摘要： 由于輕度創(chuàng)傷性腦損傷的復(fù)雜性和數(shù)據(jù)測量方式的局限性，直接根據(jù)腦組織損傷閾值來確定大腦的損傷狀態(tài)往往并不可行。腦組織的損傷機制涉及復(fù)雜的力學、生物化學和生理學過程，且在不同個體之間存在顯著差異。通過研究頭部運動載荷與腦組織損傷之間的關(guān)系，研究者可以更好地理解不同類型的頭部運動（如線加速度、角加速度、角速度）對腦組織的影響規(guī)律。這不僅有助于揭示顱腦創(chuàng)傷的力學機制，還為開發(fā)更有效的防護裝具提供科學依據(jù)。但直接從頭部的運動學測量評估損傷風險仍面臨諸多挑戰(zhàn)。本文詳細總結(jié)和評述了與輕度創(chuàng)傷性腦損傷相關(guān)的沖擊載荷及頭部模型特點，通過綜合分析頭部運動學載荷與腦組織變形響應(yīng)的關(guān)系，揭示包括線加速度、角加速度等載荷作用下腦組織的應(yīng)力、應(yīng)變響應(yīng)規(guī)律，指出當前研究中存在的不足與局限性，為輕度創(chuàng)傷性腦損傷的預(yù)防、評估及治療奠定理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞： 致傷機制；碰撞載荷；爆炸載荷；角加速度；頭部模型；腦組織應(yīng)變

中圖分類號： O389 國標學科代碼： 13035 文獻標志碼： A

輕度創(chuàng)傷性腦損傷（mild traumatic brain injury， mTBI），也常被稱為腦震蕩，已經(jīng)成為當今社會面臨的緊迫的公共衛(wèi)生問題之一。其發(fā)病率持續(xù)上升，尤其在從事接觸性運動的運動員、交通事故受害者和軍人中更為普遍。mTBI 的一個顯著特點是它不會導致明顯的物理損傷，但患者可能會經(jīng)歷認知、情緒、感覺和睡眠等方面的暫時性或長期障礙。并且，mTBI 的后遺癥因人而異，這對準確診斷和有效治療構(gòu)成了巨大挑戰(zhàn)。

軍事和工業(yè)生產(chǎn)中由爆炸引起的沖擊波，以及運動和交通事故中因碰撞等產(chǎn)生的沖擊載荷，使得腦損傷的問題愈發(fā)嚴峻。沖擊產(chǎn)生的頭部加速度會導致大腦和顱骨之間的相對運動，進而產(chǎn)生頭部慣性傷。沖擊載荷下，大腦與顱骨發(fā)生快速的相對運動，這一過程會導致腦細胞的拉伸和損傷[1]，進而引發(fā)生物化學變化。長期以來的研究表明，線加速度和角加速度是mTBI 的主要原因，甚至會導致更為嚴重的彌漫性軸索損傷（diffuse axonal injury， DAI）和腦出血[2-4]。此外，由于大腦各部分的密度差異，相鄰結(jié)構(gòu)在慣性運動中會經(jīng)歷不同的應(yīng)力響應(yīng)，比如角加速度會在組織中引起剪切應(yīng)力[5-6]。同時，鈍性撞擊引起的線加速度會在胼胝體和腦干區(qū)域引起剪切應(yīng)力集中，導致腦組織的剪切應(yīng)變和進一步損傷[7-9]。目前，已有非侵入式設(shè)備可以在頭盔內(nèi)部或顱骨表面進行人體頭部加速度的測量，但其應(yīng)用場景仍受到量程和頻率的限制。

傳統(tǒng)的醫(yī)學診斷方法，例如核磁共振成像（magnetic resonance imaging， MRI）和計算機斷層掃描（computed tomography， CT），雖然在識別嚴重腦損傷方面表現(xiàn)出色，但在檢測mTBI 的細微生物力學及生物化學變化方面卻存在不足。而顱內(nèi)腦組織的力學響應(yīng)，如顱內(nèi)壓、剪切應(yīng)力和應(yīng)變，在活體上進行直接測量幾乎是不可能的，即便在尸體上進行測量也極具挑戰(zhàn)性。因此，人體頭部有限元模型的開發(fā)和應(yīng)用成為了研究mTBI 的重要且有力的工具。這些模型通過模擬頭部在受到?jīng)_擊時的動態(tài)響應(yīng)，能夠從宏觀和微觀2 個層面重現(xiàn)腦損傷過程，涵蓋腦組織的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、顱內(nèi)壓的變化以及神經(jīng)元的損傷模式。更重要的是，利用個體化的頭部模型，可以基于患者獨特的解剖結(jié)構(gòu)和受傷情況，提高診斷的準確性，并為患者制定更加個性化和有效的治療方案。隨著計算力學、生物力學和臨床醫(yī)學等跨學科領(lǐng)域的合作不斷加深，人體頭部有限元模型在研究和探索mTBI 中將發(fā)揮更加重要的作用。

由于顱腦在碰撞、爆炸波等沖擊載荷作用下展現(xiàn)出復(fù)雜的力學和生理學響應(yīng)，目前研究者尚未完全理解頭部運動載荷和腦組織響應(yīng)之間的對應(yīng)關(guān)系。然而，這一對應(yīng)關(guān)系正是揭示頭部運動導致?lián)p傷的機制、制定針對易傷人員（如橄欖球、足球運動員及士兵）的評估指標及預(yù)防策略的關(guān)鍵所在。

本文綜述創(chuàng)傷性腦損傷研究中的沖擊載荷及頭部模型特點，綜合分析頭部運動載荷與腦組織變形損傷的定量關(guān)系，揭示致傷機制，為創(chuàng)傷性腦損傷的預(yù)防、評估及治療奠定理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

1 頭部沖擊載荷形式

1.1 接觸型碰撞載荷

在體育運動和汽車碰撞等情境中，人體常常會受到以強脈沖形式出現(xiàn)的高速運動載荷沖擊，這種沖擊會導致腦組織的變形和損傷。接觸性運動往往伴隨著較高的腦震蕩風險，其中頭部碰撞是受傷最常見的原因。在這些運動中，人們尤為關(guān)注運動員職業(yè)生涯中長期的頭部加速度暴露對神經(jīng)退行性疾病的影響[10-11]。

由碰撞載荷導致的頭部損傷在格斗運動中很常見，每年大約有30 萬例格斗運動者被確診為創(chuàng)傷性腦損傷（traumatic brain injuries， TBI）[12]。格斗運動，包括擊打類（拳擊、跆拳道）和格斗類（柔道、摔跤），都是這類損傷的高發(fā)領(lǐng)域。在這些運動中，腦外傷可能源于直接的頭部撞擊，也可能由間接的頭部慣性運動所導致。

橄欖球作為對抗性球類項目，以其復(fù)雜的對抗形式和高強度的特點而著稱，其中頭部加速度暴露是這項運動中一個普遍存在的問題[13]。以歐洲超級聯(lián)賽為例，腦震蕩的發(fā)生率呈現(xiàn)上升趨勢，從2013 年和2014 年的每1 000 名球員每小時2 次和3 次腦震蕩增加到2015 年的每1 000 名球員每小時8 次腦震蕩[14]。這一數(shù)據(jù)凸顯了橄欖球運動員在激烈的比賽中面臨的頭部加速度暴露風險。

