李蓓， 阮世捷， 李海巖， 崔世海， 賀麗娟

(天津科技大學(xué) 損傷生物力學(xué)與車輛安全工程中心，天津 300222)

1 引 言

TBI導(dǎo)致的精神問題或疾病有可能伴隨患者一生，給社會(huì)和家庭帶來(lái)巨大壓力和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)[1]。許多學(xué)者借助成人頭部有限元模型(基于解剖圖、CT掃描[2]或MRI影像[3])研究頓挫傷[4](如交通事故)、搏擊致傷[5]、跌落傷[6-7]以及運(yùn)動(dòng)接觸[3,8]或爆炸[9]引起的腦損傷及其損傷機(jī)理,發(fā)現(xiàn)頭部的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是引起TBI的主要原因[2]。與成人相比，兒童頭部損傷的相關(guān)研究較少，其中大部分模型的年齡范圍在0～3歲[10-11]。這些模型用來(lái)研究?jī)和B骨的材料屬性[12-13],或者通過重構(gòu)兒童頭部尸體跌落試驗(yàn)研究顱骨骨折風(fēng)險(xiǎn)[13-14]。然而，腦損傷的損傷機(jī)理與顱骨骨折不同，并且頭部的形態(tài)和結(jié)構(gòu)經(jīng)歷的變化隨年齡的增長(zhǎng)不呈線性關(guān)系[12]。因此，作為兒童腦損傷的初步研究，首先要明確不同年齡段的兒童頭部在結(jié)構(gòu)、尺寸等方面的差異，以及這些差異對(duì)損傷評(píng)估帶來(lái)的影響。

成人頭部損傷研究中，Kleiven[15]重構(gòu)了頭部直線撞擊仿真實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)顱骨應(yīng)力和顱內(nèi)壓力峰值都隨頭部尺寸的增大而增大。Wang[16]的研究表明腦組織響應(yīng)對(duì)頭部尺寸較敏感，卻不受頭部不同幾何形狀的影響。然而，這些研究并未深入討論頭部不同尺寸和幾何形狀對(duì)腦組織應(yīng)變及應(yīng)變分布的影響。兒童頭部損傷研究中，Loyd[17]借助185個(gè)兒童頭部CT數(shù)據(jù)開發(fā)了12個(gè)年齡段的頭顱三維輪廓，確定了不同年齡段兒童顱骨形狀特性的差異。Danelson[18]借助MRI影像量化了隨著年齡的增長(zhǎng)和性別的不同，兒童腦組織形狀和尺寸的改變。這些研究都強(qiáng)調(diào)了在構(gòu)建兒童頭部有限元模型過程中考慮頭部不同尺寸和結(jié)構(gòu)的重要性，并沒有具體分析兒童頭部生物力學(xué)響應(yīng)。

基于以上討論，本研究深入探討了頭部/腦組織大小和形狀對(duì)腦組織應(yīng)變?cè)u(píng)估的重要性。明確說(shuō)明，有必要構(gòu)建適合于兒童的頭部有限元模型來(lái)研究?jī)和^部損傷。

2 材料與方法

本研究借助第50百分位成人、6歲兒童和3歲兒童頭部有限元模型，見圖1。倫理道德一直是制約兒童頭部材料參數(shù)研究的關(guān)鍵因素，一些基于動(dòng)物尸體試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)[19-20]，幼兒階段和成人階段的腦組織樣本剪切模量在統(tǒng)計(jì)學(xué)上沒有表現(xiàn)出顯著差異。因此，很多研究都借助成人頭部材料參數(shù)研究?jī)和^部損傷[21-22]。在本研究中，三個(gè)模型的顱-腦接觸界面和腦組織材料的本構(gòu)模型及參數(shù)均參考了成人頭部有限元模型(simulated injury monitor ，SIMon)[2]，其中除眼睛和唇部采用固聯(lián)接觸外，其余都通過共節(jié)點(diǎn)方法將不同部位的軟組織連接起來(lái)。

圖1 頭部和腦組織有限元模型 (a).50th成人;(b).6歲和3歲兒童Fig.1 Head and brain FE models representing

(a).50th percentile adult; (b).Six-year-old and three-year-old children

首先，根據(jù)1～6歲兒童頭部不同百分位與頭部周長(zhǎng)之間的關(guān)系[23](見圖2)，借助Mertz[24]提出的縮放方法(式1)分別將3歲和6歲兒童頭部有限元模型縮放至其第5百分位、第50百分位和第95百分位模型。

R=(C+W+L)s/(C+W+L)subject/percentile

(1)

其中，C、W和L分別代表同一年齡所對(duì)應(yīng)的不同百分位的頭部周長(zhǎng)、寬度和長(zhǎng)度?？s放的頭部是用來(lái)獲得與6歲和3歲兒童平均頭部尺寸接近的模型，從而討論不同頭部尺寸對(duì)腦組織應(yīng)變的影響。

圖2 人體測(cè)量研究得到的頭圍隨年齡百分位數(shù)的變化

Fig.2The evolution of the head circumference as a function of age percentile found from an anthropometric study

