冲击损伤生物力学研究进展
作者：刘炳坤
单位：航天医学工程研究所，北京 100094
关键词：冲击耐力；冲击损伤；生物力学；动态响应
航天医学与医学工程990115 摘要:冲击损伤生物力学是近代发展起来的新学科，它是现代生物力学的重要分支之一。其主要研究内容大致分为5个方面：冲击损伤机理；生物力学响应；人的耐受性；人的代用品及人体防护等。本文综述冲击损伤生物力学在上述5个方面的研究进展。
中图分类号：R852.22 文献标识码：A 文章编号：1002-0837-(1999)01-0062-05
Progress of Research on Impact Injury Biomechanics
LIU Bing-kun
, 百拇医药
(Institute of Space Medico-Engineering,Beijing 100094,China)
Abstract：Impact injury biomechanics is a new topic and a significant branch of the modern biomechanics.It can be divided into five fields,including impact injury mechanisms,biomechanical responses，human tolerance,human surrogate and protective measures.This paper describes the progress of research on impact injury biomechanics in these fields.
Key words:impact tolerance；impact injuries；biomechanics；dynamic responses
, 百拇医药
冲击损伤生物力学(Impact Injury Biomechanics)是研究冲击过程中人体组织或器官损伤机理及其防护的一门边缘交叉学科；也可称其为一门损伤防止与控制的科学。它是现代生物力学研究的一个重要分支。其根本任务是通过改善环境条件使人体损伤的程度和可能性降至最低。该学科涉及的主要方面是交通机动车辆碰撞、航空航天救生、与体育运动及坠落有关的损伤及防护等。该学科的研究对于保障和提高冲击环境中人的安全可靠性具有重要意义。它的研究内容大致可分为5个方面: ①损伤机理②生物力学响应③耐受性④代用品⑤防护。本文综述冲击损伤生物力学的研究与进展。
研究的特点
本世纪七十年代，交通事故伤已发展成为威协人身安全的第一大公害，航空和航天事故也时有发生。因此，积极采取有效措施避免事故发生及保障人身安全已成为世界发达国家关注的焦点问题。许多学者投入到这一领域的研究，经过近几十年的努力取得了大量的成果并逐步形成了一门新的学科—冲击损伤生物力学[1,2]。冲击损伤生物力学研究的最大困难在于不能对活人进行有损伤性的实验研究。因此，必须借助于其它手段进行研究，其常用的研究途径有碰撞事故调查与重建、临床研究、志愿者实验、人尸体实验、假人实验、动物实验、数学模型等。这些研究途径各有优缺点，如表1所示。一般来说，人新鲜尸体是进行冲击损伤生物力学研究的较好的代用品[1,2]，但它缺乏活体肌肉的响应，缺少冲击对机体造成的生理或病理反应的直接观察，在这些方面动物实验是一种有益的补充。对动物可以做到损伤水平，可以通过手术方法研究其机体内部组织和器官的动态变化过程，因此动物实验是探讨损伤机理的较好方法。因为动物体的质量分布、形态特征以及组织和器官的生物力学特性和人体相比，具有较大的差别，所以由动物实验的定量结果难以推广到人体上。由此可见，冲击损伤生物力学研究的突出特点是要利用多种途径进行综合研究才能得出适用于人的可靠结论。
, 百拇医药
表1 冲击损伤生物力学研究途径的适宜性
Table 1 Applicability of routes in impact injury biomechanics research 途径
(routes)
损伤机理
(biomechanics)
冲击响应
(responses)
冲击耐受性
(endurance)
评价技术
, 百拇医药
(evaluat.tech.)
