減速傷中顱內(nèi)應(yīng)力分布于應(yīng)力波傳播特點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、頭顱因外力作用而使運(yùn)動(dòng)受阻礙，除引起頭皮、顱骨局限性創(chuàng)傷外，更嚴(yán)重的是腦組織由于慣性滯后于頭顱的運(yùn)動(dòng)，可導(dǎo)致腦著力部位、腦內(nèi)及腦對(duì)沖部位出現(xiàn)擠壓、疲勞、撕裂、牽張、摩擦及切割等力學(xué)效應(yīng)，造成顱腦減速傷。顱腦減速傷在創(chuàng)傷性顱腦損傷(Traumatic Brain Injury，TBI)中較為常見，且損傷較重，常見于交通傷和墜落傷。
　　 顱腦減速傷在交通事故中較為常見。是指運(yùn)動(dòng)的頭顱突然碰撞在外物上，迫使其瞬間減速而造成的腦損傷。

2、例如，運(yùn)動(dòng)著的車輛發(fā)生碰撞致其減速時(shí)車內(nèi)駕乘人員的頭部與車內(nèi)物體發(fā)生碰撞而致傷；又如，汽車行人交通傷事故中，行人與車輛發(fā)生碰撞之后與路面發(fā)生的二次碰撞中出現(xiàn)的損傷。
　　 顱腦撞擊傷生物力學(xué)的研究結(jié)果表明顱腦的內(nèi)部應(yīng)力響應(yīng)密切關(guān)聯(lián)著顱腦的損傷，因此有必要對(duì)顱內(nèi)應(yīng)力分布及應(yīng)力波傳播特性進(jìn)行深入研究。在這方面，國(guó)內(nèi)所做的研究較為有限。主要是因?yàn)橐ㄟ^實(shí)驗(yàn)手段來測(cè)量撞擊過程中顱內(nèi)腦組織的應(yīng)力分布與應(yīng)力波傳播特點(diǎn)是一項(xiàng)頗為困難的課題。<

3、br>　　 1999年第三軍醫(yī)大學(xué)姜燕平等人設(shè)計(jì)了顱腦的二維平面光彈性模型。利用光彈性材料的特點(diǎn)，可以在撞擊過程中通過高速攝影機(jī)拍攝模型中的光彈性條紋，并得出各部位的應(yīng)力分布及應(yīng)力波傳播特點(diǎn)。該模型在創(chuàng)傷性顱腦損傷的研究中曾起到了重要作用。由于受到當(dāng)時(shí)技術(shù)條件及測(cè)試方法方面的限制，該實(shí)驗(yàn)未能定量得出顱腦撞擊響應(yīng)特性。
　　 2004年美國(guó)韋恩州立大學(xué)與俄亥俄州立大學(xué)共同完成了一項(xiàng)非常經(jīng)典的人尸體頭顱枕骨撞擊實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)前，用金屬

4、球和薄壁管制成與腦組織密度接近的標(biāo)志物。撞擊過程中將標(biāo)志物置于大腦中，采用高速X光機(jī)(250幀/秒)對(duì)顱腦的沖擊歷程進(jìn)行拍攝。同時(shí)在顱骨內(nèi)也安裝微型標(biāo)志物，研究人員在對(duì)拍攝的圖像進(jìn)行分析之后得出了大腦中標(biāo)志物相對(duì)顱骨的“8”字形運(yùn)動(dòng)軌跡及其規(guī)律。這是一種新的測(cè)量手段，為損傷機(jī)理的研究提供了珍貴的原始資料。但是該實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)是對(duì)頭顱撞擊過程中腦組織的位移情況進(jìn)行研究，對(duì)于腦組織所受應(yīng)力的分布以及應(yīng)力波的傳播特點(diǎn)則無法從該實(shí)驗(yàn)中得以揭示。

5、r>　　 目前，全世界僅有的兩臺(tái)用于顱腦撞擊損傷生物力學(xué)研究的高速X光機(jī)均存放于美國(guó)韋恩州立大學(xué)內(nèi)。根據(jù)已有的科研成果、實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)際工作需要，本研究擬通過構(gòu)建可視化的顱腦物理模型及其減速撞擊實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，建立完整的顱腦減速撞擊致傷實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在腦組織的感興趣部位生成氣泡，采用高速攝像系統(tǒng)、三維運(yùn)動(dòng)分析軟件，記錄和分析在減速撞擊實(shí)驗(yàn)過程中腦組織內(nèi)氣泡的體積變化過程，最終通過分析軟件獲取腦組織的應(yīng)力分布規(guī)律和應(yīng)力波傳播特點(diǎn)。
　　 該

6、實(shí)驗(yàn)提供了一種直觀無創(chuàng)的顱內(nèi)應(yīng)力及應(yīng)力波檢測(cè)與分析方法，是一種無損、非接觸式的測(cè)試手段，是測(cè)試?yán)砟畹囊环N創(chuàng)新。通過該實(shí)驗(yàn)研究可望揭示顱腦減速傷的發(fā)生機(jī)制，并為顱腦減速傷的防護(hù)和診治提供生物力學(xué)依據(jù)。
　　 主要研究方法和結(jié)論：
　　 一、構(gòu)建鋼化玻璃質(zhì)簡(jiǎn)化顱腦物理模型。該顱腦模型取材容易，便于操作；同時(shí)由于其透明度好，對(duì)于標(biāo)志物的觀測(cè)具有很好的效果，可以通過高速攝像獲得撞擊過程中清晰的氣泡變形歷程，可用于定性分析減速傷的

