顱腦鈍性沖擊損傷生物力學(xué)中有限元法的應(yīng)用

1、顱腦鈍性沖擊損傷生物力學(xué)中有限元法的應(yīng)用研究進展牛文鑫 北京航空航天大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，北京（100191） E-mail：niuwenxingmail 摘要：外傷性顱腦損傷是威脅人類生命的重要因素，其中大部分損傷是由鈍性沖擊引起的。 對沖擊引起顱腦損傷的生物力學(xué)機制研究，將有助于安全防護、臨床救治和司法鑒定。有限 元方法在這一問題的研究上體現(xiàn)了強大的功能，在 30 多年間取得了長足發(fā)展。本文對最近幾年內(nèi)的研究成果在模型精度、沖擊類型和損傷機制、有限元結(jié)果與損傷對應(yīng)關(guān)系、對特殊 人群的建模分析和事故重現(xiàn)等幾個問題上進行了綜述分析。關(guān)鍵詞：頭部損傷，外傷性腦損傷，沖擊，生物力學(xué)，有限元法 中

2、圖分類號：R3181 前言外傷性顱腦損傷對人類生命的威脅極大。伴隨著高速交通工具的發(fā)展，這一問題在現(xiàn) 代社會中表現(xiàn)更為突出。美國每年有 150 萬例腦外傷損傷，直接經(jīng)濟損失 563 億美元1。 在歐洲，交通損傷是僅次于癌癥的第二死亡原因，對于 45 歲以下人群，交通死亡的概率是 癌癥死亡概率的 6 倍多2。19951998 年，在日本交通事故行人損傷中，22%的 嚴重損傷 和 64的致命損失都源于顱腦損傷，顱腦損傷的死亡率是其他部位損傷死亡率的 6.3 倍3。 據(jù)公安部統(tǒng)計，2005 年，我國共發(fā)生道路交通事故 450254 起，造成 98738 人死亡，469911 人受傷，直接財產(chǎn)損失 1

3、8.8 億元4。根據(jù)在交通損傷中顱腦損傷發(fā)生率約為 7%，而顱腦傷 的死亡率為 3050，可見外傷性顱腦損傷對社會的危害。另外，外傷性顱腦損傷也常見 于運動醫(yī)學(xué)、軍事醫(yī)學(xué)和法醫(yī)學(xué)等特種醫(yī)學(xué)。尤其是航空航天事業(yè)的迅速發(fā)展，對這一損傷 的預(yù)防和處理更為關(guān)鍵。美國空軍飛行事故調(diào)查表明，頭部外傷占全部事故外傷的 86%， 致命性外傷的發(fā)生率為 19。我國空軍被迫跳傘的飛行人員中，顱腦損傷占 30.55。外傷性顱腦損傷多數(shù)是由直接和間接沖擊引起的，但其致傷機制，尤其是生物力學(xué)致 傷機制尚未完全闡明。同時，各種基于生物力學(xué)研究的產(chǎn)品設(shè)計一直在進行，安全法規(guī)也在 不斷修訂。這個領(lǐng)域的研究一直使用實驗和模型兩

4、種方法。無風(fēng)險的活體實驗在揭示損傷實 質(zhì)方面存在局限性。尸體實驗6是最可靠的研究方法，但實驗要求條件高，成本昂貴，在 倫理學(xué)上存在爭議。動物實驗7也有類似的問題，而且動物顱腦與人類顱腦有所區(qū)別，本 質(zhì)上也屬于模型方法。物理模型8,9和數(shù)學(xué)模型的發(fā)展為這一問題的研究提供了另外的渠 道，尤其是有限元方法的發(fā)展，極大的促進了這個領(lǐng)域的研究。近年來，由于計算機硬件和 軟件的發(fā)展驅(qū)動，以及來自臨床、工程界的需求拉動，該領(lǐng)域發(fā)展迅速。筆者著重總結(jié)分析 了 2000 年以來最新的研究成果。2有限元建模2.1 建模精度作為一種模型方法，有限元建模應(yīng)該是對生理顱腦的一個無窮逼近的過程。從最初的二 維的簡單球殼和

