准静态下颞部撞击致颅脑伤的有限元模拟分析及其临床意义

　　作者：赵辉，尹志勇，蒋建新，王正国，陈继川，杨成 作者单位：1.第三军医大学大坪医院野战外科研究所四室，车辆/生物碰撞安全重庆市市级重点实验室，重庆400042;2.第三军医大学大坪医院野战外科研究所耳鼻咽喉头颈外科，重庆400042

　　【摘要】 目的建立准静态下颞部撞击致颅脑伤的虚拟模型，研究准静态下颞部撞击所致的应力分布以及应力波的传播，探讨颞部撞击致颅脑伤的生物力学机制。方法在Hypermesh软件中建立准静态颞部撞击伤的有限元模型，用LsDyna软件对该有限元模型进行数值模拟计算，最后用LsPrepost软件进行后处理。结果撞击点处颞骨Von Mises应力以及颅内压力随撞击速度的提高而增大;应力波在颅骨表面的传播以撞击点为圆心的径向上传播，在颅骨-脑组织耦合处急剧衰减;颅底有应力集中区域。该数值模拟的结果与生物试验结果较吻合。结论本研究对颞部撞击致颅脑损伤的诊断和防护有重要意义。

　　【关键词】 颅脑损伤;撞击伤;模拟

　　基金项目：国家自然科学基金(30670513)GM国家自然科学基金(30422202)

　　Finiteelement simulation analysis of brain injury from temporal impact in quasistatic and its clinical significance

　　ZHAO Hui,YIN Zhiyong,JIANG Jianxin,et al.

　　Chongqing Key Laboratory of Vehicle Crash/Bioimpact and traffic safety,Department 4,Institute of

　　Surgery Research,Daping Hospital,Third Military Medical University,Chongqing400042,China

　　Abstract:ObjectiveTo study the stress distribution and stress wave propagation in skull and brain by establishing the virtual model of brain injury from temporal impact in quasistatic so as to investigate the mechanisms of biomechanics of brain injury.MethodsThe finite element model of brain injury from temporal impact in quasistatic was built with Hypermesh software.The simulation and postprocessing of temporal impact were done using LsDyna and LsPrepost software.ResultsThe Von Mises stress of impacted temporal bone and intracranial pressure were improved with the increase of impact velocity.Stress wave was propagated along the radial with the center of circle of impacted area and attenuated deeply between skull and brain.Stress concentration was observed on fundus cranii.The result of simulation was concerned with the bioimpact experiment.ConclusionThis study can play more important role in diagnosis and prevention of brain injury from temporal impact.

　　Key words：brain injury;contusion;simulation

　　交通事故已成为威胁人类生命安全的“世界第一公害”[1]。在交通事故中，颅脑损伤的发病率、死亡率极高。颞骨因在整个颅骨结构中较为薄弱，在撞击过程中容易骨折，导致听觉系统和颅内组织损伤。颞部撞击伤除在交通伤患者中较为常见外，也常见于钝性打击伤。颞部的解剖结构复杂导致对其损伤机制研究较困难，然而若能将颞部撞击实验和计算机模拟仿真分析结合起来对其损伤机制加以阐述，将对颞部撞击伤的临床诊断起积极作用。因此本研究拟在准静态颞骨撞击伤模型的生物实验基础[2]上，通过计算机模拟分析从生物力学机制方面探讨颞部在准静态撞击下颞骨以及颅内脑组织的应力分布以及应力波传播，从而为颞部撞击致颅脑损伤的诊断和防护提供试验依据。

　　材料与方法

　　1准静态下颞部撞击伤模型的建立

　　筛选尸体头颅12具(成年男性，年龄26~38岁)，均去毛发备皮，随机分为3组，每组4例。用本所提供的BIMⅡ型生物撞击机在不同的撞击条件下对左侧颞部进行准静态撞击(表1)，高速摄像机拍摄撞击全过程，用序列图像分析的办法来计算撞击锤撞击瞬间的速度和加速度，撞击完成后对尸体头颅进行螺旋CT扫描。撞击头质量为1.88kg，撞击锤末端面积为1589.6mm2。表1准静态下颞部撞击参数(略)