在汽車碰撞中，汽車乘員和行人可能會受到頭部損傷。這類事故不僅會產(chǎn)生高昂的醫(yī)療費用，還會導致嚴重的人身傷害 [15]。在碰撞過程中，乘員頭部可能會經(jīng)歷突然加速然后減速的過程，或是直接撞擊到硬物，如方向盤、前擋風玻璃等。而行人在與汽車碰撞時，頭部可能直接與汽車的前端、引擎蓋或擋風玻璃接觸，而在碰撞后，行人可能會被拋向其他物體或地面，頭部再次撞擊硬物，造成二次傷害。

彈道沖擊也是導致嚴重頭部損傷的重要原因之一。鈍性彈道沖擊是指未能穿透顱骨而造成非穿透性損傷的彈道沖擊，因此也被稱為非穿透性彈道沖擊[16-17]。對于鈍性彈道沖擊，峰值力出現(xiàn)在1 ms 內(nèi)，頭盔內(nèi)表面變形或非致命彈丸對頭部的沖擊速度為20～200 m/s[18-19]。當爆炸產(chǎn)生的子彈或破片撞擊士兵的頭盔時，彈丸可能穿透頭盔外表面，將沖擊能量傳遞給頭盔殼體[20]，能量再從頭盔內(nèi)襯傳遞至頭部。在這一過程中，顱骨變形、頭部線加速度、角加速度和角速度都被認為是導致腦損傷的潛在機制[5]。由于慣性效應(yīng)，顱骨可能會在撞擊后相對于大腦移動，這種相對運動可導致顱骨內(nèi)表面與大腦發(fā)生碰撞，造成局灶性損傷[21]。在一般鈍性沖擊中，顱腦相對運動被認為是造成局灶性損傷的重要機制之一[22-23]。角加速度導致的顱腦相對旋轉(zhuǎn)可能會使橫跨硬腦膜間隙的橋靜脈撕裂，從而產(chǎn)生硬腦膜下血腫[24]。這種血腫如果嚴重，可能會增加腦部壓力，其死亡率高于其他的創(chuàng)傷性腦損傷[25]。研究還發(fā)現(xiàn)，角加速度對硬膜下血腫的貢獻通常大于線加速度[26]。因此，在防護和治療這類損傷時，需要特別關(guān)注頭部角加速度的影響。

在足球比賽和訓練中，球員會經(jīng)歷反復(fù)的頭部撞擊，包括頭部與足球之間的碰撞，與其他球員的碰撞，摔倒后與地面的碰撞，以及與其他物體（如球門門柱）的碰撞。這些碰撞在某些情況下可能會導致mTBI。當mTBI 發(fā)生時，可能會導致短暫的意識喪失，并可能伴隨一系列與認知、情緒和睡眠相關(guān)癥狀的后遺癥[27]。這些癥狀可能會持續(xù)數(shù)周，對球員的身心健康產(chǎn)生顯著影響。然而，在大多數(shù)情況下，足球比賽中經(jīng)歷的碰撞很少會導致急性癥狀，這些通常被稱為頭部次震蕩沖擊[28]。盡管這些沖擊可能不如直接引起mTBI 的碰撞嚴重，但長期累積的效應(yīng)仍需要引起足夠的重視和關(guān)注。有越來越多的證據(jù)表明，運動引起的mTBI 可能會導致一系列嚴重的后果，包括認知能力下降[29] 和其他神經(jīng)退行性疾病[30]。這些長期影響對于運動員的身心健康構(gòu)成了威脅，并可能對他們的職業(yè)生涯和日常生活產(chǎn)生深遠的影響。然而，運動相關(guān)的mTBI 長期影響尚不清楚[31]。最近的一項研究發(fā)現(xiàn)，蘇格蘭前職業(yè)足球運動員因神經(jīng)退行性疾病導致的死亡率是實驗控制組的3 倍以上，但這項研究沒有對頭球的碰撞進行定量估計[32-33]，因此其結(jié)論仍需要進一步的驗證和探討。

目前，關(guān)于足球運動員腦損傷長期風險的最佳暴露指標尚未明確[34]。在足球比賽中，為了研究頭部撞擊的影響，研究者們通常使用附著在球員頭部的加速度計來記錄線加速度和角加速度或角速度。然而，在比賽和實驗中使用不同的測量方法可能會導致加速度表征的差異[35]。因此，足球運動所產(chǎn)生的最大線加速度（peak linear acceleration， PLA）和角加速度（peak angular acceleration， PAA）在不同的研究中可能存在很大的差異。從現(xiàn)有的觀察性研究中，撞擊的平均值從約30 m/s2 和240 rad/s2 到約450 m/s2和約7 000 rad/s2。

將碰撞載荷所導致的頭部線加速度和角加速度實驗數(shù)據(jù)進行快速傅里葉變換后，發(fā)現(xiàn)頭部的運動處于低頻狀態(tài)。如圖1 所示，將2018 年Tolea 等[36] 在汽車假人碰撞實驗中獲得的頭部數(shù)據(jù)和2003 年Naunheim 等[37] 在足球碰撞人體頭部實驗中獲得的數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，并將2 份研究中的頭部運動學數(shù)據(jù)進行快速傅里葉變換后發(fā)現(xiàn)，無論是線加速度還是角加速度，人體頭部在碰撞載荷下的響應(yīng)均呈現(xiàn)出低頻特性。這一發(fā)現(xiàn)對于理解頭部在碰撞中的動力學行為以及設(shè)計更有效的防護措施具有重要意義。

目前，非侵入式設(shè)備如PROTECHT system 護齒器和MiG （instrumented mouthguard） 已被廣泛應(yīng)用于碰撞型載荷下，傳感器處的線性加速度的測量[38]，如圖2[39-40] 所示。PROTECHT system 護齒器能夠測量的線加速度最大值為400g，角加速度最大值為35 rad/s，采樣頻率為1 kHz[39]。而MiG 能測量到線加速度的最大值為400g，角加速度最大值為70 rad/s，加速度計采樣頻率為1 000 Hz，陀螺儀采樣頻率為8 000 Hz[40]。此外，HITS （head impacttelemetry system） 也已廣泛在頭盔上用于加速度測量，其能夠測量的線加速度最大值為150g，采樣頻率為1 kHz[40]。X2 Patch 可裝配于人體頭部耳后用于測頭部的加速度歷史， 采樣頻率為1 kHz，由大于10g 的加速度觸發(fā)[41]。

1.2 爆炸沖擊波載荷

爆炸損傷可分為一級、二級、三級和四級損傷，不同級別的損傷具有不同的特點和機制[42]。一級損傷是閉合性頭部損傷，也被稱為原發(fā)性爆炸傷，主要由沖擊波造成，不會導致穿透或外部出血。早期的研究主要集中在肺、胃、腸、胃腸道和耳朵等充滿空氣的器官上，因為這些器官被認為最容易受到?jīng)_擊波的影響。因此，爆炸損傷閾值和致死曲線是基于肺損傷提出的。然而，隨著伊拉克戰(zhàn)爭和阿富汗戰(zhàn)爭中爆炸事件的增多，爆炸造成腦損傷的普遍性和嚴重性逐漸被人們所認識[43]。根據(jù)最近的創(chuàng)傷性腦損傷卓越中心報告[44]，從2000 年到2020 年，在美軍人員中有高達430 000 例創(chuàng)傷性腦損傷。值得注意的是，在最近的戰(zhàn)爭中，爆炸相關(guān)的頭部損傷數(shù)量正在上升，而爆炸相關(guān)的肺部傷害有所下降[45]。在戰(zhàn)場上，頭部與肺部曾長期被視為最易受損的部位。然而，隨著防彈衣技術(shù)的顯著進步及其廣泛普及，爆炸導致的肺部損傷情況已有所緩解[46]。相比之下，頭部在爆炸沖擊波作用下的損傷問題卻日益凸顯，已成為一個亟待關(guān)注且日益嚴重的挑戰(zhàn)。