5、腦組織模擬，到現(xiàn)在根據(jù) CT 或 MRI 對各細微組織的模擬，體現(xiàn)了技術(shù)的發(fā)展對顱腦建模模擬深度的影響。人的顱骨是一種“三明治”結(jié)構(gòu)，中間是具有吸振性能的粘彈性松質(zhì)骨，夾在兩端致密的皮質(zhì)骨中間。Anups 等（2007）10通過有限元分析認為這種 結(jié)構(gòu)是人在進化過程中對沖擊傷害優(yōu)化的結(jié)果。在建模過程中要做到對該結(jié)構(gòu)各層厚度和材 料的準確模擬，才能體現(xiàn)這種優(yōu)化的作用。Horgan 和 Gilchrist（2003）11通過參數(shù)比較研 究，認為顱骨的厚度，皮質(zhì)骨和骨小梁的比例，對準確預(yù)測顱內(nèi)壓分布非常必要。在這種情 況下，單一線彈性殼單元來模擬顱骨已經(jīng)顯得不足。關(guān)于顱腦之間邊界設(shè)置的問題，Aomu

6、ra 等（2003）12通過有限元分析與實驗比較， 認為在模型中顱骨腦界面采用固定連接的方式比使用可滑動的接觸設(shè)置更可靠。Ji 和 Margulies（2007）13使用靜態(tài)高分辨率自旋加權(quán)矢狀面 MR 圖像，對 15 個志愿者正常和 屈曲條件下橋腦運動的實驗分析，建議在有限元模型中，顱骨和腦干的連接應(yīng)該設(shè)置為允許 滑動的接觸，但并未強調(diào)摩擦的設(shè)置。由于血管比腦組織彈性模量更大，隨著模型精度的提高，對其忽略是否影響腦組織的受 力分析引起爭議。Omori 等（2000）14通過兩個模型（有和無血管）在旋轉(zhuǎn)沖擊作用下計 算結(jié)果之間的比較分析，在有血管的模型血管附近和蛛網(wǎng)膜區(qū)域發(fā)現(xiàn)更高的剪切應(yīng)力，因

7、此 建議有限元模型中應(yīng)該添加血管。Zhang 等（2002）15通過二維有限元分析，同樣認為血 管在顱腦有限元模型中是必要的。隨后與上述兩項研究同一團隊的 Parnaik 等（2004）16 卻通過物理模型實驗否定了這種觀點，認為血管的影響微乎其微。Ho 和 Kleiven（2007）17 通過三個有限元模型的比較分析，認為由于血管系統(tǒng)的承載能力有限，在旋轉(zhuǎn)和平動沖擊載 荷下，其對腦的動力學(xué)影響可以忽略。但是如果對腦血腫感興趣，應(yīng)該把血管系統(tǒng)添加到有 限元模型中。Aomura 等（2003）12研究結(jié)果認為有限元模型是否包括頸部對顱腦的分析有重要影 響，而頸部的強度設(shè)置對顱內(nèi)響應(yīng)的影響不大，而

8、很多分析中并未考慮頸部結(jié)構(gòu)。Zou 等 (2007)18認為對創(chuàng)傷預(yù)測最為敏感的參數(shù)是腦的轉(zhuǎn)動慣量和腦質(zhì)量，這提示我們在建模過 程中應(yīng)該注意這些參數(shù)的微小變化可能引起的較大誤差。2.2 材質(zhì)參數(shù)材料類型與參數(shù)是生物力學(xué)建模始終關(guān)注的焦點，它本身是模型精度最重要的評價指 標(biāo)，但鑒于其特殊地位，有必要單獨闡述。由于生物材料力學(xué)本構(gòu)關(guān)系復(fù)雜和實驗測試工作 的滯后，直到現(xiàn)在，均質(zhì)各向同性線彈性的假設(shè)仍被廣泛應(yīng)用在各種組織中。這與腦組織的 非線性粘彈性性質(zhì)是不一致的，實驗已經(jīng)證明腦組織的彈性模量會隨應(yīng)變增加而降低19-22，Darvish 和 Crandall（2001）23通過振動實驗發(fā)現(xiàn)在頻率超過

9、44Hz 時提高腦組織 的應(yīng)變會發(fā)生剪切硬化。Sarkar 等（2006）24認為人腦灰質(zhì)和白質(zhì)具有不同的材料性質(zhì)， 在模擬沖擊損傷的有限元模型中，必須將它們區(qū)分開。Bilston 等(2006)25提出使用磁共振 彈性成像（Magnetic Resonance Elastography, MRE）技術(shù)在體測量灰質(zhì)和白質(zhì)的材料性質(zhì)， 認為在 90Hz 測量條件下，白質(zhì)比灰質(zhì)略軟（灰質(zhì) E=3.3kPa，白質(zhì) E=2.9kPa），而兩者粘度 近似（灰質(zhì) µ2.4Pa.S，白質(zhì) µ2.3Pa.S）。Elkin 等（2006）26也對有限元模型中使用非 活體測量的材料數(shù)據(jù)提出了質(zhì)