然后，根據(jù)式(1)，將3歲和6歲兒童頭部分別縮放至第50百分位成人頭部有限元模型，使得縮放后的兩個(gè)兒童模型與第50百分位成人頭部模型具有相同的頭部尺寸，從而研究頭部形狀對(duì)腦組織響應(yīng)的影響。

鑒于本研究側(cè)重的是頭部的尺寸和幾何形狀對(duì)腦組織損傷預(yù)測(cè)的影響，因此頭部模型重構(gòu)了已發(fā)表文獻(xiàn)中提到的NFL (Case 157)[25]頭部碰撞試驗(yàn)。仿真實(shí)驗(yàn)中，顱骨簡(jiǎn)化為剛體，將試驗(yàn)中頭部經(jīng)歷的直線和旋轉(zhuǎn)加速度載荷直接加載到有限元頭部模型剛性顱骨重心，模擬頭部經(jīng)歷碰撞過程中的運(yùn)動(dòng)。仿真計(jì)算在有限元分析軟件LS-DYNA中完成。

3 結(jié)果

3.1 頭部尺寸對(duì)腦組織響應(yīng)的影響

由圖3可以看出，腦組織最大主應(yīng)變隨頭部尺寸的增大而增大，相鄰百分位之間應(yīng)變?cè)龃蟮谋嚷示鶠?.041。并且三個(gè)6歲兒童頭部縮放模型經(jīng)歷的應(yīng)變均高于相對(duì)應(yīng)的3歲頭部縮放模型，分別高出17.89%(第5百分位)、18.91%(第50百分位)、18.62%(第95百分位)。

由圖4可以看出，同一年齡中CSDM同樣隨頭部尺寸的增大而增大。當(dāng)應(yīng)變閾值大于0.1時(shí)，6歲兒童腦組織的CSDM大于相對(duì)應(yīng)的3歲兒童頭部，然而，當(dāng)應(yīng)變閾值等于0.1時(shí)，兩組兒童頭部縮放模型經(jīng)歷幾乎相似的CSDM。

由圖5和圖6的應(yīng)變分布云圖可以明顯看出，隨著頭部尺寸的增大，腦組織應(yīng)變分布未發(fā)生明顯變化，并且兩組仿真實(shí)驗(yàn)中，最大主應(yīng)變均出現(xiàn)在大腦皮質(zhì)，只是在6歲兒童縮放模型中，大量的應(yīng)變還集中出現(xiàn)在中腦區(qū)域。

圖3頭部不同尺寸下腦組織最大主應(yīng)變對(duì)比(a).腦組織體積;(b).頭部周長(zhǎng);(c).頭部長(zhǎng)度;(d).頭部寬度

Fig.3Comparison of brain maximum principal strains in simulations among models with different dimensions(a).Brain volume; (b).Head circumference; (c).Head length ;(d).Head width

圖4 應(yīng)變閾值為0.1、0.15、0.2和0.25時(shí)的CSDM值(a).腦組織體積;(b).頭部周長(zhǎng);(c).頭部長(zhǎng)度;(d).頭部寬度Fig.4 CSDM at strain levels of 0.1, 0.15, 0.2 and 0.25(a).Brain volume;(b).Head circumference;(c).Head length;(d).Head width

圖5 6歲兒童模型的應(yīng)變分布(a).第5百分位;(b).第50百分位;(c).第95百分位Fig.5 Comparison of strains of 6-year-old child models(a).5th;(b).50th;(c) .95th

圖6 3歲兒童模型的應(yīng)變分布(a).第5百分位;(b).第50百分位;(c).第95百分位Fig.6 Comparison of strains of 3-year-old child models(a).5th;(b).50th;(c) .95th

3.2 頭部幾何形狀對(duì)腦組織響應(yīng)的影響

由圖3可以看出，第50百分位成人頭部模型經(jīng)歷了最大的腦組織應(yīng)變，并且其頭部周長(zhǎng)和長(zhǎng)度均大于兩個(gè)兒童頭部縮放模型，然而，腦體積以及頭部寬度尺寸卻最小。對(duì)于6歲兒童縮放模型，具有最大的腦體積和最小的頭部長(zhǎng)度。較明顯的是，成人模型和6歲兒童縮放模型具有相似的周長(zhǎng)，分別為54.5 cm和54.05 cm，并且兩個(gè)模型的最大主應(yīng)變也非常接近(分別為0.47和0.45)。3歲兒童縮放模型具有最大的頭寬和最小的周長(zhǎng)，其腦組織經(jīng)歷的應(yīng)變也較低，分別低于成人模型和6歲兒童縮放模型17.03%和14.32%。

當(dāng)應(yīng)變閾值為0.1時(shí)，三個(gè)模型的CSDM非常接近，分別為0.96、0.95和0.97，見圖4。當(dāng)應(yīng)變閾值等于0.15時(shí)，成人模型經(jīng)歷最高的CSDM，而此時(shí)兩個(gè)兒童縮放模型的CSDM卻相近，約為0.77。當(dāng)應(yīng)變閾值大于0.15時(shí)，成人模型和3歲兒童縮放模型分別具有最高和最低的CSDM。