除了爆炸波通過壓力透射直接造成的頭部損傷外，其作用于頭部的合力所產(chǎn)生的運動也會導致頭部遭受嚴重的損傷[47]。在爆炸導致的頭部損傷中，爆炸波加載產(chǎn)生的加速度會引發(fā)大腦和頭骨之間的相對位移，進而導致?lián)p傷。從時間順序上，加速度的響應(yīng)發(fā)生在應(yīng)力波傳播之后。實驗結(jié)果顯示，與可以自由活動的大鼠相比，爆炸后被固定的大鼠表現(xiàn)出較少的認知障礙，這表明在相同的爆炸條件下，頭部加速度降低的大鼠其神經(jīng)損傷癥狀有所減輕[48]。數(shù)值分析進一步揭示了頭部重心處最大加速度與腦組織響應(yīng)（如顱內(nèi)壓、最大剪切應(yīng)力和最大主應(yīng)變）之間存在線性關(guān)系，證明了它們之間的緊密聯(lián)系[49]。雖然實驗環(huán)境中很難單獨區(qū)分加速度導致的損傷，但Mao 等[50] 在模擬中設(shè)定顱骨為剛體，排除了應(yīng)力波的影響，發(fā)現(xiàn)單獨的加速度也能產(chǎn)生顯著的顱內(nèi)壓。與其他沖擊力（如爆炸驅(qū)動的碎片、鈍性沖擊）相比，沖擊波的作用時間極短，導致沖擊波引起的加速度持續(xù)時間也較短。由于人體對加速度的耐受性與持續(xù)時間有關(guān)，因此沖擊波導致的顱腦損傷機制與鈍性沖擊造成的損傷是彼此獨立的[51]。

爆炸載荷[52] 與碰撞載荷[37-38] 的頻譜分布上顯著不同。Dionne 等[53] 采用Hybrid Ⅲ模型開展了爆炸實驗，測量了頭部質(zhì)心處的線加速度和角加速度， 結(jié)果顯示， 角加速度的幅值高達約50 krad/s2，這明顯超過了碰撞載荷下頭部角加速度的數(shù)值，且其頻率分布更廣泛。如圖3 所示，對矢狀面上的角加速度進行快速傅里葉變換后，發(fā)現(xiàn)其在0～2 000 Hz 都有較高的幅值，這與碰撞載荷下低頻角加速度響應(yīng)形成了鮮明對比。相比于平動，轉(zhuǎn)動是造成頭部損傷更重要的因素[54]。因此，由于角加速度載荷的差異，爆炸載荷和碰撞載荷引起的腦損傷區(qū)域分布及致傷機理可能存在顯著的不同。

目前，非侵入式設(shè)備如PROTECHT system護齒器和MiG 測量設(shè)備無法滿足爆炸型加速度載荷的測量需要。對比圖3 中展示的爆炸型加速度載荷的特征，上述設(shè)備的量程遠低于爆炸型加速度載荷的范圍。同時，由于柵欄效應(yīng)，設(shè)備采樣頻率若不能滿足奈奎斯特采樣定理，采集的數(shù)據(jù)無法完成信號完整的重建，即采集的最大值可能遠低于頭部在爆炸中實際運動的加速度最大值。因此，在測量爆炸型加速度載荷時，這些非侵入式設(shè)備需要進一步的改進和優(yōu)化。

綜上，隨著傳感器技術(shù)的進步，研究者們現(xiàn)已能夠借助加速度計和陀螺儀精確測量頭部在碰撞和爆炸載荷下的運動加速度。這些設(shè)備被集成到頭盔和假人模型中，通過實驗準確記錄頭部在不同載荷條件下的動態(tài)響應(yīng)。例如，配備高分辨率傳感器的假人模型（anthropomorphic test device， ATD）能夠捕捉到復(fù)雜的加速度數(shù)據(jù)，詳細記錄頭部的運動狀態(tài)。然而，由于人體實驗在實際操作中存在諸多限制和倫理考量，使得動物模型和假人模型成為了重要的替代方案。雖然這些模型為研究提供了寶貴的數(shù)據(jù)支持，但它們?nèi)匀浑y以完全模擬人類頭部在真實環(huán)境中的實際響應(yīng)。同時，盡管目前已有非侵入式傳感器被集成到頭盔或護齒器上，用于測量頭部的運動學參數(shù)，但現(xiàn)有測量技術(shù)在量程和時間分辨率上仍存在一定的局限性。因此，提高非侵入式測量的量程與時間分辨率，將是未來研究的重要方向。

2 頭部響應(yīng)評估模型

載荷形式確定后，為了準確評估頭部在加速度載荷下顱內(nèi)腦組織的響應(yīng)，需要借助人體模型來進行研究。在過去的幾十年里，志愿者、假人、動物和尸體被廣泛用作實驗對象，以監(jiān)測和分析頭部的動態(tài)響應(yīng)。盡管這些實驗方法為我們提供了大量寶貴的數(shù)據(jù)，但它們同時也面臨一些倫理和數(shù)據(jù)可靠性方面的挑戰(zhàn)。具體而言，志愿者實驗存在個體差異較大的問題，這可能導致實驗結(jié)果的穩(wěn)定性和可重復(fù)性受到影響。而假人模型雖然在某種程度上能夠模擬人體的響應(yīng)，但其在仿真度方面仍有待提高，難以完全還原真實人體的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和功能。此外，動物模型雖然能夠模擬某些活體生理反應(yīng)，但由于動物與人體在生理結(jié)構(gòu)上的差異，以及從動物到人體的尺度率問題，使得從動物實驗中獲得的數(shù)據(jù)難以直接應(yīng)用于人體。為了克服這些挑戰(zhàn)，越來越多的研究工作開始轉(zhuǎn)向基于標準化的有限元頭部模型進行仿真分析。這一章具體講述現(xiàn)存有限元模型的優(yōu)點和局限性，并綜述有限元頭部模型在研究領(lǐng)域內(nèi)的進展。

在腦損傷的研究中，目前主要運用5 類模型，包括人體志愿者模型、假人模型、動物模型、尸體模型和有限元模型。人體志愿者頭部模型雖能提供最準確的響應(yīng)數(shù)據(jù)，但有2 個主要限制：第1 個是志愿者必須要確保處于致傷閾值以下，這使得其不適用于研究致傷閾值和機理；第2 個是數(shù)據(jù)采集方法必須采用非侵入式，這限制了腦組織響應(yīng)和顱內(nèi)壓的測定。盡管Siegmund 等[52， 55] 嘗試使用加速度計和電極，Ono 等[56] 采用高速X 射線來捕捉動態(tài)撞擊中的骨骼運動，Escarcega 等[57] 通過標記磁共振成像和磁共振彈性成像測量頭部加速度下的人腦變形，但能準確測量人體志愿者的腦組織響應(yīng)的非侵入式方法受到了嚴格的使用場景和設(shè)備限制。假人模型為生物力學測試提供了方案，它們耐用且數(shù)據(jù)重復(fù)性好，對數(shù)據(jù)采集設(shè)備的要求也相對較低。但假人模型數(shù)據(jù)的可靠性受限于其生物仿真度。假人模型的耐用性來源于對于脆弱的關(guān)節(jié)進行了額外的保護，約束了對應(yīng)的自由度，導致了其與人體不完全一致的運動響應(yīng)。此外，假人模型通常是針對特定工況設(shè)計和驗證的，實際載荷條件與驗證時的差異會影響數(shù)據(jù)的可靠性。動物模型具有真實的生物響應(yīng)，適用于損傷研究，且可進行侵入式數(shù)據(jù)采集，但受倫理限制且存在與人體巨大的解剖差異。尸體模型在數(shù)據(jù)采集設(shè)備限制上較人體志愿者有所降低，生物仿真度高于假人模型，解剖學上也比動物模型精確，但缺乏生物響應(yīng)。相比之下，有限元模型突破了數(shù)據(jù)采集設(shè)備的限制，結(jié)合影像學技術(shù)可還原真實的人體頭部模型結(jié)構(gòu)。因此，在頭部損傷研究中，人體有限元模型被廣泛采用。

