后向跌倒过程中脊柱胸腰段受力的实验及有限元研究

目的:以动力学仿真软件获取志愿者后向跌倒过程中胸腰段受力状况的运动、动力学数据,作为有限元加载条件,评估跌倒过程中脊柱局部应力情况.方法:选取1名健康志愿者(男性,27岁,175cm,70kg),随后对志愿者躯干进行CT扫描.然后,在Anybody人体建模仿真系统软件中建立骨骼肌肉模型,志愿者站立并后向倾斜30°,在无防备状态下后向摔倒构建跌倒过程中人体骨骼肌模型.根据志愿者CT数据建立并优化有限元模型,模型在施加7.5N·m力矩模拟前屈、后伸、左右侧弯及旋转范围,验证模型有效性后,将获取后向跌倒状态下着力点、应力传导方向及受力区应力值作为加载条件并赋予人体胸腰段有限元模型进行有限元分析.结果:Anybody人体建模仿真系统软件模拟后向跌倒实验中,志愿者呈无意识后向跌倒姿态,骶尾部最先着地;臀部与测力台冲击的总时间为1.14s,最大冲击力达4056N;模型以坐骨结节为力加载点,由骶尾部沿脊柱长轴向头部进行力学加载.有限元结果显示,应力经传导主要集中于T11～L2节段;在该节段中,椎体前缘平均应力达16.6MPa;上下关节突平均载荷达25.4MPa,椎板及椎弓根与椎体连接处也出现明显的应力集中,平均应力为26.2MPa.结论:后向跌倒时胸腰段所受应力较大,骨折风险较高.