碰撞事故调查或重建(crash accident investigation or rebuild)
***
*
**
**
临床研究(clinical research)
***
*
*
*
志愿者实验(volunteer experiment)
, http://www.100md.com
*
***
*
**
人尸体实验(human corpse experiment)
****
****
****
**
假人实验(human surrogate experiment)
*
**
, http://www.100md.com
**
****
动物实验(animal experiment)
****
**
**
**
数学模型(methematical model)
*
**
***
***
, 百拇医药 注：*有限应用(limited applicability)，**适宜的(suitable)，***有重要价值(important)，****必需的(necessary)
主要研究成果
冲击损伤生物力学经过大量的实验和理论研究，在冲击损伤机理、生物力学响应、人的耐受性、人的代用品及人体防护等方面均取得了重要成果。现就主要成果论述如下。
损伤机理
损伤机理是对引起人体解剖和功能损害的力学因素的一种描述。即阐明人体组织或器官在冲击过程中是如何损伤的。它是冲击损伤生物力学研究的基础。目前的研究认为,钝器冲击损伤机理是组织的变形或应变程度超过了它的可恢复限[2]。
冲击性加速度或过载对全身作用的机制 一般认为冲击性加速度或过载对人体的影响与持续性加速度不同,它主要不是引起血液动力学改变,而是引起疼痛,短暂意识丧失和各种机械性损伤,如组织器官变形、撕裂及破坏等,严重时可致死亡。其影响的程度除了与冲击过载峰值、作用时间、过载速率3个基本参数有关外,还与过载作用的方向、人的体位、束缚状况等因素有关[3]。
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颅脑损伤机制 冲击环境中常见的颅脑损伤有两种：颅骨骨折和脑震荡。颅骨骨折往往是由于头部与周围环境介质直接碰撞、撞击引起,严重时合并脑损伤。脑震荡一般是由于突然减或加速度作用引起,脑的滞后运动在其组织中产生了剪应力及剪应变。
颈损伤机制 研究认为弯曲和压缩复合载荷作用是颈损伤的机理。碰撞过程中乘员头颈部惯性载荷引起的过度前屈和后伸，通常引起颈椎体骨折或颈椎棘突骨折。
胸、腹损伤机制 胸廓及腹部压缩,造成内脏器官牵拉、位移,引起脏器根部血管破裂。由于胸、腹部的粘弹性,高速冲击在较小的压缩变形下即可造成内脏器官的损伤。
脊柱损伤机制 压缩性骨折(常见于腰椎)，通常发生在弹射、坠落等场所。
下肢损伤 弯曲应力是引起长骨骨折的原因；张应力是引起膝关节 “+字"韧带断裂的原因。上述两种损伤通常发生在摩托车事故和高速弹射等场所。
, 百拇医药
生物力学响应
生物力学响应是指由于载荷作用而引起的人体组织或器官形状改变或位置变化的时间历程。冲击生物力学响应的测量与分析是建立数学模型的前提，也是制定损伤评定标准的基础。它包括两方面的内容：组织的本构方程(应力-应变关系)和位移、速度、加速度─时间关系曲线[3～5]。在这里提出两个重要概念：冲击谱和动力超调。冲击谱是描述系统的最大响应及最小响应与系统固有频率或阻尼的关系。人体可作为一个系统来看待，因此人体对冲击的响应取决于载荷的冲击谱。动力超调(Dynamic Overshoot)是指船(舱)体或人体上的载荷值超过输入舱底(或人体)的载荷的现象。动力超调取决于系统的弹性、几何结构、质量分布等。对人体来说，动力超调与人体的固有频率、束缚系统、座椅系统的动力学特性有关。
耐受性
损伤等级(AIS) 为使肌体损伤程度达到量化，美国机动交通医学会(1990)制定了损伤分级标准，如表2所示。
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表2 损伤等级标准
Table 2 Abreviated injury standard(AIS) AIS*
损伤程度(injury class)
0
无损伤(no injury)
1
微损伤(slight injury)
2
中损伤(moderate injury)
3
重损伤(serious injury)
, 百拇医药
4
严重损伤(severe injury)
5
危重损伤(critical injury)
6
死亡(death)
注：* AIS 3～4引起严重结果,但不危及生命 Note:* AIS 3～4 is referred to as practical tolerance level which causes a serious but not a life threatening injury