2.1 高精度有限元模型

高精度頭部有限元模型是研究運動學載荷、顱內(nèi)響應(yīng)及損傷的重要工具，主要包括生理幾何結(jié)構(gòu)、不同組織間接觸連接以及不同組織的材料本構(gòu)3 個方面。在生理結(jié)構(gòu)方面，得益于醫(yī)學成像技術(shù)的飛速發(fā)展，人體頭部有限元模型中的結(jié)構(gòu)細節(jié)得到了極大的豐富和增強。目前高精度頭部模型的建立基于計算機斷層掃描或磁共振成像技術(shù)，這些技術(shù)能夠捕獲人類頭部的高分辨率切片圖像。結(jié)合醫(yī)學圖像處理軟件，可以對掃描對象進行精確分割，從而得到各個組件的單獨實體模型?；谶@種方法，有限元頭部模型的結(jié)構(gòu)精確性問題得到了有效解決。

2.1.1 腦組織力學特性

腦組織是人體最柔軟的組織之一，表現(xiàn)出獨特的力學性能，其剪切模量僅為1 kPa[58]，但體積模量卻高達吉帕級別，這顯示了它幾乎不可壓縮的特性。Budday 等[59] 采用新鮮牛腦開展壓痕試驗，測試灰質(zhì)和白質(zhì)組織的力學特性。研究發(fā)現(xiàn)，灰質(zhì)與白質(zhì)均表現(xiàn)出與時間相關(guān)的黏彈性行為，并且兩者剪切模量和剪切應(yīng)變率依賴性存在明顯差異，如圖4 所示。極小的剪切模量和灰白質(zhì)不均一的特性使得腦組織即使在自身重力作用下也會產(chǎn)生明顯的變形且難以量化[60]。因此，即便其僅受重力作用，腦組織內(nèi)部也會經(jīng)歷顯著的應(yīng)變，導致其幾何形態(tài)難以預(yù)測和控制，同時局部變形的具體狀態(tài)也難以精確測定，這無疑為準確確定其材料特性帶來了相當大的挑戰(zhàn)。進一步地，當腦組織經(jīng)歷大變形時，它會呈現(xiàn)出明顯的應(yīng)變強化行為[59]，如圖5 所示。這意味著隨著應(yīng)變的增大，腦組織的剪切剛度也會提高，顯示出非線性的力學特性[60]。

此外，腦組織由灰質(zhì)和白質(zhì)構(gòu)成，具有顯著的非均質(zhì)性?；屹|(zhì)區(qū)主要包含神經(jīng)元細胞體、為神經(jīng)元提供營養(yǎng)的原生質(zhì)星形膠質(zhì)細胞和作為主動免疫防御的小膠質(zhì)細胞。而白質(zhì)區(qū)包含軸突、包裹在軸突周圍形成髓鞘的少突膠質(zhì)細胞、纖維狀星形膠質(zhì)細胞和小膠質(zhì)細胞[61]。在這2 種組織中，白質(zhì)的硬度明顯高于灰質(zhì)。鑒于腦組織的易損性，力學測試中難以精確控制組織的損傷程度，特別是當拉伸應(yīng)變超過18% 時，會對測試結(jié)果的準確性產(chǎn)生顯著影響[62]。這些特性使得精確捕捉腦組織的材料行為變得極具挑戰(zhàn)性，因此在相似條件下，不同研究小組得到的腦組織力學測試結(jié)果存在顯著差異。相應(yīng)地，人體頭部有限元模型中采用了不同的本構(gòu)模型和材料參數(shù)來模擬腦組織的力學行為。

早期的頭部有限元模型主要采用線彈性材料來簡化模擬腦組織的力學行為[63-64]。然而，根據(jù)近年來的實驗結(jié)果，腦組織的力學特性遠比線彈性復(fù)雜，特別是考慮到其大變形應(yīng)變強化行為和應(yīng)變率依賴的特性。因此，線彈性本構(gòu)模型已不足以準確描述腦組織的力學響應(yīng)。目前，大多數(shù)研究傾向于采用黏彈性本構(gòu)模型來定義腦組織的力學響應(yīng)。隨著對腦組織在沖擊載荷下可能產(chǎn)生的大變形響應(yīng)認識的加深，非線性模型被提出以提供更準確的響應(yīng)預(yù)測[65-66]。在這一背景下，有研究者將黏超彈性本構(gòu)模型應(yīng)用于腦組織，以更好地捕捉其復(fù)雜的力學行為。目前，如KTH Royal Institute of Technology[67]、UniversityCollege Dublin[68]、Imperial College London[69] 以及University of Western Australia[70] 等研究機構(gòu)建立的模型都采用了黏超彈性腦組織本構(gòu)。這些模型已被廣泛認可為高精度的人體頭部模型，能夠較好地模擬腦組織在多種載荷條件下的力學行為。

2.1.2 顱腦結(jié)構(gòu)的接觸連接

對于頭部運動致傷問題，顱腦之間的接觸連接是一個不可忽視的關(guān)鍵因素。當顱骨受到運動載荷時，這種載荷會通過顱骨與內(nèi)層結(jié)構(gòu)的接觸，即相互作用力，傳遞至顱內(nèi)的各個組織。顱腦間的相互作用方式直接決定了顱骨向內(nèi)層結(jié)構(gòu)傳遞力的具體方式和力的幅值大小，這對于還原真實情況下腦組織的響應(yīng)至關(guān)重要[71]。

Cheng 等[72] 和Dimasi 等[73] 沒有對腦脊液進行建模，通過建立不同的接觸方式來描述顱腦界面的連接。Cheng 等[72] 利用簡化模型和物理模型，在二維腦冠狀面切片上研究了彌漫性軸索損傷，其中顱腦之間未考慮腦脊液，而是采用了完全固定和切向無摩擦的接觸條件。研究結(jié)果表明，顱腦之間不同的約束條件對顱內(nèi)腦組織的位移和最大剪應(yīng)變有顯著影響。Dimasi 等[73] 開發(fā)了符合腦解剖結(jié)構(gòu)的模型，用于預(yù)測汽車碰撞中頭部撞擊所導致的大腦應(yīng)變。在這個模型中，顱腦界面之間同樣未建立腦脊液，而是在顱腦界面中間引入了帶有摩擦系數(shù)的硬腦膜，相當于在大腦外表面和顱骨內(nèi)表面之間設(shè)定了具有摩擦的切向接觸條件。

