研究一 头-颈椎非线性三维有限元复合模型的构建与验证目的:本研究拟构建一个优良的、能较为准确表达头颈区域力学响应的非线性头-颈椎有限元模型（Finite element model,FEM）,包含下颈椎运动单元及枕骨-寰椎-枢椎运动单元,作为承载骨骼肌建模的基础模型。方法:一名23岁健康成年男性志愿者的影像资料作为模型构建的资料,分别应用Mimics 19.0、Geomagic Studio 2015软件提取头-颈椎几何实体,模型构件包含骨组织、韧带组织、关节软骨、椎间盘及颈髓区域,组件包含下颈椎运动单元及枕骨-寰椎-枢椎运动单元。将以上组织导入Solidworks 2017装配并检查模型干涉。然后将装配模型导入Hypermesh 2019生成网格并赋予材料:韧带设置为非线性正交各向异性材料,髓核设置为弹性流体材料,纤维环为超弹性材料以及正交各向异性的环状纤维层,皮质骨和松质骨则采用各向同性弹塑性模型,颈髓灰质和白质设置为粘弹性和超弹性兼具的材料。其后设置属性、接触关系和边界条件等前处理工作。导入LS-DYNA R11.0显式求解器进行模型有效性验证。验证过程分为组件验证和构件验证,包含准静态和动态过程。组件验证包括:①功能脊柱单元（Functional spinal unit,FSU）准静态压缩验证;②上颈椎（Upper cervical spine,UCS）和下颈椎（Lower cervaical spine,LCS）各韧带的高速拉伸验证;③UCS和LCS各FSU的准静态6自由度扭矩验证;④颈髓的动态冲击验证。构件验证主要为:①模型几何测量数据对比;②C2-T1的前屈-后伸扭矩验证。仿真试验得到的数据力-位移、扭矩-角度等指标)分别与尸体生物力学实验结果对比,验证相同边界条件下的模型构件、组件有效性。头颈复合体法兰克福平面与全局坐标轴的水平轴对齐作为研究的标准平面,对于所有进行的仿真模拟过程,都包含了模型的重力载荷。结果:所建立的带有头颅-颈椎三维非线性FEM具有优良的几何相似性。验证结果中的解剖几何测量、功能单元压缩验证和LCS、UCS各韧带拉伸验证、颈髓的力-位移曲线与尸体实验结果较为相近。在颈椎6自由度的扭转验证下,仿真模型的运动范围总体贴合体外实验。结论:本研究所建立的头-颈椎三维非线性FEM满足有限元分析的几何相似性和力学相似性,具有表达头颈部力学响应的特性,可用于颈椎的生物力学分析。研究二 头颈椎肌肉模型的结构构建目的:本研究在原有FEM的基础上添加主要的颈椎肌肉,拟建立带有肌肉组织的头颈椎模型,并进行模型的验证。验证后探讨当前模型中添加的被动肌肉（Passive Muscle,PM）对头颈运动范围和邻近软组织的力学影响。方法:使用Mimics 19.0、Geomagic Studio 2015软件提取舌骨、锁骨、肩胛骨及胸廓并作为肌肉的起止点。将以上组织导入Solidworks 2017装配,并导入Hypermesh 2019生成网格并赋予材料、属性和接触关系。其后在Hypermesh中是用1-D beam单元建立头颈椎的肌肉。等效生理横截面积PCSA设置、肌肉起止点位置的选择参考既往经典的解剖学研究。添加的头颈部主要肌肉共32组,其中腹侧颈肌被定义为屈肌,背侧颈肌被定义为伸肌。设置收缩力-长度曲线Fl（l）、收缩力-速度曲线Fv（v）和最大应力σmax,并得到最大等长收缩力Fmax。与此同时,设置被动弹性关系形状因子CPE和PEmax参数,从而建立带有1-D Hill单元的PM-FEM。