耐受性 指身体或身体局部能够抵抗特定损伤等级的力或加速度水平。这个特定的等级一般为: AIS 3～4。因年龄、性别、体质存在着较大的个体差异，因此现在把耐受性理解为对给定损伤水平(AIS)下发生特定损伤概率所对应的力或加速度水平。
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影响耐受性的因素 影响耐受性的因素主要有：①载荷性质;②个体特征;③姿态;④防护状况。
全身冲击性加速度耐限 全身在3轴向的耐受性各不相同。X方向耐受性最高,Y向次之,Z向最低。全身耐受的冲击加速度水平与加速度作用的时间历程有关,从文献[6]中得出全身冲击加速度救生耐限参考值，如表3所示。
表3 人体对全身冲击加速度救生耐限
Table 3 Human tolerance to whole body impact acceleration 方向
(direction)
冲击加速度限值(G)
(impact limit)
, 百拇医药
持续时间(s)
(time)
±Gx
40
0.1
±Gy
20
0.1
+Gz
18
0.1
-Gz
15
, 百拇医药
0.1
头部对冲击的耐受性[6]
①旋转:
=1800rad/sec2,
=50rad/sec
②平动:
(a)SI标准(Severity Index)
SI=∫tst0andt n=2.5
对于分布载荷：SI≤1000；
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对于集中载荷：SI≤400，(SI≥600,脑震荡)。
(b) J耐力(J-tolerance)
(c) EDI有效位移指数
fo=77Hz,ζ=0.707 EDI=0.15in
(d) 平均应变能 用冲击过程中在颅脑中产生的平均应变能作为衡量头部损伤的尺度。
(e)
(t1,t2,为冲击期间任意两时刻)
, 百拇医药
HIC值已被写入美国联邦机动车辆安全标准FMVSS208中。
颈部对冲击的耐受性 以不可忍受的颈部疼痛为限,颈部的运动范围和允许作用载荷如下:
前屈: α＝61～77°，M＝190 Nm
后伸: α＝60～76°，M＝68 Nm
α: 头相对于躯干旋转的角度;
M: 作用于头颈关节的力矩。
胸损伤耐限 对于前部冲击,胸壁瞬时速度和相对压缩量之乘积,对遭受AIS4级以上损伤25%概率VC限为1.0 m/s。对侧向冲击,C=40%,VC＝1.0 m/s[7,11]。
脊柱耐限[6] (1) +Gz作用下脊柱耐限(腰椎体不产生压缩性骨折)：
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(2) 复合过载作用下脊柱耐限：
β=SQR((DRIz/DRIl)2+(Gx/Gxl)2+(Gy/Gyl)2)
下肢骨耐限[6] 冲击力沿股骨长轴方向作用,压缩股骨而不产生股骨骨折的冲击力峰值如下：F＝23.14-0.71T，T<20 ms
F＝8.90， T≥20 ms
F: 单位KN
代用品
假人 假人应具有人体的基本结构和外形,在动力学响应方面尽可能和人具有相似性。假人是进行系统动力学环境评价以及防护性能评价的理想的代用品。国际上比较先进的假人在航空上使用的有ADAM[12]、汽车工程用的HybridⅢ[10]。近年来，假人在拟人程度、动力学响应与人的相近程度及测试技术等方面都有新的研究成果[18]。
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数学模型 人的代用品的另一种形式是数学模型。数学模型可以从理论上预测损伤事件的可能性;可以减少复杂实验的次数；节省实验经费。但任何模型都是对实际复杂问题的抽象,因而具有局限性,必要的实验研究是不可缺少的[9]。
数学模型的类型概括起来有3类: 集中参数动力学模型,多体联接的动力学模型和有限元模型[10,13～15]。如MADYMO模型是一种多体模型[10],它可用来模拟车辆碰撞时乘员的大致运动。该模型是3维的,具有20多个节段,这些节段用具有椭球形状的刚体代表。可以产生较为逼真的动画效果。集中参数模型用来描述冲击过程中人体的动态响应[13～15];有限元模型(如头部有限元模型、脊柱有限元模型)用来计算冲击载荷作用下在组织中产生的应力和应变等[16,17]。数学模型研究的趋势是将数学分析方法和计算机技术相结合，使得模拟碰撞冲击环境下人的动力学反应更加合理和可靠。
, 百拇医药
防护