顱腦界面的接觸條件設(shè)置問題在顱腦沖擊傷研究中得到了廣泛關(guān)注。1995 年，Kuijpers 等[74] 構(gòu)建了人體頭部的矢狀面二維平面應(yīng)變有限元模型，以探討如何更精確地設(shè)定顱腦界面的接觸條件以接近真實的狀態(tài)，如圖6（a） 所示。研究比較了完全固定和完全自由的接觸條件，并與Nahum 等[75] 的尸體實驗結(jié)果進行對照。結(jié)果顯示，在沖擊側(cè)的壓力時程曲線上，自由的接觸條件與實驗的數(shù)據(jù)吻合較好，而在沖擊對側(cè)的壓力時程曲線上，無論是自由還是固定的接觸條件，都與實驗數(shù)據(jù)存在顯著差異。綜合考量后，研究認為自由的接觸條件與實驗結(jié)果更為接近。1997 年，Claessens 等[76] 進一步建立了人體頭部的三維有限元模型，頭部模型中包含大腦、小腦、腦干、腦鐮、腦幕、顱骨和面骨幾何結(jié)構(gòu)，如圖6（b） 所示，同樣探討了顱腦界面的固定和自由條件，并將模型結(jié)果與Nahum 的尸體實驗結(jié)果進行了比較。研究結(jié)果顯示，在沖擊側(cè)，完全固定的接觸條件相比自由要更接近實驗結(jié)果，但沖擊對側(cè)，自由和固定的接觸條件均與實驗數(shù)據(jù)存在顯著偏差。綜合評估后，研究認為固定接觸條件與實驗結(jié)果更為接近。盡管這2 項研究在未考慮腦脊液影響的前提下，定量地分析了自由和固定接觸條件對腦組織響應(yīng)的影響，但因為兩者與尸體實驗結(jié)果不完全吻合，因此關(guān)于如何建立最佳的接觸條件，目前尚未形成定論。

Kleiven 等[67] 在2002 年建立了包含腦脊液的人體頭部三維高精度有限元模型，旨在探討腦脊液與顱骨和腦膜在不同接觸條件（完全固定、切向滑移，以及完全自由）下對顱內(nèi)壓的影響。研究結(jié)果顯示，在存在腦脊液的有限元模型中，腦脊液與顱骨和腦膜之間的固定接觸條件能夠使得沖擊側(cè)和沖擊對側(cè)的顱內(nèi)壓模擬結(jié)果與實驗結(jié)果高度吻合?；谶@一發(fā)現(xiàn)，研究最終得出結(jié)論：在模型中包含腦脊液并采用腦脊液與顱骨和腦膜固定的接觸方式，能夠更加準確地模擬顱腦受沖擊時的顱內(nèi)壓變化?；谶@一重要結(jié)論，后續(xù)開發(fā)的高精度頭部有限元模型，如THUMS 模型（ total human model for safety） [ 7 7 ]、GHBMC 模型（global human body models consortium）[78]、ABM 模型（atlas-based brain model）[79]、ADAPT 模型（detailed and personalizable head model with axons for injury prediction）[80] 等，均采用了腦脊液與周圍結(jié)構(gòu)固定的接觸方式，以確保模擬結(jié)果的準確性和可靠性。在前人研究的基礎(chǔ)上，Zhou 等[81] 考慮腦脊液的流體行為，將頭部模型的顱腦界面設(shè)置為流固耦合相互作用。相比于前人的研究，該模型在動態(tài)力學特性上驗證的更為充分。

2.1.3 頭部固有頻率研究

頭部三維有限元模型的固有頻率及動態(tài)響應(yīng)特征是由上文提到的顱腦的生理結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)間相互作用以及材料力學模型共同決定的。然而，由于倫理道德的要求和取材的困難性，關(guān)于人體頭部固有頻率分析的實驗研究很少。Békésy [82] 率先開展人類頭骨固有頻率研究，而后Franke 等[83] 在1956 年對此項研究進行了糾正。Franke 等[83] 通過對比活體頭骨、干顱骨和尸體樣本，發(fā)現(xiàn)干顱骨的固有頻率要高于其他兩者。具體而言，干顱骨的第1 階頻率為300 Hz，第2 階頻率為500 Hz，第3 階頻率為1 200 Hz。干顱骨之所以具有較高的頻率，是因為活體顱骨和尸體中包含了較軟的腦組織，這些組織會對頭骨自身的運動產(chǎn)生阻尼作用，從而降低顱骨的固有頻率，此外，其約束條件和質(zhì)量均與真實情況下的頭部存在極大不同，這也會對固有頻率造成影響。值得注意的是，上述實驗由于開展較早，測量設(shè)備沒有足夠的靈敏度來有效檢測較低頻率的振動，無法識別低于200 Hz 的頻率。

當考慮頭部中顱腦結(jié)構(gòu)相互作用時，頭部的頻率會出現(xiàn)顯著的下降。Fonville 等[84] 在采用MRI 掃描成年男性頭部后，建立了精確的有限元模型，并發(fā)現(xiàn)腦組織的前3 階固有頻率對應(yīng)的模態(tài)主要表現(xiàn)為在矢狀面和冠狀面上的扭轉(zhuǎn)或剪切運動，對應(yīng)頻率分別為22.3、23.8、24.0 Hz，如圖7 所示。此外，Laksari 等[85] 在有限元模型中模擬了足球的頭部沖擊，并提取了大腦變形最主要的模態(tài)行為。這篇研究中發(fā)現(xiàn)，大腦的變形在接近30 Hz 的低頻狀態(tài)下幅值最大，這與大腦的固有頻率在數(shù)值上是對應(yīng)的。

2.2 簡化理論模型

如前文所述，已有相關(guān)研究開發(fā)了精細的三維頭部數(shù)值模型，但這些模型由于計算量龐大，并不滿足快速評估損傷指標的需求。因此，為了提高計算效率，也有相關(guān)研究通過簡化頭部的解剖細節(jié)和材料力學模型，降低空間分辨率，建立了適用于快速計算的簡化頭部理論模型。

目前，已有研究者基于連續(xù)介質(zhì)力學理論建立了頭部模型，其中頭部被簡化為圓柱體[86-87]。這些模型本身是二維的，即位移分量沿中心軸方向沒有變化。在Margulies 等[88] 的工作中，大腦被建模為不可壓縮的且均勻的黏彈性材料，并承受了突然施加的旋轉(zhuǎn)運動載荷。在Massouros 等 [89-90] 的后續(xù)研究中，腦組織采用黏彈性本構(gòu)模型，同時頭骨的旋轉(zhuǎn)角度隨時間呈正弦函數(shù)變化。為了驗證這些理論模型的可靠性，研究者們將預(yù)測的應(yīng)變場與實驗中實際測量的應(yīng)變場進行了對比。對于三維頭部模型來說，大腦被建模為一個球體[91-92]。然而，值得注意的是，無論是二維還是三維模型，它們的推導過程都基于小轉(zhuǎn)動的假設(shè)。

Wan 等[93] 突破了小轉(zhuǎn)動的假設(shè)限制，基于有限旋轉(zhuǎn)，給出了頭部橫截面二維簡化模型位移，以及腦組織內(nèi)部應(yīng)變和應(yīng)變率的具體解析表達式，通過與二維有限元模型的結(jié)果進行比較，驗證了這一新模型的有效性和準確性。