10、疑，并認為應(yīng)該充分考慮材料的非均質(zhì)性。該研究小組提出使 用原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope, AFM）壓痕測試來進行對腦組織局部材料測試， 并對大鼠海馬組織進行了在體測量，該測試方法可以達到微米級空間分辨率。Gilchrist 等（2001）27通過二維有限元模型分析，認為使用彈性材料模擬腦不能準確 反映沖擊在挫傷側(cè)和對側(cè)之間引起的拉伸和壓縮波動反射響應(yīng)，應(yīng)該使用粘彈性材料。Kleiven（2006）28建議為準確預(yù)測硬膜下血腫和腦組織的滑動戳傷，有必要對軟腦膜設(shè)置非線性粘彈性的材料性質(zhì)。Brands 等（2004）29通過采用振動實驗、超聲實驗和應(yīng)力松弛 實驗提供

11、的線性粘彈性和非線性材料參數(shù)，應(yīng)用有限元程序計算比較，認為來自剪切實驗的 數(shù)據(jù)還存在局限性，而其他數(shù)據(jù)能夠在有限元模擬中取得較好的表現(xiàn)。Kleiven(2003) 30 將腦組織和脊髓作為超彈性材料來處理，結(jié)合大變形理論對其進行了應(yīng)用。Horgan 和 Gilchrist（2003）11肯定神經(jīng)組織的短期剪切模量對額部顱內(nèi)壓力和等效應(yīng)力有重要影響， 當(dāng)腦脊液以成對的節(jié)點模擬時，其體積模量對對側(cè)外傷壓力有明顯影響。Canaple 等（2003） 31推薦對腦脊液采用超彈性材料，其應(yīng)用模型已取得了尸體實驗的驗證。Wittek 和 Omori（2003）32通過設(shè)置不同的邊界條件和加載條件計算，認為

12、對顱腦邊界條件的精確模擬需 要將織網(wǎng)膜下空間/腦脊液設(shè)置稱流體介質(zhì)。流固耦合的觀點也體現(xiàn)在其他一些研究中9?？傊?，對顱腦的有限元建模精度的提高，需要生物材料基礎(chǔ)研究的突破、測試技術(shù)的進步和醫(yī)學(xué)成像、計算力學(xué)等多學(xué)科的協(xié)同發(fā)展。而且要在應(yīng)用中對多種因素進行協(xié)調(diào)處理， 在以分析結(jié)果為導(dǎo)向的建模過程中合理簡化模型，做到精確和效率的平衡。3幾個典型問題和熱點3.1 沖擊類型與損傷機制由于顱腦復(fù)雜的結(jié)構(gòu)并非軸對稱，所以沖擊方向不同，顱內(nèi)響應(yīng)也迥異30,33。較多的 研究集中在額部、枕部直接沖擊。何黎民等（2005）34通過有限元分析模擬額部和枕部直 接沖擊，認為沖擊位置局部腦組織可因變形、骨折、顱內(nèi)壓增

13、高造成損傷，但非沖擊位置的 腦組織挫傷則主要是由于顱腦相對運動。Kleiven(2006)33使用有限元模型研究了額部、枕 部和側(cè)向 3 種沖擊類型，并與實驗比較，在維持較短時間的沖擊中，模擬計算與實驗結(jié)果吻 合較好，但在維持較長時間的沖擊中，顱內(nèi)壓在模擬計算和實驗中相關(guān)性不大，這可能是由 于在實驗中空氣進入顱內(nèi)空腔造成的。與額部、枕部沖擊相比，側(cè)向沖擊在顱腦之間產(chǎn)生較 小的相對運動。Zong 等（2007）35通過同樣三種沖擊計算，證明顱骨存在功率流路徑，是 一個良好的能量流通道，同時，該研究也揭示了由于顱內(nèi)波動，脊索具有較高的損傷可能性。 Zhang 等（2001）36比較分析了有限元模型

14、在受到額部沖擊和側(cè)向沖擊后的顱內(nèi)壓和局部 剪切應(yīng)力分布，結(jié)果表明與額部沖擊相比，側(cè)向沖擊導(dǎo)致沖擊位置較大的局部顱骨變形和更 高的顱內(nèi)正壓，另外，側(cè)向沖擊還在大腦的核心區(qū)域誘發(fā)更高的局部剪切應(yīng)力。研究認為顱 骨變形和內(nèi)部構(gòu)造可能是顱內(nèi)壓和剪切力對方向敏感的主要原因。凡是沒有通過頭部重心或枕寰關(guān)節(jié)的沖擊外力，都可以導(dǎo)致頭部發(fā)生旋轉(zhuǎn)運動，由此而 引發(fā)的各層組織剪切，顱腦相對運動都會導(dǎo)致嚴重損傷。Ho 和 Kleiven（2006）17定義了 持續(xù) 5ms 角加速度峰值為10, 000rad / s2 的加載方式來模擬單純旋轉(zhuǎn)沖擊。在交通損傷的研 究、車輛防護工具的設(shè)計中，旋轉(zhuǎn)沖擊的考慮是非常重要的3

