Biomedical Engineering Fundamentals

FIGURE 52.3
Loading corridor for neck extension.
much less severe than that resulting from a frontal impact and the whiplash syndrome is not frequently
seen in frontal impacts. The theory that a momentary increase in pressure in the cerebrospinal fluid
during whiplash could induce neck pain was also considered invalid because injury to the nerve roots
require prolonged pressure and root compression leads to radiculopathy and not direct neck pain. The
fourth theory of impingement of the facet joint surfaces was proposed but has not been demonstrated. It
claims that the synovial lining can be trapped between the facets resulting in pain. Finally, the shear theory
appears to be the most promising. A shear force is developed at every level of the cervical spine before the
head and can be brought forward along with the torso, which is pushed forward by the seat back. This shear
force causes relative motion between adjacent cervical vertebrae in the form of relative translation and
rotation. Deng et al. [2000] performed a series of cadaveric tests and measured this relative displacement
and also estimated the amount of stretch the facet capsules would undergo. Wallis et al. [1997] have shown
that removal of nerve endings in the cervical facet capsules can relieve neck pain for an average of about
nine months. Figure 52.4 shows the amount of forward motion of C5 relative to C4 and Figure 52.5 shows
the estimated stretch of the C4–5 and C5–6 facet capsule. Of interest is the time of occurrence of these
events. They occur before the head hits the headrest. It not only explains why the present headrest is in
ineffective but also indicates to the safety engineer that the headrest needs to be much closer to the head
if it is to be effective.
52.3Regional Tolerance of the Head and
Neck to Blunt Impact
52.3.1 Regional Tolerance of the Head
The most commonly measured parameter for head injury is acceleration. It is therefore natural to express
human tolerance to injury in terms of head acceleration. The first known tolerance criterion is the Wayne
State Tolerance Curve, proposed by Lissner et al. [1960] and subsequently modified by Patrick et al. [1965]
by the addition of animal and volunteer data to the original cadaveric data. The modified curve is shown
in Figure 52.6. The head can withstand higher accelerations for shorter durations and any exposure above
the curve is injurious. When this curve is plotted on logarithmic paper, it becomes a straight line with a
slope of
−
2.5. This slope was used as an exponent by Gadd [1961] in his proposed severity index, now

---

JOBR: “2121_c052” — 2006/2/6 — 19:55 — page 7 — #7
Mechanics of Head/Neck
52-7
16
Extension
Flexion
14
12
10
8
6
4
2
–2
–4
0
–20
–40
–60
–80
20
40
Time (msec)
60
80 100 120 140 160 180
C4
–
C5 Relativ
e rotations (deg)