彌散性腦損傷生物力學(xué)特性的數(shù)值分析研究.pdf

1、腦外傷是道路交通事故中人員傷害的主要形式之一，研究表明因嚴重腦外傷導(dǎo)致的人員死亡占道路交通事故中人員死亡總數(shù)的40％左右。同時，因腦外傷所產(chǎn)生的醫(yī)療費用和人員勞動力的喪失也造成了巨大的社會經(jīng)濟損失。為了能夠有效地減輕或者避免人員在道路交通事故中遭受嚴重的腦外傷，需要清楚的了解在碰撞載荷下腦外傷的損傷機理和耐受限度，為腦損傷防護設(shè)備或措施的開發(fā)和應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和依據(jù)。
　　彌散性腦損傷是道路交通事故中常見的腦外傷形式，嚴重的彌散性

2、腦損傷則會導(dǎo)致人員長時間的昏迷甚至死亡。在過去的幾十年，研究人員開展了大量彌散性腦損傷的生物力學(xué)研究，包括基于生物材料和機械模型實驗以及數(shù)學(xué)模型仿真分析研究。由于無法利用人體開展腦外傷的活體沖擊實驗，也根據(jù)哺乳動物與人在腦組織損傷病理學(xué)上的相似性，動物活體頭部沖擊實驗已被大量的用于彌散性腦損傷的生物力學(xué)特性研究。
　　本文的主要研究目的是利用利用大鼠活體頭部沖擊實驗數(shù)據(jù)和顱腦有限元模型深入的研究碰撞載荷下彌散性腦損傷的生物力學(xué)特性

3、以及耐受限度。建立并驗證了大鼠顱腦有限元模型;分析了大鼠在遭受彌散性腦損傷時的顱內(nèi)動力學(xué)響應(yīng);仿真分析確定了彌散性腦損傷中的大腦細胞損傷和神經(jīng)軸索損傷的耐受限度;分別構(gòu)建了彌散性腦損傷中的大腦細胞和神經(jīng)軸索損傷風(fēng)險的Logistic回歸模型，通過回歸分析確定了具有統(tǒng)計學(xué)意義的損傷耐受限度;對腦損傷評價準則在動物與人之間的轉(zhuǎn)化進行了探討。
　　首先基于大鼠腦的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)和腦組織的非均勻力學(xué)特性建立了新的大鼠顱腦有限元模型。該模型由胼

4、胝體、海馬體、丘腦、下丘腦、大腦皮層的扣帶回、頂區(qū)、顳區(qū)、枕區(qū)、以及小腦、腦干、嗅球、顱骨、腦膜-腦脊液等25個解剖學(xué)區(qū)域組成。應(yīng)用腦組織生物力學(xué)實驗數(shù)據(jù)定義了顱腦有限元模型的材料特性。參照大鼠大腦皮層變形實驗對大鼠顱腦有限元模型的有效性進行了驗證。
　　隨后開展了大鼠活體頭部旋轉(zhuǎn)加速度沖擊實驗的有限元仿真重建，分析了在遭受彌散性腦損傷時大鼠的顱內(nèi)動力學(xué)響應(yīng)。基于仿真預(yù)測的大鼠顱-腦相對位移分析了旋轉(zhuǎn)加速度沖擊下腦組織的變形以及載

5、荷傳遞過程。通過對比仿真預(yù)測和實驗測量的顱-腦相對位移數(shù)據(jù)進一步驗證了大鼠顱腦有限元模型的有效性。通過研究腦組織的非均勻力學(xué)特性對旋轉(zhuǎn)加速度沖擊下顱內(nèi)動力學(xué)響應(yīng)的影響，確定了以腦組織應(yīng)變?yōu)橹饕獎恿W(xué)參數(shù)來研究彌散性腦損傷的生物力學(xué)特性。
　　深入的研究了彌散性腦損傷中大腦細胞損傷的生物力學(xué)特性和耐受限度。對24例大鼠活體頭部旋轉(zhuǎn)加速度沖擊實驗進行了有限元仿真重建;對比分析了顱腦有限元模型預(yù)測的腦組織應(yīng)變響應(yīng)和實驗測量的大腦細胞損傷

6、;確定了大腦皮層和海馬體區(qū)域腦細胞損傷的最大主應(yīng)變耐受限度;構(gòu)建了區(qū)域化的大腦細胞損傷風(fēng)險的Logistic回歸模型，確定了中等或嚴重腦細胞損傷風(fēng)險具有統(tǒng)計學(xué)意義的耐受限度:即當大腦皮層和海馬體的最大主應(yīng)變響應(yīng)分別超過0.19和0.15時，相應(yīng)區(qū)域出現(xiàn)中等或嚴重腦細胞損傷的可能性將高于50％.
　　此外，對26例大鼠活體頭部旋轉(zhuǎn)加速度沖擊實驗進行有限元仿真重建，分析了彌散性軸索損傷的生物力學(xué)特性和耐受限度。通過對比實驗觀測的軸索損

7、傷分布和仿真預(yù)測的腦組織應(yīng)變響應(yīng)分布，確立了以胼胝體為主要研究對象進而開展區(qū)域化的神經(jīng)軸索損傷耐受限度研究。對比仿真預(yù)測的應(yīng)變以及應(yīng)變相關(guān)動力學(xué)參數(shù)（最大主應(yīng)變、應(yīng)變與應(yīng)變乘積、Cumulative Strain Damage Measure-CSDM）與實驗觀測的神經(jīng)軸索損傷，確定了胼胝體不同區(qū)域的神經(jīng)軸索損傷耐受限度。對易受傷害的胼胝體前部區(qū)域，分別構(gòu)建了仿真預(yù)測的各腦組織動力學(xué)參數(shù)與神經(jīng)軸索損傷風(fēng)險的Logistic回歸模型，確定

8、了神經(jīng)軸索損傷具有統(tǒng)計學(xué)意義的耐受限度:即當胼胝體前部區(qū)域的最大主應(yīng)變響應(yīng)、應(yīng)變與應(yīng)變率乘積或CSDM分別超過0.12、110 s-1或17％時，該區(qū)域出現(xiàn)神經(jīng)軸索損傷的可能性將高于50％.
　　最后對大鼠與人之間腦損傷準則的轉(zhuǎn)化進行了探討。利用大鼠和人體的顱腦有限元模型，評估了基于腦質(zhì)量的頭部旋轉(zhuǎn)加速度縮放準則（Holbourn準則）的有效性。對比大鼠和人體腦組織的應(yīng)變響應(yīng)顯示頭部加速度進行整體縮放可能會帶來腦組織損傷模式的變化

9、;同時仿真結(jié)果指出了Holbourn準則中對旋轉(zhuǎn)加速度持續(xù)時間的縮放也存在一定的不足。對大鼠和人之間腦損傷準則的轉(zhuǎn)化探討，揭示了開展區(qū)域化腦損傷準則以及損傷準則在動物與人之間轉(zhuǎn)化的研究的必要性和可行性。
　　綜上所述，本文建立的大鼠顱腦有限元模型以及采取的顱腦有限元仿真和動物活體實驗相結(jié)合的策略是開展腦外傷生物力學(xué)特性研究的有效工具;腦組織的應(yīng)變以及應(yīng)變相關(guān)指標能夠有效的預(yù)測和評價彌散性腦損傷風(fēng)險;構(gòu)建了彌散性腦損傷風(fēng)險的Logi