随着汽车工业的迅速发展，新型轿车所配备的乘员约束系统更为先进，能够更好地保护车内乘员。但是新型轿车在正面碰撞中产生胸腰椎骨折的事故率却逐年上升[1-3]。Pintar等[1]统计了1986年到2008年的数据，发现正面碰撞中腰椎骨折损伤几率逐年增加，且与车辆的出厂年份成正比。美国国家事故抽样系统(NASS)的统计数据表明每年约有2 000～4 000名乘客在正面碰撞中出现胸腰椎骨折并且受伤人数呈增长态势[2]。2000年后生产的车辆正面碰撞腰椎损伤人群数量是90年代生产车辆的2.5倍[3]。与旧车相比，新车碰撞减速度波形比旧车设计得更严格，以减少碰撞中防火墙对乘员舱的入侵。Adolph等[4]通过对德国事故调查数据库(GIDAS)的深入统计分析，指出座椅刚度及结构、碰撞减速度波形及膝部气囊可能会增加腰椎骨折风险，但并没有进行碰撞试验和数值模拟计算的验证。Tang等[5]通过数值模拟研究了碰撞波形与乘员腰椎轴向力之间的关系，研究表明碰撞波形的剧烈程度、碰撞波形峰值时刻的早晚，都会影响乘员腰椎轴向力峰值大小。同时新车配备了更先进的防下潜乘员约束系统(安全带腰带预紧器、肩带限力器、防下潜座椅、膝部气囊等)来防止乘员下潜，在Tang等[5]的研究中，发现防下潜措施与腰椎损伤之间存在着矛盾性，即在配备防下潜措施的情况下，腰椎轴向力会显著增加(P<0.05)。

在过去20年时间，针对人体脊椎损伤的研究热点主要集中于颈椎[6-9]以及胸椎上部[10-11]损伤，对腰椎段损伤并没有给予足够的重视。在相关汽车碰撞实验法规中，美国联邦机动车安全标准(FMVSS)、新车评价规程(NCAP)和高速公路安全保险协会(IIHS)也没有腰椎损伤的相关评价标准[1，12-13]。目前用于碰撞分析的人体有限元模型包括GHBMC和THUMS，其头部、颈部、胸部和下肢的碰撞生物力学特性通过了尸体实验验证[14]，但其腰椎生物力学特性没有经过尸体试验验证，生物仿真度低，腰椎结构简单，无法预测碰撞中腰椎损伤的风险。

在汽车碰撞事故中韧带在脊柱整体的动态响应中起到了至关重要的作用。韧带附着于骨骼的活动部位，限制其大幅度相对运动，防止造成严重损伤。Pintar等[15]对38个真实人体腰椎的韧带进行了拉伸实验，实验得到的腰椎各个部分韧带的刚度数值离散性较大，如L1-L2的前纵韧带的刚度值为(32.) N/mm。不同人体样本之间的韧带刚度值具有一定的差异，因此为了研究不同人体的腰椎损伤响应，需要对韧带刚度对腰椎损伤的影响进行研究。

韧带作为身体的软组织受到外界载荷作用很容易超过生理拉伸范围受损伤，尤其在动态冲击载荷的作用下韧带极易产生不可逆损伤。韧带的松弛区是由于韧带纤维束在未加载的情况下具有的初始波浪造成的[16]，纤维束的初始波浪状态和断裂特性都随着个体的不同、关节位置的不同而不同，进而造成韧带整体力学性能的差异，从而对腰椎整体运动学与动力学响应造成影响。研究表明韧带在不同加载速率下具有不同的应力应变曲线，其具有应变率效应[17]。但是现有的腰椎有限元模型没有充分考虑韧带的失效区、松弛区以及腰椎在高速冲击下的动态响应[18-19]。多数研究中都将韧带简化为弹性材料，如GHBMC的腰椎模型中没有建立韧带，THUMS有限元模型中仅将韧带考虑为刚度可变但不可失效的一维弹簧单元。Schmidt等[20]对现有模型的韧带材料参数进行调整，建立了L4-L5段的腰椎功能单元，此模型具有较高的生物逼真度，但是其只包括腰椎功能单元，无法用以研究正面碰撞中的腰椎损伤。傅啸龙等[21]基于中国老年女性CT数据，建立了L1-S1腰椎段有限元模型，韧带采用非线性一维弹簧表达。以上模型都并未考虑韧带失效区、松弛区和应变率效应对于腰椎损伤的影响，这种计算机模型简化方法对腰椎损伤的影响还不清楚，因此研究韧带参数对研究腰椎损伤具有重要意义。

腰椎整体响应不仅与椎体和人体软组织的生物力学性能相关，还与各组织空间相对位置即人体腰椎曲率相关[22]。在汽车碰撞中，驾驶员以及乘员的姿态改变也会导致腰椎曲率的变形，进而导致在正面碰撞中腰椎承受轴向压缩载荷时其动力学与运动学响应产生变化。Stemper等[23]提出在汽车尾撞过程中，颈椎初始姿态不但会影响碰撞过程中韧带伸缩量并且会造成长期性挥鞭伤。Sato等[24]详细绘制了车内驾驶乘员在高速尾撞时，从乘员头部离开头枕到撞击，头部反弹压缩头枕150 ms内乘员脊椎的相对位置图。Naserkhaki等[25]研究了在矢状面内具有不同曲率的腰椎在前向弯曲和后向弯曲工况中的响应的差异，发现腰椎部位低突出曲率在前向弯曲中更为稳定，在后向弯曲中相比于正常曲率腰椎运动范围增加。高弯曲度腰椎在后向弯曲中明显降低了椎间盘压力，腰椎曲率较大影响着载荷位置以及量级，并且影响着后向弯曲工况腰椎运动学以及载荷分布。