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(yán)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(shí)，因腦外傷所產(chǎn)生的醫(yī)療費(fèi)用和人員勞動(dòng)力的喪失也造成了巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)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?chē)?yán)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(jī)理和耐受限度，為腦損傷防護(hù)設(shè)備或措施的開(kāi)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(jiàn)的腦外傷形式，嚴(yán)重的彌散性

2、腦損傷則會(huì)導(dǎo)致人員長(zhǎng)時(shí)間的昏迷甚至死亡。在過(guò)去的幾十年，研究人員開(kāi)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(jī)械模型實(shí)驗(yàn)以及數(shù)學(xué)模型仿真分析研究。由于無(wú)法利用人體開(kāi)展腦外傷的活體沖擊實(shí)驗(yàn)，也根據(jù)哺乳動(dòng)物與人在腦組織損傷病理學(xué)上的相似性，動(dòng)物活體頭部沖擊實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(yàn)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(shí)的顱內(nèi)動(dòng)力學(xué)響應(yīng);仿真分析確定了彌散性腦損傷中的大腦細(xì)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(xì)胞和神經(jīng)軸索損傷風(fēng)險(xiǎn)的Logistic回歸模型，通過(guò)回歸分析確定了具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的損傷耐受限度;對(duì)腦損傷評(píng)價(jià)準(zhǔn)則在動(dòng)物與人之間的轉(zhuǎn)化進(jìn)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(gè)解剖學(xué)區(qū)域組成。應(yīng)用腦組織生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)對(duì)大鼠顱腦有限元模型的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　隨后開(kāi)展了大鼠活體頭部旋轉(zhuǎn)加速度沖擊實(shí)驗(yàn)的有限元仿真重建，分析了在遭受彌散性腦損傷時(shí)大鼠的顱內(nèi)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)?；诜抡骖A(yù)測(cè)的大鼠顱-腦相對(duì)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(guò)程。通過(guò)對(duì)比仿真預(yù)測(cè)和實(shí)驗(yàn)測(cè)量的顱-腦相對(duì)位移數(shù)據(jù)進(jìn)一步驗(yàn)證了大鼠顱腦有限元模型的有效性。通過(guò)研究腦組織的非均勻力學(xué)特性對(duì)旋轉(zhuǎn)加速度沖擊下顱內(nèi)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的影響，確定了以腦組織應(yīng)變?yōu)橹饕獎(jiǎng)恿W(xué)參數(shù)來(lái)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(xì)胞損傷的生物力學(xué)特性和耐受限度。對(duì)24例大鼠活體頭部旋轉(zhuǎn)加速度沖擊實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了有限元仿真重建;對(duì)比分析了顱腦有限元模型預(yù)測(cè)的腦組織應(yīng)變響應(yīng)和實(shí)驗(yàn)測(cè)量的大腦細(xì)胞損傷

6、;確定了大腦皮層和海馬體區(qū)域腦細(xì)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(xì)胞損傷風(fēng)險(xiǎn)的Logistic回歸模型，確定了中等或嚴(yán)重腦細(xì)胞損傷風(fēng)險(xiǎn)具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的耐受限度:即當(dāng)大腦皮層和海馬體的最大主應(yīng)變響應(yīng)分別超過(guò)0.19和0.15時(shí)，相應(yīng)區(qū)域出現(xiàn)中等或嚴(yán)重腦細(xì)胞損傷的可能性將高于50％.
　　此外，對(duì)26例大鼠活體頭部旋轉(zhuǎn)加速度沖擊實(shí)驗(yàn)進(jìn)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(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的軸索損

7、傷分布和仿真預(yù)測(cè)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(duì)象進(jìn)而開(kāi)展區(qū)域化的神經(jīng)軸索損傷耐受限度研究。對(duì)比仿真預(yù)測(cè)的應(yīng)變以及應(yīng)變相關(guān)動(dòng)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(shí)驗(yàn)觀測(cè)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(duì)易受傷害的胼胝體前部區(qū)域，分別構(gòu)建了仿真預(yù)測(cè)的各腦組織動(dòng)力學(xué)參數(shù)與神經(jīng)軸索損傷風(fēng)險(xiǎn)的Logistic回歸模型，確定

8、了神經(jīng)軸索損傷具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的耐受限度:即當(dāng)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(guò)0.12、110 s-1或17％時(shí)，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(duì)大鼠與人之間腦損傷準(zhǔn)則的轉(zhuǎn)化進(jìn)行了探討。利用大鼠和人體的顱腦有限元模型，評(píng)估了基于腦質(zhì)量的頭部旋轉(zhuǎn)加速度縮放準(zhǔn)則（Holbourn準(zhǔn)則）的有效性。對(duì)比大鼠和人體腦組織的應(yīng)變響應(yīng)顯示頭部加速度進(jìn)行整體縮放可能會(huì)帶來(lái)腦組織損傷模式的變化

9、;同時(shí)仿真結(jié)果指出了Holbourn準(zhǔn)則中對(duì)旋轉(zhuǎn)加速度持續(xù)時(shí)間的縮放也存在一定的不足。對(duì)大鼠和人之間腦損傷準(zhǔn)則的轉(zhuǎn)化探討，揭示了開(kāi)展區(qū)域化腦損傷準(zhǔn)則以及損傷準(zhǔn)則在動(dòng)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(dòng)物活體實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的策略是開(kāi)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(biāo)能夠有效的預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)彌散性腦損傷風(fēng)險(xiǎn);構(gòu)建了彌散性腦損傷風(fēng)險(xiǎn)的Logi