保护乘员在冲击环境中不受伤害或降低伤害的程度是冲击损伤生物力学研究的最终目的。防护设计的一般原则是:(1)能够有效地分散冲击载荷;(2)有效地吸收冲击能量;(3)防护装置本身作用于人体的应力尽可能小;(4)防护装置本身应不影响乘员的正常操作能力;(5)尽可能让被保护者可接受。目前的防护装置有头盔、气袋、束缚带、吸能结构、缓冲和吸能座垫等[19～22]。防护技术的研究将在实用方面估计会有新的突破。值得注意的是，保持一个良好的身体姿态，保持载荷传递的均匀性，尽可能保持一个较大的承载面积都会提高人体对冲击的耐力。另外，只有从人-机-环系统工程的角度出发，力求防护设计在人-机-环三方面达到最佳匹配，才能最大限度地保障冲击环境中人的安全。
需进一步研究的课题
冲击损伤生物力学已被划分为几个特定的研究领域，包括冲击损伤机理和力学响应等基础研究以及防护与评价的应用研究。在这些特定领域中都需要进一步深入研究，例如，头部损伤机制，关节的响应，身体各部位对冲击的耐受性水平的定量化，更加拟人的假人及计算机模型的研制等。根据发展需要，提出急需进一步研究如下课题。
, 百拇医药
冲击损伤机理的研究 经过多年的研究,人们对颅脑、脊柱、胸腹部及四肢的冲击损伤机理已有所认识，但对冲击引起的神经损伤、内脏器管损伤及关节损伤的机理有待进一步研究。
3维复合冲击载荷作用下人体的耐受性 过去的研究主要集中在单方向冲击载荷作用下人体的耐受性，而在实际的冲击环境中，冲击矢量与人体体轴的夹角可能是任意值，即人体会受到复合力矢量的作用，在这种情况下是否仍可用单一方向人体的耐受性来评价，值得探讨。
模型仿真研究 以多刚体动力学和有限元分析为基础，建立人体动力学模型，结合计算机虚拟现实技术和多媒体技术的应用，研制出应用于冲击环境中人的动态响应特性及安全性理论分析的计算机软件，是冲击损伤生物力学研究的新动向。
加强防护措施的研究 防护技术的研究有利于降低人体损伤的程度和概率。未来防护技术的重点在于头颈部综合防护和四肢防护。
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[参考文献]
[1] Albert IK.Progress of research on impact biomechanics[J].J of Biomechanical Engineering，1993,115(4B):582～587
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, 百拇医药
[5] 刘炳坤，吴桂荣，张云然等.人体和猕猴肘关节损伤耐受性比较研究[J].航天医学与医学工程，1997,10(2):93～96
[6] Laananen DH.Aircraft crast survival design guide，Volume Ⅱ: aircraft crash enviroment and human tolerance[R].AD-A082512，1980
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收稿日期：1998-02-25, 百拇医药
单位：航天医学工程研究所，北京 100094
关键词：冲击耐力；冲击损伤；生物力学；动态响应
航天医学与医学工程990115 摘要:冲击损伤生物力学是近代发展起来的新学科，它是现代生物力学的重要分支之一。其主要研究内容大致分为5个方面：冲击损伤机理；生物力学响应；人的耐受性；人的代用品及人体防护等。本文综述冲击损伤生物力学在上述5个方面的研究进展。
中图分类号：R852.22 文献标识码：A 文章编号：1002-0837-(1999)01-0062-05
Progress of Research on Impact Injury Biomechanics
LIU Bing-kun
, 百拇医药
(Institute of Space Medico-Engineering,Beijing 100094,China)
Abstract：Impact injury biomechanics is a new topic and a significant branch of the modern biomechanics.It can be divided into five fields,including impact injury mechanisms,biomechanical responses，human tolerance,human surrogate and protective measures.This paper describes the progress of research on impact injury biomechanics in these fields.