　　2头部有限元模型参数

　　本文所用的头部有限元模型为TNO公司推出的头部有限元模型(英国伯明翰大学提供)基础上修正而成。该模型由头部解剖结构分为颅骨、蝶骨、硬脑膜、大脑、小脑和延髓等22个部分，含有15639个节点和13827个单元，颅骨脑组织为共用节点结构(图1)。头部各部分的材料特性参数按表2进行定义。

　　将脑组织作为线黏弹性材料并结合大变形理论进行研究，以能更好地模拟脑组织的剪应变等力学响应。黏弹性材料的剪切模量用以下方程表达： G(t)=G∞+(G0-G∞)·e-βt

　　式中G0为动态剪切模量，取值范围为34~528kPa;G∞为静态剪切模量, 取值范围为5.5~338kPa;β为衰减常数;t为时间。本文中动态剪切模量、静态剪切模量以及衰减常数的值分别为34、5.5kPa和700s-1。

　　3颞骨撞击伤模拟的前、后处理

　　在Hypermesh软件中建立撞击锤有限元模型，根据以上参数设置头部有限元模型的材料特性参数，撞击锤与左侧颞骨的接触采用自动面面接触，并根据撞击试验调整初始位置，然后完成Control Cards的设置。在LsDyna中对以上所建立的左侧颞部撞击伤有限元模型进行数值求解，最后用LsPrepost2.1软件对模拟结果进行后处理，研究颅骨及颅内应力分布和应力波传播以及撞击点处脑组织的压力变化。

　　结果

　　头部在撞击瞬间，在撞击锤与头部的接触点处形成点状的应力集中区域，而后随着撞击过程延续，撞击锤与头部的接触深度和接触面逐渐增大，在颞骨处形成应力集中区域逐渐扩大，直至撞击锤末端面与头部完全接触，出现大小如撞击面大小的圆状应力集中区域。然后应力以波的形式向周围扩散，直至最后能量消失(图2)。模拟仿真结果表明，第1、2和3组实验撞击点的Von Mises应力峰值分别为11.2、15.4、18.2MPa。应力波在颅骨脑组织耦合处急剧衰减(图3)，虽然颅骨经硬脑膜传递到脑组织后能量急剧降低，但在颅底处有应力集中区域(图4)。三次实验均在对侧颅骨发现应力集中现象。

　　撞击头分别以3种致伤参数撞击左侧颞部，除第1组外，第2、3组都出现颞骨骨折[2]。由撞击点处脑组织的压力变化波形图能看出，随着撞击能量增大，颅内的压力幅度也增大，第1、2和3组的压力峰值分别为0.58、1.10、1.52MPa(图5)。

　　讨论

　　常见的颅脑损伤生物力学研究方法有物理参数测试、无接触测量(高速摄像测量、光弹性模型和碎漆法)以及数学计算。当前，随着计算机科学迅猛发展，用数学模型来计算颅脑损伤的生物力学已经成为研究颅脑损伤生物力学的最常用方法，头部有限元模型正是在这一背景下发展起来的。有限元法是一种从工程结构分析发展起来的求解连续介质力学问题的数值分析方法，1969年Fridenbery首次将有限元理论应用于医学领域，为人类生物力学研究提供了新方法和理论。迄今为止，已有多种版本的头部有限元模型被用于颅脑损伤的研究，分别被用于模拟接触性头部撞击伤和模拟非接触性(惯性)颅脑损伤。用有限元模型来模拟颅脑损伤过程，可供研究的生物力学参数非常丰富，且以此获取所需要的生物力学参数几乎没有任何困难。Von Mises应力是将压应力、拉应力及剪应力的不同分量用数学方法综合起来产生的一个单独的量，这个标量常用于表示某种材料承受的总体应力情况，因此Von Mises应力是本文所研究的生物力学参数之一。