此外，Gabler 等[94] 開發(fā)并實施了一種基于二階系統(tǒng)的新腦損傷度量方法，該方法利用頭部運動學的旋轉(zhuǎn)分量來預(yù)測頭部撞擊期間的最大腦應(yīng)變。研究中提出了一種新的腦損傷指標，稱為彌漫性軸突多軸綜合評估（diffuse axonal multi-axis general evaluation， DAMAGE）。該損傷指標基于一個耦合的三自由度運動方程的二階系統(tǒng)，用于預(yù)測頭部撞擊時的最大腦應(yīng)變，該預(yù)測依賴于方向相關(guān)的角加速度時程。在模型開發(fā)之后，研究者利用運動和汽車測試的大型數(shù)據(jù)庫對DAMAGE 進行了模擬，并將結(jié)果與有限元模型和現(xiàn)有損傷指標進行了比較。研究結(jié)果證明了二階系統(tǒng)在模擬腦應(yīng)變反應(yīng)方面的有效性，并提供了一種快速估計頭部撞擊嚴重程度的準確工具。

2.3 多尺度頭部損傷模型

mTBI 是一個跨學科的復(fù)雜問題，涉及多個空間尺度、時間尺度和多物理場的交互。mTBI 的病理過程始于宏觀層面的沖擊（微秒級），隨后是頭部和腦組織中應(yīng)力波的傳播（毫秒級），直至頭部的動力學響應(yīng)（數(shù)百毫秒）。這一系列事件導致腦組織在不同層次上受損，包括宏觀的應(yīng)力應(yīng)變分布、細觀的神經(jīng)纖維原發(fā)性損傷，以及微觀的神經(jīng)元繼發(fā)性損傷和后續(xù)的修復(fù)過程。這些過程跨越了從物理沖擊到細胞和分子級別的變化，全面影響著mTBI 的恢復(fù)過程和效率，同時涵蓋了腦內(nèi)部復(fù)雜的生理結(jié)構(gòu)以及力、電、化多物理場的相互作用。

因此，盡管現(xiàn)有的頭部有限元模型在模擬宏觀生物力學響應(yīng)方面取得了顯著進展，但在全面描繪mTBI 的復(fù)雜性時仍存在明顯不足。當前的高保真頭部模型雖能精確模擬宏觀的生物力學行為，但在捕捉神經(jīng)元、神經(jīng)膠質(zhì)等微觀結(jié)構(gòu)的敏感損傷方面仍顯不足。僅考慮生物力學響應(yīng)的模型無法全面揭示mTBI 發(fā)生后腦內(nèi)從細胞到分子層面的變化機制。神經(jīng)病理學的最新進展揭示了mTBI 后神經(jīng)元損傷、炎癥反應(yīng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)變化等細胞和分子層面的改變，這些都是現(xiàn)有生物力學模型所未涵蓋的，這一方面研究的不足限制了對mTBI 微觀損傷機制的理解[95]。此外，現(xiàn)有模型在表征病理現(xiàn)象時缺乏合理的指標和閾值，且在模擬大腦的繼發(fā)性功能損傷和長期響應(yīng)方面表現(xiàn)不佳。

Montanino 等[96] 提出了一種創(chuàng)新的多尺度框架來分析腦損傷，如圖8 所示。研究將護齒器記錄的頭部運動載荷輸入到受試者的有限元頭部模型中（圖8（a）），然后提取出關(guān)鍵的白質(zhì)組織應(yīng)變數(shù)據(jù)（圖8（b）），將這些應(yīng)變數(shù)據(jù)進一步導入到包含軸突細節(jié)的胼胝體微觀力學模型中（圖8（c）），以便在亞細胞水平上精確計算軸膜應(yīng)變。通過將計算出的軸突膜應(yīng)變與通過分子動力學（molecular dynamics， MD）模擬獲得的穿孔閾值進行對比，能夠確定軸突損傷與腦損傷的具體對應(yīng)區(qū)域。該研究提供了一種非侵入性預(yù)測軸突損傷和腦損傷的新方法，有助于更好地理解腦損傷的形成機制。

綜上所述，mTBI 是一個涉及多空間尺度、多時間尺度以及多物理場耦合的跨學科問題。在宏觀尺度，mTBI 起始于沖擊載荷的瞬時作用，這通常在微秒級時間內(nèi)完成，如爆炸載荷、交通事故、或運動沖突中頭部的突然撞擊。隨后，在毫秒級的時間尺度內(nèi)，應(yīng)力波在頭顱和腦組織中傳播，這是由頭部直接受到的動態(tài)載荷所引發(fā)的。在更長的時間尺度，即數(shù)百毫秒內(nèi)，頭部會經(jīng)歷慣性載荷下的動力學響應(yīng)。這一過程中，頭部的加速和減速過程會對腦組織產(chǎn)生持續(xù)的生物力學影響，導致更廣泛的應(yīng)力分布和變形。進入細觀層次，腦組織的變形會導致神經(jīng)纖維的原發(fā)性損傷，直接影響神經(jīng)纖維的結(jié)構(gòu)和功能，可能導致神經(jīng)信號傳導的中斷或異常。而在微觀層次，神經(jīng)元和其他腦細胞可能經(jīng)歷數(shù)天甚至更長時間的繼發(fā)性損傷和修復(fù)過程，包括細胞死亡、炎癥反應(yīng)、神經(jīng)元再生和突觸重塑等，它們共同決定了mTBI 后續(xù)恢復(fù)的程度和速度。這些過程涉及腦組織內(nèi)部復(fù)雜的生理結(jié)構(gòu)以及力學、電學、化學多物理場的交互作用。因此，為了更深入地理解mTBI 的形成機制和恢復(fù)過程，有必要結(jié)合生物力學、神經(jīng)病理學和神經(jīng)影像學的知識，開發(fā)一個能夠跨越多尺度和多物理場的頭部數(shù)值模型。這樣的模型能綜合模擬從宏觀組織到微觀細胞與分子級別的變化全過程，以及這些變化對大腦功能的長期影響，為mTBI 的研究提供更加精確和全面的研究框架。

3 頭部運動與腦組織響應(yīng)關(guān)系

研究者將實驗和模擬中獲取的頭部運動載荷應(yīng)用于建立的頭部模型，發(fā)現(xiàn)腦組織在外載作用下展現(xiàn)出非均勻的應(yīng)力載荷分布，其中高壓梯度尤為突出，并因此產(chǎn)生了明顯的變形。通過對這些數(shù)據(jù)的深入分析，研究者建立了不同類型頭部運動與腦組織響應(yīng)之間的關(guān)系。這些研究結(jié)果不僅深化了對頭部運動力學致傷機制的理解，還為腦損傷的治療與預(yù)防提供了寶貴的理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支持。

3.1 頭部運動學參數(shù)與腦組織響應(yīng)的峰值關(guān)系

Liu 等 [97] 通過解析方法，基于旋轉(zhuǎn)運動致傷機理，構(gòu)建了一個由剛體顱骨球殼和黏彈性腦組織組成的簡化頭部模型。他們詳細推導并分析了旋轉(zhuǎn)運動對腦組織應(yīng)力和應(yīng)變分布的影響。然而，這一研究主要基于理論分析，尚未經(jīng)過實際的實驗驗證，因此模型的準確性和實際應(yīng)用范圍仍有待進一步確認和驗證。