Key words:impact tolerance；impact injuries；biomechanics；dynamic responses
, 百拇医药
冲击损伤生物力学(Impact Injury Biomechanics)是研究冲击过程中人体组织或器官损伤机理及其防护的一门边缘交叉学科；也可称其为一门损伤防止与控制的科学。它是现代生物力学研究的一个重要分支。其根本任务是通过改善环境条件使人体损伤的程度和可能性降至最低。该学科涉及的主要方面是交通机动车辆碰撞、航空航天救生、与体育运动及坠落有关的损伤及防护等。该学科的研究对于保障和提高冲击环境中人的安全可靠性具有重要意义。它的研究内容大致可分为5个方面: ①损伤机理②生物力学响应③耐受性④代用品⑤防护。本文综述冲击损伤生物力学的研究与进展。
研究的特点
本世纪七十年代，交通事故伤已发展成为威协人身安全的第一大公害，航空和航天事故也时有发生。因此，积极采取有效措施避免事故发生及保障人身安全已成为世界发达国家关注的焦点问题。许多学者投入到这一领域的研究，经过近几十年的努力取得了大量的成果并逐步形成了一门新的学科—冲击损伤生物力学[1,2]。冲击损伤生物力学研究的最大困难在于不能对活人进行有损伤性的实验研究。因此，必须借助于其它手段进行研究，其常用的研究途径有碰撞事故调查与重建、临床研究、志愿者实验、人尸体实验、假人实验、动物实验、数学模型等。这些研究途径各有优缺点，如表1所示。一般来说，人新鲜尸体是进行冲击损伤生物力学研究的较好的代用品[1,2]，但它缺乏活体肌肉的响应，缺少冲击对机体造成的生理或病理反应的直接观察，在这些方面动物实验是一种有益的补充。对动物可以做到损伤水平，可以通过手术方法研究其机体内部组织和器官的动态变化过程，因此动物实验是探讨损伤机理的较好方法。因为动物体的质量分布、形态特征以及组织和器官的生物力学特性和人体相比，具有较大的差别，所以由动物实验的定量结果难以推广到人体上。由此可见，冲击损伤生物力学研究的突出特点是要利用多种途径进行综合研究才能得出适用于人的可靠结论。
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表1 冲击损伤生物力学研究途径的适宜性
Table 1 Applicability of routes in impact injury biomechanics research 途径
(routes)
损伤机理
(biomechanics)
冲击响应
(responses)
冲击耐受性
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评价技术
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主要研究成果
冲击损伤生物力学经过大量的实验和理论研究，在冲击损伤机理、生物力学响应、人的耐受性、人的代用品及人体防护等方面均取得了重要成果。现就主要成果论述如下。
损伤机理
损伤机理是对引起人体解剖和功能损害的力学因素的一种描述。即阐明人体组织或器官在冲击过程中是如何损伤的。它是冲击损伤生物力学研究的基础。目前的研究认为,钝器冲击损伤机理是组织的变形或应变程度超过了它的可恢复限[2]。
冲击性加速度或过载对全身作用的机制 一般认为冲击性加速度或过载对人体的影响与持续性加速度不同,它主要不是引起血液动力学改变,而是引起疼痛,短暂意识丧失和各种机械性损伤,如组织器官变形、撕裂及破坏等,严重时可致死亡。其影响的程度除了与冲击过载峰值、作用时间、过载速率3个基本参数有关外,还与过载作用的方向、人的体位、束缚状况等因素有关[3]。
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颅脑损伤机制 冲击环境中常见的颅脑损伤有两种：颅骨骨折和脑震荡。颅骨骨折往往是由于头部与周围环境介质直接碰撞、撞击引起,严重时合并脑损伤。脑震荡一般是由于突然减或加速度作用引起,脑的滞后运动在其组织中产生了剪应力及剪应变。
颈损伤机制 研究认为弯曲和压缩复合载荷作用是颈损伤的机理。碰撞过程中乘员头颈部惯性载荷引起的过度前屈和后伸，通常引起颈椎体骨折或颈椎棘突骨折。
胸、腹损伤机制 胸廓及腹部压缩,造成内脏器官牵拉、位移,引起脏器根部血管破裂。由于胸、腹部的粘弹性,高速冲击在较小的压缩变形下即可造成内脏器官的损伤。
脊柱损伤机制 压缩性骨折(常见于腰椎)，通常发生在弹射、坠落等场所。
下肢损伤 弯曲应力是引起长骨骨折的原因；张应力是引起膝关节 “+字"韧带断裂的原因。上述两种损伤通常发生在摩托车事故和高速弹射等场所。
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生物力学响应
