骨质疏松对老年驾驶员下肢碰撞损伤的影响研究

摘要

随着汽车保有量的不断增大，道路交通事故发生概率随之增加，其中正面碰撞事故占比最大。我国现阶段老龄化问题日益严峻，道路使用者的平均年龄也逐步增大，而老龄化所带来骨质疏松这一高发疾病将改变人体的损伤机理与损伤容限。下肢长骨与关节是容易发生老年性骨质疏松的部位，而正面碰撞中经常出现下肢损伤，这会给受害人生活带来极大困扰。近年来对道路使用弱势群体的损伤研究是一个热点，但骨质疏松症对下肢碰撞损伤的影响仍然未知。明确骨质疏松症对下肢损伤影响不仅能为下肢防护装置和约束系统设计提供数据支持，也能为以后碰撞安全法规中规定患有骨质疏松症老年驾驶员的损伤准则提供理论依据。　　本文的研究目的是探究汽车前碰撞中老年性骨质疏松与肌肉激活对下肢损伤的影响。通过增加臀部、大腿和小腿部位模拟肌肉主动力的Hill单元数量，修改下肢骨骼与关节的材料参数，将老龄化因素考虑至模型当中，并运用减薄下肢骨骼皮质骨厚度和降低松质骨密度的方法来降低骨含量，最终建立了骨量减少18.5%和26.2%的老年驾驶员下肢有限元模型。将已建立好的模型进行静态三点弯曲、动态三点弯曲、以及冲击试验的仿真，通过与尸体实验数据对比验证模型的有效性。选取本田2014款ACCORD作为碰撞试验车，建立包含驾驶员-约束系统的简化驾驶舱模型，并进行前碰撞验证。建立真实的碰撞仿真环境，提取三种碰撞初速度(40km/h、50km/h、60km/h)的加速度曲线和下肢肌肉激活曲线作为仿真子系统输入。设计18组仿真序列，设计变量包括碰撞强度、下肢骨质疏松程度与肌肉是否激活。　　研究结果表明，老年性骨质疏松降低了下肢的承载能力，包括股骨轴向力和胫骨指数TI等动力学响应会随着骨含量降低而减小，但由于骨骼截断面积与密度的减小，三种碰撞强度下骨质疏松组的主要骨骼的应力峰值保持较高水平，而骨质疏松骨骼材料的抗拉与抗压极限下降将导致骨折风险增加，在碰撞速度64km/h的工况下肢的胫骨远心端、股骨近心端、髂骨和骶骨发生不同程度的骨折。下肢股骨轴向力和胫骨指数TI的受肌肉主动力影响后增大，且肌肉激活后下肢主要骨骼的等效应力峰值增大，在低速与中速碰撞工况下尤为明显，因此肌肉主动力加剧了下肢的损伤。在初速度为50km/h的碰撞中，肌肉未激活时下肢未出现明显损伤，而肌肉激活使得骨质疏松下肢模型的胫骨远端与骶骨出现轻微骨折；高速碰撞工况中具有肌肉主动力的骨质疏松下肢模型新增髋关节坐骨股骨的损伤。

目录

声明

第 1 章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 下肢损伤生物力学研究现状

1.2.1 乘员下肢损伤机理

1.2.2 下肢损伤分级与损伤准则

1.2.3 乘员下肢模型研究进展

1.3 下肢骨骼骨质疏松的研究现状

1.4 研究目的及主要内容

第 2 章 下肢解剖学与骨质疏松介绍

2.1 人体下肢解剖学

2.1.1 下肢骨骼系统

2.1.2 下肢肌肉解剖学结构

2.1.3 下肢关节系统

2.2 下肢骨骼肌特性

2.2.1 骨骼肌解剖学结构

2.2.2 Hill 本构模型

2.3 骨质疏松介绍

2.3.1 骨质疏松症诊断标准

2.3.2 骨质疏松对骨骼生物力学的影响

2.4 本章小结

第 3 章 老年性骨质疏松下肢模型建立与验证

3.1 下肢模型的建立

3.1.1 下肢肌肉模型

3.1.2 下肢骨骼模型

3.1.3 下肢关节模型

3.1.4 乘员主动肌肉下肢有限元模型

3.2 下肢模型验证与不同骨量间仿真结果的对比

3.2.1 下肢长骨生物力学试验

3.2.2 腿部动态三点弯曲试验

3.2.3 足部-小腿冲击试验验证

3.2.4 KTH 冲击试验验证

3.3 本章小结

第 4 章 前碰撞中骨质疏松对老年驾驶员下肢损伤影响

4.1 驾驶员-约束系统简化模型建立与验证

4.1.1 混合假人模型

4.1.2 整车前碰撞模型的建立及验证

4.1.3 驾驶员-约束系统简化模型的建立

4.1.4 驾驶员-约束系统简化模型的验证

4.2 汽车前碰撞中下肢真实加载环境的建立

4.2.1 真实碰撞驾驶环境建立方法

4.2.2 驾驶员刹车的真实碰撞环境的建立

4.3 本章小结

第 5 章 骨质疏松对老年驾驶员下肢损伤影响

5.1 前碰撞仿真序列的建立

5.2 老年性骨质疏松对驾驶员下肢损伤影响

5.2.1 老年性骨质疏松对下肢动力学响应的影响

5.2.2 老年性骨质疏松对下肢生物力学响应的影响

5.3 肌肉激活对驾驶员下肢损伤影响

5.3.1 肌肉激活对驾驶员下肢动力学响应的影响

5.3.2 肌肉激活对下肢生物力学响应的影响

5.4 骨质疏松老年驾驶员的下肢防护

5.5 本章小结

总结和展望

参考文献

附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

致 谢