15、7。旋轉(zhuǎn)沖擊可以造成諸如彌 漫性軸索損傷等外傷性腦損傷38，但目前這方面的研究尚不足。間接沖擊是由突發(fā)性運動 引起的，相對直接沖擊，間接沖擊引起損傷的力學(xué)機制更為復(fù)雜。Huang 等（2000）39通 過有限元模型模擬頭部繞上頸椎的前后旋轉(zhuǎn)，結(jié)果驗證了空化假說，在間接沖擊中過程中腦 組織存在壓力梯度。旁矢狀面的對側(cè)外傷壓力時間關(guān)系曲線顯示間接沖擊比直接沖擊產(chǎn)生 更小的顱內(nèi)壓。另外，間接沖擊引起的負壓不足以形成對腦組織造成損傷的空化氣泡。但是， 剪切應(yīng)力集中的區(qū)域與臨床觀察一致，這說明在遭受間接沖擊的條件下剪切應(yīng)變理論可有效。另外，Sarron 等（2000）通過有限元方法與尸體和物理實驗結(jié)合的

16、方法研究了在佩戴頭盔的條件下遭受子彈襲擊而引起的二次沖擊傷，這種損傷與子彈引起的穿透傷有截然不同的 致傷機理40。3.2有限元分析結(jié)果與損傷評價的對應(yīng)關(guān)系頭部損傷標(biāo)準 HIC(Head Injury Criterion)是評價顱腦損傷最常用的指標(biāo)，它的主要特征 為加速度對時間的積分。它的主要優(yōu)點是在實驗中使用加速度傳感器方便測量，并具有較好 的可重復(fù)性41。但是，有限元分析輸出的是海量全場數(shù)據(jù)結(jié)果，這樣 HIC 存在的前提條件 就受到挑戰(zhàn)。而且最關(guān)鍵的是在很多情況下 HIC 的應(yīng)用并不理想42。在平行沖擊中，HIC 和 HIP 在應(yīng)變水平上具有很好的相關(guān)性33。Kleiven(2003)30的

17、研究認為橋靜脈的最大相 對顱腦運動發(fā)生在旋轉(zhuǎn)沖擊條件下，而 HIC 對這種沖擊所造成的損傷不能有效預(yù)測。而 HIP 需要不同形式的個體縮放系數(shù)來補償載荷方向的部一致。因此有必要建立頭部損傷的綜合評 價標(biāo)準。幾個不同的局部損傷度量被在有限元分析中提出，但是對它們的綜合效應(yīng)尚未定論 43。第一主應(yīng)變常被用作彌散性軸索損傷和血腦屏障力學(xué)損傷的評價指標(biāo)，其他一些局部 腦損傷的評價指標(biāo)包括 von Mises 等效應(yīng)力、應(yīng)變與應(yīng)變率的積、應(yīng)變能、維持特定應(yīng)變水 平的腦組織的聚集體積和累積應(yīng)變損傷等。Zhang 等（2001）36通過有限元分析和比較靈 長類動物實驗，認為如果剪切變形作為彌漫性腦損傷的一個

18、評價指標(biāo)的話，在側(cè)向沖擊時， 頭部趨向于對剪切變形的耐受度降低。Huang 等（2000）39也證明了剪切應(yīng)變的重要性。 而 Yao 等（2007）44通過事故重現(xiàn)，認為交通事故腦損傷的對沖壓力、von Mises 等效應(yīng) 力和剪切應(yīng)力都非常重要。Kleiven 和 von Holst45通過比較不同大小的頭對沖擊的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn) HIC 所預(yù)測的結(jié)果 與顱內(nèi)應(yīng)力結(jié)果相矛盾。所以建議在制定新的損傷標(biāo)準時考慮頭的大小產(chǎn)生的影響。該項研 究結(jié)果 4 年后引發(fā)一場與 Ruan 和 Prasad 之間討論46,47。由于討論雙方是該領(lǐng)域兩個不同 發(fā)展時期的杰出代表，討論深度和廣度都非常值得學(xué)習(xí)。雖然討論的