圖7為三個(gè)模型的應(yīng)變分布云圖，較明顯的是在大腦區(qū)域三個(gè)模型具有相似的應(yīng)變分布，其中最大主應(yīng)變均出現(xiàn)在大腦外圍，只是兩個(gè)兒童縮放模型經(jīng)歷的應(yīng)變較低。此外，較大的差異出現(xiàn)在6歲兒童縮放模型的中腦和3歲兒童縮放模型的腦干處，這兩處區(qū)域出現(xiàn)了較大應(yīng)變。

圖7腦組織應(yīng)變分布(a).第50百分位成人;(b).6歲兒童頭部縮放模型;(c).3歲兒童頭部縮放模型

Fig.7Comparison of element-wise strain distributions(a).the50th percentile adult; (b)6-year-old child scaled models;(c)3-year-old child scaled models

4 討論

仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在頭部旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中，腦組織應(yīng)變和CSDM對(duì)頭部尺寸非常敏感，成正比關(guān)系。當(dāng)應(yīng)變閾值大于0.1時(shí)，頭部尺寸越大，腦組織經(jīng)歷較大應(yīng)變的體積范圍就越大，尤其體現(xiàn)在中腦區(qū)域。由此表明，相同加速度載荷作用下，腦組織損傷風(fēng)險(xiǎn)隨著頭部尺寸的增大而增大，但損傷部位沒有明顯變化。

本研究中，第50百分位成人頭部有限元模型的幾何結(jié)構(gòu)是基于群體的統(tǒng)計(jì)測(cè)量，而6歲和3歲兒童頭部數(shù)據(jù)來(lái)自于個(gè)體。三個(gè)模型雖然具有相同的頭部尺寸，但腦組織體積、頭部周長(zhǎng)、長(zhǎng)度和寬度都具有一定差異，使得三個(gè)模型具有不同的幾何特征。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，腦組織應(yīng)變和CSDM與頭部形狀不成比例關(guān)系，說(shuō)明腦組織損傷風(fēng)險(xiǎn)對(duì)頭部幾何特征不敏感。但腦組織應(yīng)變分布卻隨著頭部幾何結(jié)構(gòu)的改變集中出現(xiàn)在中腦(6歲兒童)和腦干(3歲兒童)區(qū)域。由此說(shuō)明，頭部形狀之間的差異不影響腦組織損傷嚴(yán)重程度，但影響應(yīng)變集中的區(qū)域。

基于以上研究結(jié)論，真實(shí)的頭部模型和縮放方法得到的頭部模型在尺寸(腦組織最大主應(yīng)變)和形狀(應(yīng)變分布)方面表現(xiàn)出較大的差異。因此，建議有必要從真實(shí)的CT數(shù)據(jù)或MRI影像建立兒童頭部有限元模型，而不是通過縮放的方法預(yù)測(cè)兒童腦損傷風(fēng)險(xiǎn)。此外，在預(yù)測(cè)兒童腦損傷風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，最好考慮兒童頭部尺寸的變化對(duì)應(yīng)變的影響。

5 附錄 有限元模型的驗(yàn)證

本研究對(duì)Hardy[26-27]的三個(gè)尸體頭部撞擊試驗(yàn)(前額(C383-T1)，枕骨(C755-T2)，頂骨(C393-T4))進(jìn)行重構(gòu)，借助試驗(yàn)中的顱腦相對(duì)位移驗(yàn)證了三個(gè)頭部有限元模型的有效性。在仿真實(shí)驗(yàn)中，三個(gè)模型均縮放至尸體試驗(yàn)中樣本的尺寸。對(duì)模型施加了試驗(yàn)中測(cè)得的包括直線加速度和角加速度在內(nèi)的6組頭部質(zhì)心加速度。

圖8為三個(gè)試驗(yàn)中給定的中性密度靶(neutral density targets, NDT)位置的顱腦相對(duì)位移試驗(yàn)和仿真曲線?？梢钥闯觯B腦相對(duì)位移仿真曲線在數(shù)值和變化趨勢(shì)上都與試驗(yàn)結(jié)果非常接近。借助相關(guān)性分?jǐn)?shù)(correlation score, CS)來(lái)量化模型驗(yàn)證的結(jié)果，三個(gè)模型的平均CS分?jǐn)?shù)分別為85.29、84.43和85.85，與Total Human 模型 (THUMS; 平均CS分?jǐn)?shù)為 85.52)[28]和DHIM(Dartmouth Head Injury Model; 平均分?jǐn)?shù)為83.37)[3]接近,并且根據(jù)Lange[29]中的逼真度評(píng)級(jí)可知，本研究中三個(gè)模型均表現(xiàn)出了較好的分?jǐn)?shù)。

圖8仿真實(shí)驗(yàn)與尸體試驗(yàn)顱腦相對(duì)位移結(jié)果(a).C383-T1;(b).C393-T4;(c).C755-T2

Fig.8Comparison between simulated and experimental time histories of relative brain-skull displacement for selected NDTs(a).C383-T1; (b).C393-T4; (c).C755-T2