颅脑减速伤的发生机制研究

摘要

头颅因外力作用而使运动受阻碍，除引起头皮、颅骨局限性创伤外，更严重的是由于脑组织滞后于头颅的运动，可导致脑着力部位、脑内及脑对冲部位出现挤压、撕裂及牵张等力学效应，造成颅脑减速伤(deceleration iniury)。颅脑减速伤在TBI中较为常见，且损伤较重，常见于交通伤和坠落伤。 缺乏保护的行人作为道路使用者在道路交通事故(Road traffic Accident，RTA)中易受到伤害，颅脑损伤是导致行人伤亡的主要原因之一。行人颅脑交通伤的典型损伤过程为减速-加速-减速或只有减速。进行汽车-行人交通事故调查分析对降低汽车-行人交通事故的发生及减轻颅脑损伤、特别是减速伤的危害有重要意义。 应力、应变分布对创伤性颅脑损伤有重要影响，构建较精细、“标准”的国人头颅有限元(Finite Element，FE)模型，从颅脑减速伤的应力波传播和应力分布来探讨颅脑减速伤的发生机制，可为颅脑减速伤的防护和诊治提供生物力学依据。 最后，开展动物颅脑减速伤实验研究，研究颅脑减速伤的伤情特点，并以此探讨颅脑减速伤的发生机制，其对颅脑减速伤的救治有积极意义。 因此，本研究通过交通事故调查、有限元模拟和动物颅脑减速伤实验研究，从颅脑减速伤的发病规律、损伤特点以及生物力学等方面来研究颅脑减速伤的发生机制，其主要研究方法和结论如下： 一、就我国多个地区的汽车-行人交通事故进行详细调查、分析，发现：汽车碰撞正横穿公路的行人比例最高；伤亡行人中，成年人所占比例高，男性多于女性；老年人受到的伤害重；行人损伤多发伤多，头部和肢体损伤比例高，均为68.5％，颅脑损伤是导致行人死亡的主要因素，占71.4％；儿童头部损伤程度明显比成年人更严重。结合经验公式、多刚体动力学模拟对事故进行分析，定量研究了汽车碰撞速度对行人损伤程度的影响，结果显示：汽车碰撞速度对行人损伤程度以及头部损伤有重要影响；行人头部损伤既有加速过程，又有减速过程，但颅脑减速伤发病率高、损伤重。 二、中国可视化人体(Chinese Visible Human，CVH)数据集含有丰富的人体解剖信息，通过CVH头颅的三维图像重建、实体模型重建、FE模型网格划分、FE模型的装配等操作，构建了基于CVH的头颅FE模型。结果显示：网格单元节点数和单元数分别为31223和119911，所有单元均为实体单元；所构建头颅FE模型与国人解剖结构基本一致，更具有“代表性”和几何相似性，特别是将以往FE模型常简化的颌面骨和颅底部分进行了细化，有利于这些部分的损伤生物力学研究。首例基于CvH的国人头颅FE模型的构建是“数字化可视人”向“数字化物理人”发展的有益探索，对CVH的后续开发有重要意义。 三、用Hypermesh软件建立头颅以额、颞部碰撞静止的、大质量钝性物体的模拟模型，以模拟颅脑减速伤。在LS-DYNA软件中进行求解计算，分析颅内应力波传播和颅内应力分布。结果显示：额、颞部碰撞钝性静止物体时，应力波由颅骨碰撞点沿四周辐射状传播；在颅骨断端自由端、薄弱处以及颅底不规则处有应力集中，碰撞颅骨部位的应力最大；脑组织冲击区下方的脑组织承受最大的应力，应力波从冲击区下方的脑组织向颅内传播，在颅内逐渐衰减，颅底有应力集中区域；额部碰撞的减速伤对侧未发现应力集中区域，颞部碰撞在对侧发现了应力集中区域。颅脑减速伤的FE模拟能从应力波传播和应力分布解释临床减速伤病例，对减少颅脑减速伤的临床漏诊和误诊有重要意义。 四、研制了新型减速伤致伤装置，用家兔开展了颅脑减速伤实验研究，通过一般观察、影像学观察和病理观察来研究颅脑减速伤，结合伤情特点来探讨颅脑减速伤的发生机制。结果：研制的减速伤致伤装置可用于开展小动物减速伤致伤实验；复制了轻、中和重度兔颅脑减速伤实验模型；颅脑减速伤的伤情特点主要表现为碰撞部位和颅底颅骨骨折、邻近碰撞部位以及颅底骨折区域的脑挫伤、硬膜下出血、脑实质出血，其病理改变主要为出血性脑挫伤和脑水肿；颅脑减速伤的损伤部位与应力波传播和应力分布特点相吻合。

目录

文摘

英文文摘

论文说明:英文缩写一览表

声明

前言

第一部分 汽车-行人交通事故的调查研究

材料与方法

结 果

讨论

小 结

参考文献

第二部分 基于CVH数据集的头颅FE模型的构建

材料和方法

结 果

讨 论

小 结

参考文献

附图

第三部分 颅脑减速伤的应力波传播和应力分布的FE模拟

材料与方法

结 果

讨 论

小 结

参考文献

附图

第四部分 兔颅脑减速伤的实验研究

实验一 坠落式减速伤致伤装置的研制

材料与方法

结 果

实验二 兔颅脑减速伤的实验研究

材料与方法

结 果

讨 论

小 结

参考文献

附图

全文总结

致 谢

文献综述 颅脑撞击伤的生物力学机制研究

学习期间科研情况

英文论著一：Investigation of 184 Passenger car-pedestrian accidents

英文论著二：Computer Simulation of a Real World Highway Accident