汽车碰撞事故中下肢的损伤容限与机制

汽车碰撞事故中下肢的损伤容限与机制
陈海斌;王正国;Albert I King;Liying Zhang
【摘要】为开展汽车碰撞事故的实验分析和数值建模,综述了下肢的损伤容限数据和损伤机制.被选文献起1859年的自股骨三点弯曲试验数据(Weber),直至2009年的行人下肢多刚体建模数据(Kerrigan).数据表明:在汽车碰撞事故中下肢损伤较为多见,其症状常常为大面积软组织撕裂或缺损,并伴有严重骨折或脱位.对于股骨、髌骨、膝关节、胫骨和踝关节等下肢部位,比较了在静态、动态条件下的弯矩、扭矩、轴向压缩力的损伤容限数据.对于膝关节伤、长骨干骨折、股骨颈骨折、股骨髁骨折、踝关节骨折、脚骨骨折等典型伤类,讨论了下肢撞击的损伤机制.
【期刊名称】《汽车安全与节能学报》
【年(卷),期】2010(001)004
【总页数】7页(P253-259)
【关键词】交通事故;碰撞;下肢;损伤;容限;生物力学
【作者】陈海斌;王正国;Albert I King;Liying Zhang
【作者单位】第三军医大学,大坪医院,野战外科研究所,创伤、烧伤与复合伤国家重点实验室,重庆,400042;第三军医大学,大坪医院,野战外科研究所,创伤、烧伤与复合伤国家重点实验室,重庆,400042;Bioengineering Center,Wayne State University,Detroit,Michigan48202,USA;Bioengineering Center,Wayne State University,Detroit,Michigan48202,USA
【正文语种】中文
【中图分类】Q66
随着安全防护装备的广泛应用，汽车碰撞事故中下肢损伤较为多见，其症状常常为大面积软组织撕裂或缺损，并伴有严重骨折或脱位[1–5]。

配有安全气囊的汽车发
生碰撞时，未系安全带的乘员常常下肢损伤严重；那些原本会在未配有安全气囊的汽车中因剧烈的正面碰撞而死亡的乘员，在配有安全气囊的汽车中有可能幸存下来，从而增加了下肢损伤的发生。

另外，两车相向偏置碰撞，极易造成驾驶员一侧车体严重变形，从而引起下肢关节和骨骼的损伤。

因此，汽车碰撞事故中的下肢损伤引起人们越来越多的重视。

股骨和胫骨的损伤容限，在20世纪进行了较多的研究。

Weber[6]和Messerer[7]报道了股骨和胫骨静态损伤容限数据。

从Patrick等[8]的研究开始，人们获得了股骨动态损伤容限数据，而胫骨动态损伤容限的数据较少。

由于下肢的解剖结构较为复杂，下肢的损伤机制尚未明了。

为此，本文将分别介绍下肢的下列部位的损伤容限与损伤机制：股骨、髌骨、膝关节、胫骨、踝关节和足。

1.1 股骨的损伤容限
1.1.1 静态数据
最有代表性的是Weber[6]（1859）、Messerer[6–7]（1880）、Yamada[9]（1970）所报道的股骨静态损伤容限数据。

如表1所示，他们通过尸体股骨的三
点弯曲/扭转/轴向压缩试验，测试了股骨干骨折弯矩/扭矩/轴向压缩力、股骨颈骨折轴向压缩力的静态损伤容限，以及性别、年龄等因素对股骨静态损伤容限的影响。

1.1.2 动态数据
Patrick等[8]（1965）首次采用台车正碰试验测试股骨动态损伤容限。

试验对象（尸体）经防腐处理、呈坐姿、未系安全带。

在多数试验中，膝部定向碰撞覆盖有37 mm厚衬垫的刚性表面。

刚性碰撞可造成髌骨骨折，但是在股骨干中有一半以
上未发生骨折；股骨骨折类型为髁上骨折、转子间骨折以及骨干骨折；造成骨折的撞击力峰值从4.2 kN到17.1 kN。