19、最后并未給出令每個人 都滿意的結(jié)果，但至少反映了該領(lǐng)域存在的諸多問題。3.3 特殊人群的建模分析上述爭論的一個誘因就是對人類顱腦個體差異性的處理。由于人類活動的領(lǐng)域不斷擴 展，涉及的人群也處于各不同的年齡和發(fā)育階段，存在較大個體差異，對具體問題的具體建 模分析，有利于對顱腦損傷多樣性和特異性的研究。外傷性腦損傷是兒童和青少年致殘的最 常見誘因。Ponce（2007）48應(yīng)用二維有限元對此進行了研究，模擬了 3 種常見沖擊：左 腦側(cè)向集中沖擊、分布式?jīng)_擊和額部碰撞。法醫(yī)領(lǐng)域，Cory 等（2001）49全面總結(jié)了上世 紀關(guān)于兒童頭部沖擊損傷是否屬于虐待科學(xué)鑒定的模型研究，有限元法在這個問題的研究

20、中 是一個新的選擇，但也同其他方法一樣存在局限性。Roth 等（2007）50使用有限元方法模 擬 6 個月嬰兒遭受虐待頭部劇烈搖晃，間接沖擊引起顱腦位移，導(dǎo)致硬膜下血腫，并與兩項 案例符合。由于兒童和青少年處于特定的發(fā)育期，頭顱的結(jié)構(gòu)和材料性質(zhì)與成年人有所不同， 這在建模過程中都需要單獨對待51。對特殊職業(yè)人員的顱腦損傷有限元分析也非常有意義，尤其在軍警40、體育工作、 野外作業(yè)等損傷高發(fā)職業(yè)，因為不同的損傷類型有著不同的損傷機制，也意味著需要采取不同的防護措施和實行不同的救治方案。另外，在許多研究都提到了個性化建模的概念52,53，這似乎也是學(xué)科發(fā)展的一個重要方向。實質(zhì)上任何基于醫(yī)學(xué)影像的

21、有限元建模都是個性化的，單獨強調(diào)概念更多的是針對所要解決的問題。3.4 事故再現(xiàn)中的頭部損傷有限元研究進展事故再現(xiàn)（Accident Reconstruction）的研究在工程領(lǐng)域已相當(dāng)普遍，但是深入到顱腦損 傷機制的有限元研究仍然富于挑戰(zhàn)性。該研究也是個性化建模分析一種體現(xiàn)形式，在方法學(xué) 上是實驗結(jié)合模型共同研究的典型。研究者希望這方面的成果能指導(dǎo)臨床損傷診斷和安全防 護產(chǎn)品的設(shè)計43,54。Willinger 和 Baumgartner（2003）55使用有限元分析和假人實驗對 一系列損傷事故進行了數(shù)字重現(xiàn)，包括 13 例摩托車事故中的佩戴頭盔的損傷，20 例足球引 起的頭部損傷和 28

22、例交通行人頭部損傷。期望建立基于特定損傷機制的新的損傷風(fēng)險曲線 和損傷評價標(biāo)準。Yao 等（2007）44在分析交通行人頭部損傷和汽車擋風(fēng)玻璃的關(guān)系時， 對德國 DIDAS（德國深度事故研究）數(shù)據(jù)庫中 120 個案例進行分析，并對其中 10 個案例進 行了重現(xiàn)研究。Ott 等（2006）56使用商業(yè)軟件和模型對美國 PCDS（行人車禍數(shù)據(jù)研究） 數(shù)據(jù)庫中的 10 個案例進行了重現(xiàn)研究。事故重現(xiàn)研究是確定有限元法應(yīng)用有效性的重要途 徑，必須有充足的典型案例，結(jié)合科學(xué)的統(tǒng)計分析和比較研究，將是損傷生物力學(xué)與現(xiàn)實應(yīng) 用最好的結(jié)合點之一。4 結(jié)論有限元作為一種先進的數(shù)值計算方法已經(jīng)取得了長足的發(fā)展，但

23、仍存在較大的局限性。 一方面有限元方法要盡量簡化非主要因素，另一方面要考慮多種復(fù)雜因素，在技術(shù)實現(xiàn)允許 條件下力求精確，做到效率和精度的協(xié)調(diào)。在顱腦沖擊問題上，與在體測量、尸體實驗、物 理模型實驗、流行病學(xué)調(diào)查等方法聯(lián)合使用7,40,53，發(fā)揮各自的長處，并通過合理的研究 設(shè)計，有限元方法將成為強大的工具。另外，有限元個性化分析可以更精確地解決具體問題， 同時，也要分析普遍問題，建立基于合理分類的普適模型，二者是有機統(tǒng)一的。參考文獻1 D.J. Thurman. The epidemiology and economics of head trauma A. In: L. Miller, an

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