減速傷中顱內應力分布于應力波傳播特點的實驗研究.pdf

1、頭顱因外力作用而使運動受阻礙，除引起頭皮、顱骨局限性創(chuàng)傷外，更嚴重的是腦組織由于慣性滯后于頭顱的運動，可導致腦著力部位、腦內及腦對沖部位出現(xiàn)擠壓、疲勞、撕裂、牽張、摩擦及切割等力學效應，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。是指運動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，運動著的車輛發(fā)生碰撞致其減速時車內駕乘人員的頭部與車內物體發(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的研究結果表明顱腦的內部應力響應密切關聯(lián)著顱腦的損傷，因此有必要對顱內應力分布及應力波傳播特性進行深入研究。在這方面，國內所做的研究較為有限。主要是因為要通過實驗手段來測量撞擊過程中顱內腦組織的應力分布與應力波傳播特點是一項頗為困難的課題。<

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

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

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

6、實驗提供了一種直觀無創(chuàng)的顱內應力及應力波檢測與分析方法，是一種無損、非接觸式的測試手段，是測試理念的一種創(chuàng)新。通過該實驗研究可望揭示顱腦減速傷的發(fā)生機制，并為顱腦減速傷的防護和診治提供生物力學依據(jù)。
　　 主要研究方法和結論：
　　 一、構建鋼化玻璃質簡化顱腦物理模型。該顱腦模型取材容易，便于操作；同時由于其透明度好，對于標志物的觀測具有很好的效果，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、致傷機制。
　　 研制基于翻模技術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，同時翻模技術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制。
　　 二、構建了基于鋼化玻璃質簡化顱腦模型、基于翻模技術的具有人體幾何尺寸的PC樹脂材質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驗平臺，該平臺可用于輕、中、重度顱腦撞擊損傷的研究。
　

8、　 通過對顱腦損傷評估標準HIC的計算，可以對撞擊實驗平臺中產生的各種程度的顱腦撞擊損傷進行量化，結合模型腦組織內氣泡體積的變化、傳感器的信號輸出值以及相應的腦組織所受應力變化情況，從而可以將撞擊過程的宏觀層面與微觀層面關聯(lián)起來對顱腦撞擊致傷的生物力學機制進行研究。
　　 三、以鋼化玻璃質簡化顱腦模型、基于翻模技術的具有人體幾何尺寸的PC樹脂材質顱腦模型及高分子材料顱骨模型結合壓強傳感器為基礎，分別在減速撞擊致傷實驗平臺進行了

9、減速撞擊實驗，對減速撞擊過程中顱內腦組織的應力分布及應力波傳播特點進行了研究，得到以下結果：
　　 ①顱腦減速撞擊過程中，腦組織內的應力沿撞擊點往對沖點方向呈由正到負的梯度分布特點；
　　 ②腦組織對沖點處的應力波出現(xiàn)了波谷，撞擊點處的應力波出現(xiàn)了波峰，對沖點處應力波波谷的出現(xiàn)要早于撞擊點處應力波波峰的出現(xiàn)，該特點表現(xiàn)出了應力波在單個點位上以及點位間的傳播規(guī)律；
　　 ③在撞擊過程中應力波會在顱骨內壁發(fā)生反射，并

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

11、通事故顱腦減速傷中較為常見的顱腦“對沖傷”的力學發(fā)生機制之一；
　　 ⑤在對沖側越靠近撞擊點的腦組織其應力波波谷出現(xiàn)得相對越早；在撞擊側越靠近撞擊點的腦組織其應力波波峰出現(xiàn)得也相對越早；
　　 ⑥處于撞擊側的腦組織在撞擊過程中受到了持續(xù)的正壓的作用；而處于對沖側的腦組織在撞擊過程中則受到了正壓與負壓的交替作用，盡管越是靠近中性點腦組織所受到的應力波的幅值越小，但是其應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