据此，他们估计：股骨骨折的轴向撞击力容限
为6.2 kN。

Patrick等[10]（1967）的补充实验却显示，在带有衬垫的碰撞中，股骨承受的撞击力达到8.8 kN时仍不发生骨折。

Powell等[11–12]（1974，1975）则首次利用摆锤刚性碰撞试验测试股骨动态损伤容限。

在撞击力为11 kN时出现股骨干或股骨颈骨折，而发生髁骨折的撞击力
范围为7.1~10.4 kN。

当发生髌骨骨折时，未发生股骨骨折（在15次试验中，这种情况共发生了8次）。

Melvin等[13]（1975）以及Melvin和Stalnaker[14]（1976）用2种不同质量
的摆锤撞击头（4.3 kg和11 kg）对26具未经防腐处理的尸体（15具男性尸体）的膝部进行碰撞实验。

碰撞实验中，下部躯干可自由向后摆动。

分别进行了7次
刚性碰撞、28次带有25 mm厚Ensolite衬垫的碰撞和5次带有50 mm厚蜂窝
铝块的碰撞。

在刚性碰撞中，在最大撞击力平均值为18.8 kN时发生了2例骨折，5例无骨折的最大撞击力为16.2~22.7 kN。

在带有薄衬垫的碰撞中，发生了5例髁上骨折和1例不明确的骨折，发生骨折的最大撞击力范围为13.3~28.5 kN。

在带有厚衬垫的5次碰撞中，发生了2例髁骨折和1例股骨骨干骨折；2例髁骨折
时的载荷未有记录，1例股骨骨干骨折时撞击力为19.7 kN，其他两项无骨折时平均撞击力为14.7 kN。

Viano和Stalnaker[15]（1980）总结分析了Stanlnaker等[16]（1977）的实验结果：使用了与Melvin等[13]（1975）所述的相同的实验方法，对6具尸体进行了13次膝部碰撞试验。

6例刚性碰撞试验产生的股骨干骨折、股骨颈骨折或髁骨
折的最大撞击力范围为13.4~28.5 kN。

2次带有薄衬垫的碰撞试验的最大撞击力
平均值为15.7 kN，且2例均发生双侧髁骨折。

在带有厚衬垫的碰撞试验中，在5.3~14.0 kN的撞击力范围内3例均未发生骨折。

表2列出了典型的股骨动态损
伤容限数据。

另外，Viano[17]（1977）、Lowne[18]（1982）、Nyquist[19]（1982）分别提出了一个股骨损伤标准（见表3）。

在Viano[17]（1977）和Lowne[18]（1982）的股骨损伤标准中，股骨损伤容限不仅计入造成股骨骨折所需的轴向撞击力（F）峰值，还计入了轴向撞击力作用时间（T）。

在Nyquist[19]（1982）的KTHIC（膝—大腿—髋部损伤标准，Knee-Thigh-Hip Injury Criteria）标准中，股骨轴向撞击力以脉冲持续时间行指数加权，构建KTHIC函数；根据实际计算的KTHIC值与临界KTHIC值的比较，确定股骨损伤程度，类似于“Gadd伤情评分”在头部损伤中的应用。

1.2 髌骨的损伤容限
通过上述用来测定股骨容限的、各种类型的膝部碰撞来推导髌骨容限比较困难。

目前，仅有的、能够可靠使用的数据为无髌骨破裂的膝部刚性碰撞试验的结果。

Patrick等[8]（1965）报道了9例撞击力小于8.9 kN时未发生髌骨骨折的刚性碰撞。

最大轴向撞击力为为4.2~11.8 kN。

Powell等[11–12]（1974，1975）进行的3例无骨折试验所获得的数据与之相似，为6.7~8.8 kN。

Melvin等[13]（1975）以及Melvin和Stalnaker[14]（1976）的摆锤试验表明：一块髌骨在经受22.7 kN撞击力的多次碰撞后仍未发生骨折；这些结果分布范围广，最大值与最小值之间相差达5倍，其范围为4.2~22.7 kN。

可能的原因是： 1）在一些刚性碰撞中，髌骨可能未直接受到撞击作用； 2）正常情况下，髌骨不易受到外力作用，髌骨中初始的微裂纹较少； 3）髌骨解剖结构紧凑，骨质密度高。