相比之下，為了更深入地理解腦組織在頭部轉(zhuǎn)動下的應(yīng)力和應(yīng)變分布，Wan 等[93] 建立了一個基于理論的簡化頭部模型，突破了此前相關(guān)研究中僅限于頭部小轉(zhuǎn)動假設(shè)的局限性，并在角速度從0 到100 rad/s、角加速度從0 到30 krad/s2的載荷范圍內(nèi)進行了測試。結(jié)果表明，相比于小轉(zhuǎn)動假設(shè)的模型，這一新模型成功預(yù)測了更高的最大主應(yīng)變。

在目前的有限元模擬研究中，盡管采用了高精度頭部模型，但頭部運動學與顱內(nèi)腦組織響應(yīng)之間的定量關(guān)系尚未完全確立。為了深入探究這一關(guān)系，Sarvghad-Moghaddam 等[49] 于2017 年采用上文提到過的高精度頭部模型NDSUHM 進行了爆炸模擬，研究了70、200、500 g 的TNT 在68 cm 處的正面爆炸，如圖9 所示，將顱骨的最大線加速度和最大角加速度與顱內(nèi)的最大顱內(nèi)壓（intracranial pressure， ICP）、最大剪切應(yīng)力（maximum shear stress， MSS）和最大主應(yīng)變（maximum principal strain， MPS）進行了對比分析，并建立了它們之間的關(guān)系，研究結(jié)果顯示，在頭部運動學載荷與顱內(nèi)腦組織響應(yīng)之間的6 種對應(yīng)關(guān)系中，可以建立R2 接近于1 的線性關(guān)系，這表明這些參數(shù)之間存在較強的線性相關(guān)性。但不足之處在于，該研究中每種關(guān)系僅基于3 個算例建立，因此這些結(jié)論的普遍性和適用性仍需通過更多的實驗和模擬進行驗證和拓展。

2020 年，為了深入探究頭部運動學與大腦應(yīng)變率響應(yīng)之間的關(guān)系，Hosseini-Farid 等[98] 模擬了不同方向和速度沖擊下的頭部，以及在爆炸沖擊波作用下，佩戴頭盔和不佩戴頭盔情況下頭部的響應(yīng)。研究基于高精度頭部模型NDSUHM 在高爾夫球以10、15 和20 m/s 的速度在正面和側(cè)面沖擊，和75 gr （4.86 g），95 gr （6.16 g） 的TNT 在側(cè)面和背面距離頭部0.75、1 和2 m 遠處爆炸的情形。研究采用了更多算例建立頭部運動學和顱內(nèi)響應(yīng)的線性關(guān)系。在沖擊載荷下，大腦、腦干、硬腦膜和顱骨的應(yīng)變率約分別是頭部加速度的1.9、0.7、1.18 和0.7 倍。在爆炸載荷作用下，這些頭部結(jié)構(gòu)的應(yīng)變率則分別為頭部加速度的0.86、1.25、0.52 和0.43 倍。

另外，除了上述研究所關(guān)注的線加速度和角加速度，角速度可以產(chǎn)生離心力，進而在顱內(nèi)產(chǎn)生損傷，進而導致腦損傷。為了深入探索包括角速度在內(nèi)的頭部運動學參數(shù)與腦損傷風險之間的關(guān)聯(lián)， Carlsen 等[99]采用冠狀面、矢狀面和水平面的二維人體有限元模型，進行了大規(guī)模的參數(shù)化有限元分析（finite elementanalysis， FEA）。研究主要聚焦于角加速度、角速度和角急動度如何影響腦組織的應(yīng)變和應(yīng)變率。研究結(jié)果表明，以最大主應(yīng)變?yōu)閾p傷指標，當持續(xù)時間少于10 ms 時，主導損傷的運動學指標為角速度，持續(xù)時間超過30 ms 時為角加速度，在2 個區(qū)間之外，角速度和角加速度共同影響最大主應(yīng)變。當以最大主應(yīng)變率為損傷指標時，持續(xù)時間超過10 ms 以上時為角加速度主導，而在持續(xù)時間少于10 ms 時，角速度和角加速度共同影響最大主應(yīng)變率。角加速度和角速度對腦組織應(yīng)變和應(yīng)變率的最大值都有顯著影響，因此在評估腦損傷風險時，需同時考慮這2 種運動學指標。此外，當角加速度和角速度最大值不變時，角急動度的增加對腦組織應(yīng)變最大值的影響最小，但也會導致應(yīng)變率最大值的增大。

3.2 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的頭部速度特征與腦組織風險區(qū)預(yù)測

由于理論模型的解析方法在處理現(xiàn)實情況下復(fù)雜的腦結(jié)構(gòu)和材料特性時存在局限，同時有限元方法在考慮大腦局部運動與時變特征時，難以精確建立頭部運動載荷與顱內(nèi)全局響應(yīng)之間的定量關(guān)系，因此，基于這2 種模型得到的運動學與顱內(nèi)響應(yīng)的關(guān)聯(lián)無法直接應(yīng)用于實際問題。為了彌補這一不足，目前已有研究開始采用數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法，旨在更準確地建立頭部運動學與顱內(nèi)響應(yīng)之間的關(guān)系。

機器學習（machine learning， ML）是一種強有力的方法，可用于建立頭部運動學載荷與腦組織內(nèi)部響應(yīng)之間的關(guān)系。這種方法通過訓練ML 算法，基于高精度頭部有限元模型的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)快速預(yù)測給定頭部撞擊載荷下的受傷風險。2019 年，Wu 等[100] 開發(fā)了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（convolutional neural networks， CNN）模型，利用該模型由頭部的運動數(shù)據(jù)準確地預(yù)測了顱內(nèi)響應(yīng)，如圖10 所示。研究者將頭部角速度曲線轉(zhuǎn)化為輸入的二維圖像，實現(xiàn)了對區(qū)域大腦應(yīng)變的即時準確估計。研究過程中，他們使用了2 個增強的數(shù)據(jù)集來評估CNN 在不同訓練測試配置下的預(yù)測性能。這一方法的優(yōu)勢在于無需簡化沖擊運動學輸入、頭部損傷模型或腦組織響應(yīng)輸出，從而能夠高效地估計特定區(qū)域和方向的應(yīng)變。研究基于2 592 個訓練樣本，該模型在全腦最大主應(yīng)變預(yù)測上獲得了R2 為0.916，均方根誤差（root mean square error，RMSE）為0.014 的優(yōu)異結(jié)果。到了2022 年，Wu 等[101] 在前述工作的基礎(chǔ)上進一步創(chuàng)新，建立了一個Transformer 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（transformer neural network， TNN）和一個獨立的CNN。這2 個網(wǎng)絡(luò)分別用于估計由于沖擊引起的顱腦相對位移（空間分辨率為4 mm，時間分辨率為1 ms）和最大主應(yīng)變。通過順序訓練，研究訓練了這2 個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（樣本量為5 184），以估計60 ms 時間內(nèi)的完整的位移和應(yīng)變。研究發(fā)現(xiàn)，TNN 在位移和最大主應(yīng)變預(yù)測的精度上優(yōu)于先前使用的CNN。這一進展為頭部沖擊下的腦組織響應(yīng)預(yù)測提供了更為精確和高效的解決方案。Zhan 等[102] 提出了一種創(chuàng)新的預(yù)測模型，該模型基于五層深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（deep neural networks， DNN）構(gòu)建。為了驗證和優(yōu)化這一模型，他們結(jié)合了頭部模型仿真，并利用來自大學橄欖球和綜合武術(shù)領(lǐng)域的共計2 511 次頭部碰撞載荷數(shù)據(jù)進行了全面的訓練和測試。通過實施隨機數(shù)據(jù)分割和模型初始化策略，該深度學習模型展現(xiàn)出了卓越的性能，能夠在不到1 ms 的時間內(nèi)，精確計算出整個大腦中每個元素的最大主應(yīng)變，其預(yù)測結(jié)果的平均均方根誤差低至0.022，標準差僅為0.001。