完成后导入LS-DYNA R11.0显式求解器。选择尸体受试者（Postmortem human subjects,PMHS）4g后方冲击的实验测试数据进行验证,验证过程包含模型的重力载荷,总仿真时间为250ms。仿真模型得到的头颅转角-时间曲线与PMHS数据对比。其后,对未加入肌肉单元的原模型进行相同边界条件的后方碰撞仿真,并与验证后的PM-FEM进行对比,观察肌肉材料的被动力学特性对头颅转角-时间曲线,椎体松质骨峰值Von mises应力,椎间盘峰值剪切应力,颈髓（硬脊膜、白质和灰质）峰值应变、峰值Von mises应力,以及UCS、LCS韧带峰值应变的力学影响。结果:带Hill肌肉单元的头-颈椎有限元模型较好地适应了高速运动下的动态验证,体现了该模型结构的稳定性。与PMHS实验数据对比结果显示验证模型曲线趋势较为一致,且模型得到的力学响应峰值在PMHS的数据区间内。与未添加肌肉单元的原模型对比,发现两者头颅转角-时间曲线趋势基本一致,且两模型出现峰值的时间点较为相同。但PM-FEM的峰值角度较原FEM少约6.29°,限制了 6.48%的ROM,且原FEM头颅转角-时间曲线超出了数据区间。同时,原FEM的头颅转角回缩幅值较当前PM-FEM少,前者回缩了4.04°,而后者则回缩达8.41°。原FEM与PM-FEM的松质骨、椎间盘和颈髓分析云图中提示,两模型的应力集中部位大致相同,但PM-FEM应力更为集中;力学响应的数据对比显示在松质骨方面,PM-EFM较原FEM多承载1.14-2.26倍的峰值Von mises应力;在椎间盘方面,PM-FEM多承载了1.05-1.70倍的峰值剪切应力;在颈髓方面则多承载了1.03-1.22倍的峰值应变和1.23-2.55倍的峰值Von mises应力。由此可见,PM-FEM相较原FEM受到更大的应力。而在对比韧带峰值应变方面,PM-FEM也普遍受到更大的韧带峰值应变。结论:本研究在原非线性头颈椎有限元模型的基础上构建了 Hill肌肉单元,并完成了高度运动状态的动态验证,有较好的结构稳定性。此外,作为应力传导结构的肌肉组织,其被动力学特性带来了额外的刚度,对头颈运动范围和邻近软组织的力学响应出现了一定的影响:①在不接受神经调节系统的激活下,肌肉的材料特性（被动行为）能限制骨骼和关节的运动。②肌肉的被动行为可以对骨骼、椎间盘等邻近结构产生间接载荷。在受到载荷后,张紧的肌肉会增加椎体、椎间盘等邻近结构的有效刚度,引起组织内更大的应力、应变集中分布。研究三 基于本体感受器与前庭系统反馈下的主动肌肉动力稳定:在头颈部过伸性损伤中的应用目的:本研究在前一章建立带肌肉单元的头-颈椎非线性有限元模型的基础上构建主动肌肉动力稳定系统,借助人体生物力学模型分析主动肌肉（Active muscle,AM）作用下组织的力学响应。方法:使用一个搭建了肌肉本体感受器及前庭系统的自平衡框架的OpenSim骨肌模型,选择一组志愿者实验的后方冲击的加速度曲线导入该骨肌模型中。通过模型的自平衡框架计算得到的头颈部腹侧屈肌主动肌肉激活函数A（t）,在LS-DYNA中生成曲线并与各Hill肌肉单元关联,构建肌肉的主动收缩力FCE。其中,共12组屈肌出现了不同程度的主动激活函数,分别是:头长肌、颈长肌、胸锁乳突肌-胸骨端、胸锁乳突肌-锁骨端、前斜角肌、中斜角肌、后斜角肌、頦舌骨肌、下頷舌骨肌、肩胛舌骨肌、胸骨舌骨肌和茎突舌骨肌。其后选择志愿者的测试数据进行FEM的有效性验证,总仿真时间为225ms。