Melvin等[20]（1969）以不同的速度对髌骨进行了集中载荷式碰撞。

使用了3种不同的撞击头。

有2种为表面平整的撞击头，圆形接触表面的直径分别为15.5和10.9 mm；第3种为环形撞击头，外径为12.7 mm，内径为6.4 mm。

造成骨折
的最小撞击力峰值为2.5~3.1 kN，造成骨折的平均撞击力峰值为4.6~5.9 kN。

随碰撞速度不同，髌骨骨折形式也存在很大差异。

当碰撞速度为16和32 km/h
（10和20 mile/h）时可发生完全穿透性骨折。

同膝部碰撞获得的数值相比，髌
骨容限可能更接近于这些数值。

表4列出了典型的髌骨动态损伤容限数据。

1.3 膝部的损伤容限
汽车碰撞事故中，容易发生膝部同仪表板的碰撞，导致膝部软组织损伤。

损伤类别主要有2种：1) 在膝关节下方撞击胫骨所致的后交叉韧带（PCL）撕裂[21]；2)膝部与控制板碰撞所致的髌—股关节的创伤后骨性关节炎[23]。

见表5。

1.3.1 后交叉韧带（PCL）撕裂
Viano等[21]（1978）用撞击头撞击胫骨的胫骨结节，向后推动胫骨并造成膝关
节的后向半脱位。

撞击头位于膝关节的旋转中心上方的150 mm2处，小腿屈曲90°，尸体以坐姿固定；碰撞速度为6.0 m/s，平均撞击力为5.2 kN。

在7次尸体试验中，仅发生1例PCL撕裂，2例无损伤。

其他损伤包括胫骨骨折和外侧韧带
撕脱伤。

随后，Viano和Culver[22]（1979）进行了2次台车试验。

试验中，将膝部的固定点放低，便于撞击股骨近端，而不是撞击膝部。

在2项试验中，均可
见PCL的拉伸和撕裂。

1.3.2 髌-股关节的创伤后骨性关节炎
Atkinson等[23]（1997）对6具尸体的12个膝部进行了试验。

其中一侧膝部行
刚性碰撞，对侧膝部行有衬垫的碰撞。

撞击头质量为4.8 kg，对撞击头的速度进
行调节以使其在有、无衬垫的碰撞中能够产生大约相同的撞击力。

刚性碰撞的平均撞击力峰值为5.9 kN，而有衬垫的平均撞击力峰值为5.8 kN。

在6次刚性碰撞中，4例为髌骨的横向骨折，2例为股骨髁伴发骨折。

在轻伤中，6块髌骨发生4例海绵骨的水平和/或垂直方向的隐匿的微裂纹。

在撞击力稍大的、有衬垫的碰撞中，
未发生肉眼可见的髌骨骨折，也未见微裂纹。

在有衬垫的碰撞中，可见载荷分布更加均匀的证据以及可能由髁分担载荷的证据。

在刚性碰撞中最大髌骨–股骨接点压力平均为13.5 MPa，在有加衬垫的碰撞中为11.4 MPa。

这2种碰撞条件下髌–
股接点压力差异提示：如果在仪表板上采用适当刚度的衬垫，则可避免轻伤、髌骨骨折和股骨远端骨折。

这意味着，衬垫应具有0.69~1.35 MPa的挤压强度。

1.4 胫骨的损伤容限
1.4.1 静态数据
最典型的是Weber[6]（1859）、Messerer[6–7]（1880）、Yamada[9]（1970）所报道的胫骨静态损伤容限数据，如表6所示。

他们通过尸体胫骨的三点弯曲/扭
转/轴向压缩试验，测试了胫骨干骨折弯矩/扭矩/轴向压缩力的静态损伤容限，以
及性别 / 年龄、撞击力方向等因素对胫骨静态损伤容限的影响。

1.4.2 动态数据
Kramer等[24]（1973）以4~8 m/s的碰撞速度在尸体小腿上进行了200多次摆锤碰撞试验。

可惜的是，所得胫骨骨折数据的分布范围非常大。

例如，碰撞速度为4 m/s时，胫骨在1 kN的轴向撞击力作用下骨折；然而，在7.1 m/s时，一些胫骨在5.8 kN的轴向撞击力作用下仍未骨折。

其他实验也有类似的结果。

因为数据非常分散，所以未能获得胫骨动态损伤容限标准。

Nyquist等[25]（1985）的实
验数据显示：男性和女性的胫骨动态损伤容限数据之间存在差异；载荷方向为AP 方向和LM方向时胫骨动态损伤容限数据之间也存在差异，这主要是腓骨引起。