7、致傷機(jī)制。
　　 研制基于翻模技術(shù)的透明顱腦物理模型。聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)樹脂材料保證了其耐沖擊性能好，同時(shí)翻模技術(shù)可以保證該模型與真人顱骨具有高度的幾何相似性，可用于定量分析減速傷的致傷機(jī)制。
　　 二、構(gòu)建了基于鋼化玻璃質(zhì)簡(jiǎn)化顱腦模型、基于翻模技術(shù)的具有人體幾何尺寸的PC樹脂材質(zhì)透明顱腦模型以及基于高分子顱腦模型的三種減速撞擊致傷實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)可用于輕、中、重度顱腦撞擊損傷的研究。
　

8、　 通過對(duì)顱腦損傷評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)HIC的計(jì)算，可以對(duì)撞擊實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中產(chǎn)生的各種程度的顱腦撞擊損傷進(jìn)行量化，結(jié)合模型腦組織內(nèi)氣泡體積的變化、傳感器的信號(hào)輸出值以及相應(yīng)的腦組織所受應(yīng)力變化情況，從而可以將撞擊過程的宏觀層面與微觀層面關(guān)聯(lián)起來對(duì)顱腦撞擊致傷的生物力學(xué)機(jī)制進(jìn)行研究。
　　 三、以鋼化玻璃質(zhì)簡(jiǎn)化顱腦模型、基于翻模技術(shù)的具有人體幾何尺寸的PC樹脂材質(zhì)顱腦模型及高分子材料顱骨模型結(jié)合壓強(qiáng)傳感器為基礎(chǔ)，分別在減速撞擊致傷實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了

9、減速撞擊實(shí)驗(yàn)，對(duì)減速撞擊過程中顱內(nèi)腦組織的應(yīng)力分布及應(yīng)力波傳播特點(diǎn)進(jìn)行了研究，得到以下結(jié)果：
　　 ①顱腦減速撞擊過程中，腦組織內(nèi)的應(yīng)力沿撞擊點(diǎn)往對(duì)沖點(diǎn)方向呈由正到負(fù)的梯度分布特點(diǎn)；
　　 ②腦組織對(duì)沖點(diǎn)處的應(yīng)力波出現(xiàn)了波谷，撞擊點(diǎn)處的應(yīng)力波出現(xiàn)了波峰，對(duì)沖點(diǎn)處應(yīng)力波波谷的出現(xiàn)要早于撞擊點(diǎn)處應(yīng)力波波峰的出現(xiàn)，該特點(diǎn)表現(xiàn)出了應(yīng)力波在單個(gè)點(diǎn)位上以及點(diǎn)位間的傳播規(guī)律；
　　 ③在撞擊過程中應(yīng)力波會(huì)在顱骨內(nèi)壁發(fā)生反射，并

10、且反射回來的應(yīng)力波又會(huì)與原發(fā)性的應(yīng)力波在氣泡所處位置發(fā)生疊加效應(yīng)，加強(qiáng)或削弱該點(diǎn)所受應(yīng)力波的幅值大小，腦組織可能會(huì)在某些應(yīng)力波幅值得到增強(qiáng)的部位上受到損傷；
　　 ④對(duì)沖點(diǎn)處的腦組織所受到的作用力主要為拉應(yīng)力；撞擊點(diǎn)處的腦組織所受到的作用力主要為壓應(yīng)力；而中性點(diǎn)處的腦組織所受到拉應(yīng)力與壓應(yīng)力大小相當(dāng)。由于腦組織及其血管的抗拉性能劣于抗壓性能，因此在對(duì)沖點(diǎn)相對(duì)較大的拉應(yīng)力作用下，顱腦更容易在對(duì)沖部位出現(xiàn)較為嚴(yán)重的損傷。初步闡明了交

11、通事故顱腦減速傷中較為常見的顱腦“對(duì)沖傷”的力學(xué)發(fā)生機(jī)制之一；
　　 ⑤在對(duì)沖側(cè)越靠近撞擊點(diǎn)的腦組織其應(yīng)力波波谷出現(xiàn)得相對(duì)越早；在撞擊側(cè)越靠近撞擊點(diǎn)的腦組織其應(yīng)力波波峰出現(xiàn)得也相對(duì)越早；
　　 ⑥處于撞擊側(cè)的腦組織在撞擊過程中受到了持續(xù)的正壓的作用；而處于對(duì)沖側(cè)的腦組織在撞擊過程中則受到了正壓與負(fù)壓的交替作用，盡管越是靠近中性點(diǎn)腦組織所受到的應(yīng)力波的幅值越小，但是其應(yīng)力波的頻率卻是增加了，這樣就使得該處腦組織受到疲勞損傷