仿真模型得到的头颅转角-时间曲线与志愿者测试数据对比。将前一章的PM-FEM进行相同边界条件的仿真实验。将AM-FEM与PM-FEM进行对比,观察肌肉主动收缩作用下模型的动力学响应。观察指标如下:①头颅转角-时间曲线以及两模型的工况对比;②各椎体松质骨的峰值Von mises应力数据和云图、峰值剪切应力数据和峰值压应力数据;③各椎间盘的峰值Von mises应力数据和云图、峰值剪切应力数据和峰值压应力数据;④颈髓的峰值应变数据及云图、峰值Von mises应力数据、峰值剪切应力数据和峰值压应力数据;⑤UCS、LCS韧带峰值应变数据。结果:AM-FEM头颅转角-时间曲线趋势与志愿者实验数据曲线一致程度较高,且曲线峰值在实验数据区间内,加载阶段头颅转角峰值角度为-39.64°,较PM-FEM减少了约25.11°,限制了 38.78%的ROM。PM-FEM由于没有产生肌肉激活,其曲线总体在志愿者实验数据区间以外。与PM-FEM的运动工况不同,AM-FEM在50-100ms出现颈部的稍向前屈曲。随着加速度加大,在l00ms后出现头-颈椎角度回缩并逐渐向后伸展,头-颈椎在225ms达到最大的旋转角度。在各椎体松质骨的力学响应对比中发现,AM-FEM云图的分布面积显著比PM-FEM小。AM-FEM较PM-FEM少承载1.43倍-3.04倍的峰值Von mises应力,1.25倍-3.00倍的峰值剪切应力以及2.83倍的峰值压应力。在各椎间盘的力学响应对比中发现,AM-FEM在C2/3、C3/4椎间盘处承载更少的峰值Von mises应力、峰值剪切应力和峰值压应力,但在C4/5、C5/6及C6/7椎间盘的比较中则呈现相反的结果,尽管云图中PM-FEM的各椎间盘云图受力面积较AM-FEM广泛,但云图也提示AM-FEM在尾端的部分椎间盘后方承载了较高的峰值应力。在C2/3椎间盘和C3/4椎间盘,AM-FEM较PM-FEM少承载1.71倍和1.21倍的峰值Von mises应力,1.21倍和1.74倍的峰值剪切应力,以及1.16和1.14倍的峰值压应力;而在C4/5、C5/6及C6/7椎间盘中,AM-FEM则多承载1.38倍、1.12倍和1.18倍的峰值Von mises应力,1.37倍、1.32倍和1.18倍的峰值剪切应力,以及1.50倍、1.44倍和2.22倍的峰值压应力。在白质和灰质的比较中,AM-FEM较PM-FEM少承载2.34倍和1.37倍的峰值应变,2.33倍和1.34倍的峰值剪切应变。云图也提示AM-FEM承载的应变分布面积显著比PM-FEM小。在峰值Von mises应力、峰值剪切应力和峰值压应力的比较中,AM-FEM较PM-FEM少承载4.48倍和21.39倍的峰值Von mises应力,3.61倍和20.29倍的峰值剪切应力,以及3.15倍和3.76倍的峰值压应力。在韧带的力学响应对比中,AM-FEM较PM-FEM受到更小的韧带峰值应变,其在UCS段限制了 21.82%-61.61%的峰值应变,在LCS段则限制了 0.84%-50.35%的峰值应变。结论:主动肌肉的动力稳定能限制过度的关节运动。另外,在外在载荷作用下,具有主动肌肉力量的模型可以起到降低邻近组织的峰值应力、应变,以及减少载荷分布的作用。提示了头-颈椎周围的肌肉主动力降低了生物组织的损伤容限,对头颈部的结构起到一定的保护作用。但肌肉的主动激活可能会增加对LCS段椎间盘的压缩力以及LCS段韧带的额外负荷。