1.5 踝部的损伤容限
第一次静态踝部试验是利用Instron材料试验机以4.2 mm/s的速度对尸体足和胫骨远端施加轴向压缩作用。

对每具尸体的双足进行了试验。

在每一次试验中将足内旋，平均旋转360°时发生跟骨前部骨折。

左右足骨折的轴向压缩力容限分别为
5.5 kN和3.3 kN。

第一次踝关节向背弯曲的动态试验是由Begeman和Prasad[26]（1990）进行的。

将带足的胫骨远端固定，用摆锤撞击足部。

碰撞使足部向背弯曲以模拟正面碰撞时的刹车动作。

踝关节处的撞击力、力矩与角位移的相关性不佳。

进一步分析发现，以向背弯曲的角度大小表示踝关节损伤容限最为合适。

在45°时，踝关节处发生骨性骨折或韧带断裂的概率为50%。

Begeman等[27]（1993）发现，踝关节在内翻和外翻是的损伤容限也可用角位移来表示。

数据分析显示，内翻或外翻60°时发生损伤的概率为50%；损伤包括韧
带撕裂以及骨性骨折和撕脱性骨折。

Portier等[28]（1997）发现，容限水平应以踝关节处的力矩表示。

他们所提出的向背弯曲力矩容限为60 Nm。

在选用向背弯
曲角度时，他们发现在30°而非45°时发生损伤，但是对该差异尚无解释；该研究也未提供分析图表。

在获得更多的数据之前，踝关节容限应使用屈曲角度以及内翻/外翻角度表示。

2.1 膝关节伤
在体育运动中，膝关节是下肢最常见的受伤关节。

在汽车碰撞事故中，当其与仪表板接触或发生碰撞时，膝关节也经常受伤[21]（Viano, 1978）。

在过去，如果小
腿或下肢刚好在膝关节以下部位受到碰撞而不是髌骨受到碰撞，通常会发生后交叉韧带撕裂。

当代汽车内驾驶员前面的仪表板是斜向下方的，增大了乘员搁脚空间，从而确保该后交叉韧带不会受损。

同时，仍有一些汽车驾驶室内设计有比较坚硬的表面，可导致髌骨破裂。

Hayashi等[29]（1996）发现，为了防止髌骨破裂和股
骨髁远端的劈裂骨折，需使用刚度约为670 kPa的衬垫覆盖仪表板。

太软的衬垫，可使膝关节嵌入仪表板中，从而使股骨产生较大的弯曲力矩，进而使股骨干中部发生骨折。

Atkinson等[23]（1997）的研究显示，造成髌骨“亚骨折（subfracture）”的撞击力，可导致髌股关节中关节软骨的“变性（degeneration）”。

该情况系由软骨下骨（subchondral bone）的损伤所致，
最终可导致骨性关节炎。

2.2 长骨骨折
长骨骨折主要包括股骨干骨折和胫骨干骨折。

股骨干骨折是指股骨转子下2~5 cm 至股骨髁上2~5 cm的骨干骨折，以10岁以下的儿童多见。

成人多为完全性骨折，而儿童可见青枝骨折。

由于股骨干周围有三组强大的肌群，即伸肌群、屈肌群、内收肌群，因此骨折移位较明显。

胫骨干骨折临床很常见。

由于胫骨浅表，很容易引起皮肤破裂和肌肉挫伤。

对儿童常为青枝骨折。

股骨和胫骨的骨干骨折一般是由弯曲载荷所引起。

对于股骨而言，当膝部嵌入软性仪表板时，作用于膝部的力形成股骨的弯曲力矩。

对于胫骨而言，胫骨干骨折主要是由于驾驶室内的某些结构（例如，仪表板的底角）直接作用于胫骨干所致。

2.3 股骨颈骨折
股骨颈骨折是老年人最常见的骨折，特别是老年妇女。

患者受伤后不少仍能活动髋关节，甚至能行走，数天或数周后才出现明显的骨折体征。

老年人骨质疏松，特别是股骨颈骨质脆弱，轻微的外伤，如被自行车撞倒，大转子着地或肢体突然扭转，即可发生股骨颈骨折。

而青壮年该骨折很少见，如若发生，大多因遭受较强大的暴力所致，如车祸。

偶尔也可见于因过度负重行走而逐渐发生股骨颈骨折，称之为疲劳骨折。

2.4 股骨髁骨折
股骨髁骨折发生率较低。

股骨髁骨折的发生机制，有直接暴力与间接暴力，如跳车跌下时足跖着地或外力平行冲击股骨下端。

如暴力继续传导骨折的近端，股骨下端插入二髁之间，将股骨髁分为内外两块，成为T或 Y型骨折；如冲击性外力加于
股骨下端内或外髁（内翻或外翻暴力），则发生单髁骨折，即内髁或外髁骨折。