這些研究雖然初步揭示了頭部運動學載荷和顱內(nèi)腦組織響應(yīng)的關(guān)系，但仍有明顯不足。例如，Sarvghad-Moghaddam 等[49] 和Hosseini-Farid 等[98] 的工作在解釋頭部加速度最大值與顱內(nèi)腦組織應(yīng)變最大值之間的線性關(guān)系時顯得不夠充分。實際上，研究者通過缺乏說明的情況下對于研究的問題做了數(shù)據(jù)上的簡化處理，將全局的三維空間信息壓縮至腦組織出現(xiàn)最大值的一個空間點，將一維的時間信息壓縮至出現(xiàn)最大值處出現(xiàn)峰值的那一時刻點。然而，考慮到腦組織超軟和黏超彈性的特性，在考慮大腦運動狀態(tài)時需要充分考慮腦組織運動的局部變形，而非僅關(guān)注整體結(jié)構(gòu)上的最大值。這種簡化的研究方法與真實情況存在較大差異，對深入理解頭部運動與腦組織響應(yīng)之間的關(guān)系幫助有限。Carlsen 等[99] 雖然在以上研究中做了很大改進，通過大量模擬在等高線圖中找到了主導的特征時間，但在評估運動學和損傷指標時同樣采用了最大值的方法，忽略了模擬中復(fù)雜的局部運動和腦組織響應(yīng)的時變特征。Wu等[100-101] 雖然考慮了整個頭部角加速度曲線，并通過機器學習模型建立了兩者之間的數(shù)值關(guān)系，但這種方法缺乏對運動致傷機理的深入探討和研究。此外，由于不同頭部撞擊類型在低頻和高頻范圍內(nèi)的幅值分布略有差別，基于機器學習對于一種碰撞載荷工況建立的模型無法適用于其他的碰撞載荷工況[102-104]。由于顱內(nèi)慣性力的大小是位移幅值和頻率平方的乘積，因此相比于低頻運動學載荷，高頻運動學載荷更容易產(chǎn)生較大的慣性力，會導致高頻載荷下顱內(nèi)損傷機制與低頻載荷不同。目前對于這一致傷過程缺乏機制上的認識是限制了兩者關(guān)系建立和防護策略的首要問題。

4 結(jié)論與展望

系統(tǒng)綜述了近年來顱腦沖擊傷研究中在頭部致傷載荷、評估頭部損傷的模型和頭部運動學響應(yīng)致腦組織變形三方面的研究進展。在頭部致傷載荷領(lǐng)域，研究者們通過假人模型實驗、可穿戴頭部傳感器和有限元模型模擬等方法，提出了基于頭部加速度和角加速度的致傷標準。然而，由于實驗測量的局限性和模型仿真精度的限制，當前對輕度創(chuàng)傷性腦損傷的損傷機理仍缺乏清晰的認識。目前真實人體模型數(shù)據(jù)的獲取受限于非侵入式數(shù)據(jù)采集設(shè)備的性能，導致研究進展受到一定制約。盡管在單一因素影響下的損傷機制研究取得了部分進展，但實際頭部損傷通常是多因素共同作用的結(jié)果。因此，如何綜合分析不同頻率、強度和方向的載荷對腦組織損傷的綜合影響，是當前研究面臨的主要挑戰(zhàn)。

在頭部模型研究方面，近年來的研究集中在宏觀尺度人體頭部模型的構(gòu)建與驗證上，以尸體實驗為參照，當前的頭部模型已經(jīng)可以在宏觀尺度準確表征頭部運動及腦組織響應(yīng)。然而，腦組織的損傷過程涉及從微觀到宏觀多個尺度的復(fù)雜相互作用。因此，構(gòu)建跨尺度的統(tǒng)一模型，精確模擬腦組織的力學響應(yīng)和損傷過程，是當前研究亟待解決的問題。

現(xiàn)有研究已初步建立了頭部運動學與腦組織損傷之間的關(guān)系，包括基于連續(xù)介質(zhì)力學提出的頭部角位移與腦組織應(yīng)變的解析關(guān)系，由高精度有限元模型得到的載荷輸入與腦組織應(yīng)變最大值的線性及非線性關(guān)系，及通過機器學習方法預(yù)測風險區(qū)。然而，由于載荷形式的多變性、頭部對運動載荷方向的高度敏感性以及腦組織的復(fù)雜生理結(jié)構(gòu)和力學行為所導致的局部運動復(fù)雜性，目前尚未揭示頭部運動致腦損傷的力學機制。

如前所述，建立頭部運動載荷和腦組織內(nèi)部變形關(guān)系的研究是涉及多學科交叉、多物理場耦合及短時和長時效應(yīng)共存的復(fù)雜問題。目前，該領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)與未來的展望主要包括以下3 個方面。

（1） 發(fā)展可用于人體的非侵入式大量程高時間分辨率傳感器。當前缺乏適用于人體的非侵入式傳感器，以實現(xiàn)對大幅值高頻率運動載荷的測量。由于頭部在沖擊和爆炸中的動態(tài)響應(yīng)是瞬時的，特別是對爆炸載荷而言。現(xiàn)有非侵入式測量技術(shù)在量程和時間分辨率上仍有不足，難以捕捉瞬間的運動學變化。因此，提升傳感器的時間分辨率和量程是未來研究的重要方向。

（2） 顱腦有限元模型的改進。這其中包括2 個方面：一是建立跨尺度的個性化頭部模型，二是改進腦組織材料的本構(gòu)模型。腦組織的復(fù)雜力學行為，包括其非線性和黏彈性特性，給模擬的準確性帶來了挑戰(zhàn)。當前本構(gòu)模型在捕捉這些復(fù)雜行為方面仍有局限，需要進一步優(yōu)化材料模型和計算方法。此外，不同個體在解剖結(jié)構(gòu)、組織力學特性和生理狀態(tài)上的差異要求模型更加個性化。同時，頭部運動引起的腦組織響應(yīng)涉及多個尺度的復(fù)雜相互作用。目前的大多數(shù)研究往往集中在單一尺度上，難以全面捕捉整個過程。構(gòu)建跨尺度的綜合模型，以準確模擬腦組織在不同尺度上的響應(yīng)，是亟待解決的難題。

（3） 融合神經(jīng)病理學、影像學和生物力學等多個學科全面揭示頭部運動學導致的腦組織變形和損傷機制。mTBI 作為一種復(fù)雜的跨學科問題，跨越多個空間和時間尺度，以及多物理場的相互作用。僅僅從生物力學的角度無法完整復(fù)現(xiàn)其由電信號傳導到腦組織損傷的整個致傷過程。因此，通過生物力學研究mTBI 的物理致傷過程，結(jié)合神經(jīng)病理學分析腦組織的微觀損傷和病理變化，以及影像學提供損傷的宏觀視圖，是實現(xiàn)對mTBI 致傷機制從宏觀到微觀全面理解的關(guān)鍵。

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（責任編輯 張凌云）

基金項目： 國家重點研發(fā)計劃（2020-JCJQ-ZD-254， 2022YFC3320500）