型。结果表明，激活时间显著影响飞行员弹射过程中颈椎的旋转运动。较短的激活时间（26–46毫秒）导致C3–C4和C4–C5段从屈曲转变为伸展，早期肌肉参与产生的稳定力更强。这种转变的持续时间在反射时间较快的情况下更长，并且发生在模拟的早期。相反，较长的激活时间（76–92毫秒）导致C5–C7段的旋转角度显著增加，可能导致过度屈曲，从而增加受伤风险。大约46毫秒的最佳激活时间有助于在不过度伸展的情况下最小化过度屈曲。其他研究表明，激活时间对椎间盘变形的影响主要体现在肌肉如何在高G条件下调节脊柱稳定性[5, 16, 27]。本研究表明，较短的激活时间（26–46毫秒）允许肌肉早期参与，使得旋转运动的范围较小，有助于保持椎间盘的对齐并减少C3–C5段的过度压缩力。这种早期稳定确保了机械载荷在颈椎上的均匀分布，防止局部应力积累[55]。相比之下，较长的激活时间（76–92毫秒）会延迟肌肉反应，增加脊柱运动失控的可能性。这种延迟导致了C5–C6和C6–C7区域的稳定性降低，由于缺乏及时的肌肉阻力，可能会导致椎间盘过度变形。延迟的反应使得椎体段在稳定之前发生更大的位移，从而增加了椎间盘相关损伤（如膨出或疝出）的风险[56, 57]。研究结果表明，最佳的激活时间（约46毫秒）可以使肌肉提供足够的阻力来抵抗脊柱压缩，同时避免过度僵硬，否则会降低减震能力。激活时间与椎间盘保护之间的关系强调了在高加速度情况下优化神经肌肉反应的重要性。为了评估反射时间对颈椎动态的总体影响，分析了在不同激活延迟条件下C0–C7的旋转角度。数据表明，随着激活时间的缩短，整体屈伸运动幅度均匀减小，而较长的反射时间（76–92毫秒）则导致整体屈曲增加。图6展示了不同激活时间下C0–C7旋转角度的最大百分比变化。研究结果表明，26毫秒的反射时间可使旋转角度减少近99.6%，而92毫秒的反射时间则使旋转角度增加11.2%。尽管本研究中没有明确量化诸如韧带拉伤或脊髓压迫等已建立的损伤标准，但过度的颈椎旋转在之前的生物力学研究中被广泛用作损伤风险的替代指标。因此，这些结果突显了更快反射时间在减少过度的颈椎运动和弹射过程中潜在颈部损伤方面的保护作用[3, 5, 58]。了解反射时间对颈椎运动的影响有助于改进高加速度环境中的保护策略和损伤缓解方法。还需要注意的是，在本研究中，颈椎肌肉群是使用相同的激活模式同时激活的，仅改变了反射延迟。这种建模策略并未试图再现体内观察到的肌肉特异性神经肌肉协调的全部复杂性，因为在不同的肌肉和任务中，招募时间和激活幅度可能会有所不同。相反，这种简化的共激活方法允许模型表示在高G载荷下颈椎肌肉的整体稳定作用，同时提供了一个受控框架来研究神经肌肉反应时间对头颈生物力学的影响。通过减少肌肉招募模式的变异性，该模型可以隔离反射延迟对颈椎运动和载荷的影响。类似的简化肌肉激活策略已在之前研究动态载荷条件下头颈生物力学的有限元研究中采用[30]。尽管这项工作提供了关于激活时间在颈椎生物力学中功能的见解，但也需要注意它的一些局限性。例如，没有考虑长时间高G暴露导致的肌肉疲劳的影响，这可能会影响长期损伤风险的评估。在颈椎生物力学领域，需要进一步的研究来提高这些结果的准确性和相关性。未来研究的重要课题包括：(1) 改进肌肉激活建模：结合肌电图(EMG)数据来验证和完善肌肉激活模型，确保更准确地模拟实时神经肌肉反应[59]；(2) 个性化激活时间分析：探讨个体在身体组成和肌肉力量方面的差异如何影响激活时间和颈椎生物力学，特别是针对不同体型的飞行员[60]；(3) 与弹射座椅缓冲系统的整合：研究激活时间如何与座椅冲击吸收机制相互作用，以优化弹射过程中的颈椎保护[61, 62]。解决这些领域的问题将有助于更全面地理解高G环境中的神经肌肉控制，最终改进损伤预防策略和飞行员安全措施。

5. 结论
本研究强调了激活时间在飞行员弹射过程中颈椎生物力学中的关键作用。较短的激活时间（26–46毫秒）通过减少C3–C4和C4–C5区域的过度屈曲来优化颈椎运动学，从而提高稳定性并降低损伤风险。相比之下，延迟的激活时间（>76毫秒）会导致C5–C7区域过度旋转，增加过度屈曲相关损伤的可能性。为了提高飞行员的安全性，建议优化肌肉激活策略，以提高高G条件下的神经肌肉反应效率。在不同水平上计算出的关节段运动数据为实施人工智能(AI)辅助训练程序和保护装置提供了有价值的信息，这些装置旨在增强不同主要颈部肌肉的早期同步，以有效减少紧急弹射时的颈椎损伤。未来的研究应探索实时神经肌肉适应性，并开发个性化激活策略，以进一步改进高加速度环境中的保护机制。

作者贡献
赵炯祥：撰写原始稿件、可视化处理、软件开发、方法论设计、数据分析、概念化。
张赞妮：撰写原始稿件、软件开发、方法论设计、数据分析、概念化。
拉达克·佐尔特：资源提供、方法论设计、数据分析。
岑宣珍：撰写稿件审查与编辑、方法论设计、可视化处理。
Teo Ee-Chon：资源提供、方法论设计、数据分析。
梁敏军：撰写稿件审查与编辑、方法论设计、数据分析。
顾耀东：撰写稿件审查与编辑、可视化处理、监督工作、软件开发、方法论设计、数据获取、概念化。

资助
本研究得到了浙江省自然科学基金杰出青年学者项目（项目编号LR22A020002）、浙江省重点研发计划（项目编号2023C03197）、宁波市重点研发计划（项目编号2022Z196）、宁波市体育结合医学研究院项目（项目编号2023001）、国家重点研发计划（项目编号2024YFC3607305）以及浙江省康复医学协会科研专项基金（项目编号ZKKY2023001和2023022）的资助。

利益冲突
作者声明没有利益冲突。

数据可用性声明
所有与本研究相关的数据均包含在文章中，如有进一步疑问，请联系通讯作者。