生物力学响应是指由于载荷作用而引起的人体组织或器官形状改变或位置变化的时间历程。冲击生物力学响应的测量与分析是建立数学模型的前提，也是制定损伤评定标准的基础。它包括两方面的内容：组织的本构方程(应力-应变关系)和位移、速度、加速度─时间关系曲线[3～5]。在这里提出两个重要概念：冲击谱和动力超调。冲击谱是描述系统的最大响应及最小响应与系统固有频率或阻尼的关系。人体可作为一个系统来看待，因此人体对冲击的响应取决于载荷的冲击谱。动力超调(Dynamic Overshoot)是指船(舱)体或人体上的载荷值超过输入舱底(或人体)的载荷的现象。动力超调取决于系统的弹性、几何结构、质量分布等。对人体来说，动力超调与人体的固有频率、束缚系统、座椅系统的动力学特性有关。
耐受性
损伤等级(AIS) 为使肌体损伤程度达到量化，美国机动交通医学会(1990)制定了损伤分级标准，如表2所示。
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表2 损伤等级标准
Table 2 Abreviated injury standard(AIS) AIS*
损伤程度(injury class)
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无损伤(no injury)
1
微损伤(slight injury)
2
中损伤(moderate injury)
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重损伤(serious injury)
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严重损伤(severe injury)
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危重损伤(critical injury)
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死亡(death)
注：* AIS 3～4引起严重结果,但不危及生命 Note:* AIS 3～4 is referred to as practical tolerance level which causes a serious but not a life threatening injury
耐受性 指身体或身体局部能够抵抗特定损伤等级的力或加速度水平。这个特定的等级一般为: AIS 3～4。因年龄、性别、体质存在着较大的个体差异，因此现在把耐受性理解为对给定损伤水平(AIS)下发生特定损伤概率所对应的力或加速度水平。
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影响耐受性的因素 影响耐受性的因素主要有：①载荷性质;②个体特征;③姿态;④防护状况。
全身冲击性加速度耐限 全身在3轴向的耐受性各不相同。X方向耐受性最高,Y向次之,Z向最低。全身耐受的冲击加速度水平与加速度作用的时间历程有关,从文献[6]中得出全身冲击加速度救生耐限参考值，如表3所示。
表3 人体对全身冲击加速度救生耐限
Table 3 Human tolerance to whole body impact acceleration 方向
(direction)
冲击加速度限值(G)
(impact limit)
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持续时间(s)
(time)
±Gx
40
0.1
±Gy
20
0.1
+Gz
18
0.1
-Gz
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头部对冲击的耐受性[6]
①旋转:
=1800rad/sec2,=50rad/sec②平动:
(a)SI标准(Severity Index)
SI=∫tst0andt n=2.5
对于分布载荷：SI≤1000；
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对于集中载荷：SI≤400，(SI≥600,脑震荡)。
(b) J耐力(J-tolerance)
(c) EDI有效位移指数
fo=77Hz,ζ=0.707 EDI=0.15in
(d) 平均应变能 用冲击过程中在颅脑中产生的平均应变能作为衡量头部损伤的尺度。
(e)
(t1,t2,为冲击期间任意两时刻)
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HIC值已被写入美国联邦机动车辆安全标准FMVSS208中。