　　颅骨因解剖部位差异有不同的力学特点，颞骨的抗骨折能力又较枕骨、顶骨、额骨低。颞部受到撞击时，骨折线容易转向外耳道，致鼓室盖骨骨折和脑脊液漏。综合颞骨撞击伤模型[2]可以初步判断，颞骨的应力达到11.2MPa时，只造成撞击侧颞骨某些层面的线性骨折;当颞骨的应力达到15.4MPa时，颞骨将出现纵行骨折或混合型骨折，同时伴有凹陷性骨折、错位等;而应力达到18.2MPa后，撞击侧骨折还可出现粉碎性骨折。骨折线的形状与骨骼被撞击时所发生的应变率有关，当应变率较低时，骨特性表现为胶原纤维结构，而应变率高则体现为钙质结构，易出现爆裂性骨折[6]，这可能也是本试验中第3组出现粉碎性骨折的原因。

　　颅内压力峰值是头部对外力载荷的响应，常常被作为评估颅脑损伤程度的重要指标。Ward等[7]曾从动物、尸体实验以及有限元模拟推断存在头部压力容限，压力峰值超过该容限将导致颅脑挫伤和出血。颅内压力峰值大小差异也导致损伤程度轻重不同：颅内压力超过235kPa将导致重度脑损伤，在173~235kPa之间会出现中度脑损伤，而低于173kPa则至多导致轻度伤[8]。通过模拟仿真看出随着撞击速度增大，颅内压力峰值也增大，因而从生物力学方面验证了随着撞击速度对脑损伤程度的影响。颅脑对外力的响应除反映在颅内压力变化外，脑组织的应力、应变也是重要的判断指标。作者通过对颅骨-脑组织的应力波传播和应力分布研究观察到了临床常见的颅底挫裂伤的颅底应力集中现象，这与颅底的多孔、窝状结构有关;颅底结构在头部撞击伤时还因其易达到屈服应力而出现导致骨折。应力波在颅骨和脑组织耦合处急剧衰减是由于两种介质不同导致。尽管模拟仿真试验中确实观察到了对侧部位的应力集中现场，且生物撞击实验还发现对侧的骨折，但作者还不能肯定地认为这是由对冲伤所导致，因为在准静态撞击实验中，右侧颞骨由刚性墙支撑，刚性墙对右侧颞骨的反作用力随着撞击速度的增大而增大，相当于在对侧也施加这一外力载荷，这也能够解释本实验中右侧颞骨骨折的现象，提示颞部撞击后的缓冲空间小以及支撑面刚度大，导致颅脑损伤程度更剧烈。

　　常见的颞部撞击伤可能具有动态损伤过程。颞部遭受撞击瞬间因对侧没有支撑，头部将出现加速过程，构成常见的颅脑加速伤，且由于头颈约束关系的存在还将导致出现旋转加速，出现临床常见的弥漫性轴索损伤;头部运动至与车内附属物或地面相接触而撞击还在继续，出现本文所研究的准静态下颞部撞击致颅脑伤。因此提示，对临床的颞部撞击导致的颅脑损伤，其损伤部位可能存在多个部位，应该加大排查力度，以防止漏诊。

　　【参考文献】

　　[1]王正国.交通事故伤研究近况[J].中华创伤杂志，1996，12(3)：141-142.

　　[2]杨成，陈继川，尹志勇,等.准静态颞骨撞击伤模型的建立[J].中华创伤杂志，2007，23(6)：441-444.

　　[3]Margulies SS,Thibault KL.Infant skull and suture properties:measurements and implications for mechanicsms of pediatric brain injury[J].J Biomech Eng,2000,122(4):364-371.

　　[4]Kumaresan S,Radhakrishnan S.Importance of partitioning membranes of the brain and the influence of the neck in head injury modeling[J].Med Biol Eng Comput,1996,34(1):27-32.

　　[5]Voo K,Kumaresan S,Printar FA,et al.Finite element models of the human head[J].Med Biol Eng Comput,1996,34(5):375-381.

　　[6]Xiaodu W,Chunjiang Q.Prediction of microdamage formation using a mineralcollagen composite model of bone[J].J Biomechanics，2006,39(4):595-602.

　　[7]Ward C,Chan M,Nahum AM.Intracranial pressure: a brain injury criterion[M].Proceedings of the 24th Stapp Car Crash Conference.SAE 1980,No.801304:161-185.

　　[8]Liying Z,Yang KH,King AI.Biomechanics of neurotrauma[J].Neurol Res,2001,23(2-3):144-156.