2.5 踝关节伤
该关节常见的骨性损伤包括内外踝骨折、距骨颈骨折和远端胫骨Pylon骨折。

软
组织损伤包括踝关节周围多条韧带的撕裂。

在偏置碰撞中，驾驶员搁脚区域被挤压之后可使脚发生向背弯曲以及内翻或外翻。

这些旋转运动可导致距骨骨折和髁骨骨折以及韧带损伤[26–27]（Begeman, 1990, 1993）。

Pylon骨折看起来是由通过足中段传导的、强大的踏板刹车力和强大的腓肠肌力同时作用所致。

这种骨折见于剧烈的正面碰撞。

但是，因为尸体胫骨中难以模拟沿着腓肠肌的、恒定的肌肉力，所以该类骨折在尸体胫骨中难以复制。

Kitagawa等[30]（1998）描述了在实验室中再现这种骨折的方法。

因为Pylon骨折是导致下肢最严重残疾的因素之一，所
以该发现非常重要。

2.6 脚骨骨折
脚骨骨折生物力学机制的研究非常少。

为了研究脚骨Pylon骨折，Kitagawa等[30]（1998）复制了一种跟腱张力所致的跟骨劈裂骨折。

奇怪的是，这些由肌肉
诱发的骨折发生时足中段受到的撞击力要大于胫骨Pylon骨折时足中段受到的撞
击力。

也就是说，若远端胫骨有较高的损伤容限，则跟骨将发生骨折。

有人尝试在无腓肠肌的辅助下诱发Pylon骨折，但均未成功。

其中的一项研究中，研究人员
通过跟骨的底部将压缩载荷直接作用于胫骨。

在这种状况下，跟骨发生压缩性骨折。

由于该骨折耗散了大量的压缩载荷、抑制了可传导至胫骨的压缩力幅值大小，因而未能产生Pylon骨折。

足的向背弯曲运动，可导致距骨颈部骨折。

刹车踏板可导
致跖骨骨折，但是其机制尚不明确。

在汽车碰撞事故中下肢损伤较为多见，其症状常常表现为大面积软组织撕裂或缺损，并伴有严重骨折或脱位。

本文比较了股骨、髌骨、膝关节、胫骨、踝关节和足等下肢部位的、在静态、动态条件下的弯矩、扭矩、轴向压缩力的损伤容限数据；讨论了膝关节伤、长骨干骨折、股骨颈骨折、股骨髁骨折、踝关节骨折、脚骨骨折等典型下肢撞击伤的损伤机制。

作者希望本文所综述的研究结果能为下肢损伤的实验分析、数值建模提供有益的参考。

陈海斌
博士，第三军医大学野战外科研究所副研究员，重庆市生物医学工程学会常务理事、国际交通医学学会（ITMA）会员、美国机动车工程师学会（SAE）会员、美国机
械工程师学会（ASME）会员、国家公派赴美（韦恩州立大学生物医学工程研究中心）访问学者。

主要从事碰撞生物力学、肺冲击伤损伤机制、血液流变学、致伤模型和精密仪器等方面的研究。

CHEN Haibin
Ph.D, an Associated Research Professor of the Research Institute of Surgery at theThird Military Medical University, an executive council member of theBiomedical Engineering Society of Chongqing, and a member of theInternational Traf fic Medicine Association(ITMA) and theSociety of Automotive Engineers(SAE) as well as theAmerican Society of Mechanical Engineers(ASME). Dr. CHEN was supported by the Chinese government to work at theBioengineering CenterofWayne State Universityin USA as a visiting scholar. His areas of expertise include impact biomechanics, pulmonary blast injury mechanisms, blood rheology, injury models and precision instrument.
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