颈部对冲击的耐受性 以不可忍受的颈部疼痛为限,颈部的运动范围和允许作用载荷如下:
前屈: α＝61～77°，M＝190 Nm
后伸: α＝60～76°，M＝68 Nm
α: 头相对于躯干旋转的角度;
M: 作用于头颈关节的力矩。
胸损伤耐限 对于前部冲击,胸壁瞬时速度和相对压缩量之乘积,对遭受AIS4级以上损伤25%概率VC限为1.0 m/s。对侧向冲击,C=40%,VC＝1.0 m/s[7,11]。
脊柱耐限[6] (1) +Gz作用下脊柱耐限(腰椎体不产生压缩性骨折)：
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(2) 复合过载作用下脊柱耐限：
β=SQR((DRIz/DRIl)2+(Gx/Gxl)2+(Gy/Gyl)2)
下肢骨耐限[6] 冲击力沿股骨长轴方向作用,压缩股骨而不产生股骨骨折的冲击力峰值如下：F＝23.14-0.71T，T<20 ms
F＝8.90， T≥20 ms
F: 单位KN
代用品
假人 假人应具有人体的基本结构和外形,在动力学响应方面尽可能和人具有相似性。假人是进行系统动力学环境评价以及防护性能评价的理想的代用品。国际上比较先进的假人在航空上使用的有ADAM[12]、汽车工程用的HybridⅢ[10]。近年来，假人在拟人程度、动力学响应与人的相近程度及测试技术等方面都有新的研究成果[18]。
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数学模型 人的代用品的另一种形式是数学模型。数学模型可以从理论上预测损伤事件的可能性;可以减少复杂实验的次数；节省实验经费。但任何模型都是对实际复杂问题的抽象,因而具有局限性,必要的实验研究是不可缺少的[9]。
数学模型的类型概括起来有3类: 集中参数动力学模型,多体联接的动力学模型和有限元模型[10,13～15]。如MADYMO模型是一种多体模型[10],它可用来模拟车辆碰撞时乘员的大致运动。该模型是3维的,具有20多个节段,这些节段用具有椭球形状的刚体代表。可以产生较为逼真的动画效果。集中参数模型用来描述冲击过程中人体的动态响应[13～15];有限元模型(如头部有限元模型、脊柱有限元模型)用来计算冲击载荷作用下在组织中产生的应力和应变等[16,17]。数学模型研究的趋势是将数学分析方法和计算机技术相结合，使得模拟碰撞冲击环境下人的动力学反应更加合理和可靠。
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防护
保护乘员在冲击环境中不受伤害或降低伤害的程度是冲击损伤生物力学研究的最终目的。防护设计的一般原则是:(1)能够有效地分散冲击载荷;(2)有效地吸收冲击能量;(3)防护装置本身作用于人体的应力尽可能小;(4)防护装置本身应不影响乘员的正常操作能力;(5)尽可能让被保护者可接受。目前的防护装置有头盔、气袋、束缚带、吸能结构、缓冲和吸能座垫等[19～22]。防护技术的研究将在实用方面估计会有新的突破。值得注意的是，保持一个良好的身体姿态，保持载荷传递的均匀性，尽可能保持一个较大的承载面积都会提高人体对冲击的耐力。另外，只有从人-机-环系统工程的角度出发，力求防护设计在人-机-环三方面达到最佳匹配，才能最大限度地保障冲击环境中人的安全。
需进一步研究的课题
冲击损伤生物力学已被划分为几个特定的研究领域，包括冲击损伤机理和力学响应等基础研究以及防护与评价的应用研究。在这些特定领域中都需要进一步深入研究，例如，头部损伤机制，关节的响应，身体各部位对冲击的耐受性水平的定量化，更加拟人的假人及计算机模型的研制等。根据发展需要，提出急需进一步研究如下课题。
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冲击损伤机理的研究 经过多年的研究,人们对颅脑、脊柱、胸腹部及四肢的冲击损伤机理已有所认识，但对冲击引起的神经损伤、内脏器管损伤及关节损伤的机理有待进一步研究。
3维复合冲击载荷作用下人体的耐受性 过去的研究主要集中在单方向冲击载荷作用下人体的耐受性，而在实际的冲击环境中，冲击矢量与人体体轴的夹角可能是任意值，即人体会受到复合力矢量的作用，在这种情况下是否仍可用单一方向人体的耐受性来评价，值得探讨。
模型仿真研究 以多刚体动力学和有限元分析为基础，建立人体动力学模型，结合计算机虚拟现实技术和多媒体技术的应用，研制出应用于冲击环境中人的动态响应特性及安全性理论分析的计算机软件，是冲击损伤生物力学研究的新动向。
加强防护措施的研究 防护技术的研究有利于降低人体损伤的程度和概率。未来防护技术的重点在于头颈部综合防护和四肢防护。
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收稿日期：1998-02-25, 百拇医药