顱腦鈍性損傷的生物力學研究進展

喻永敏，劉振江，李 奎，尹志勇2，△

(1.重慶市公安局物證鑒定中心 400021；2.重慶理工大學 400050；3.第三軍醫(yī)大學大坪

·綜 述·

顱腦鈍性損傷的生物力學研究進展

喻永敏1,2,4，劉振江1，4，李 奎3，尹志勇2，3△

(1.重慶市公安局物證鑒定中心 400021；2.重慶理工大學 400050；3.第三軍醫(yī)大學大坪

醫(yī)院野戰(zhàn)外科研究所，重慶 400042；4.重慶市刑事偵查工程技術研究中心 400021)

顱腦損傷；生物力學；研究進展

顱腦損傷是法醫(yī)學鑒定的難點，分析顱腦損傷的損傷機制主要依賴于經(jīng)驗積累，沒有具體化的標準。傳統(tǒng)的顱腦損傷的研究多數(shù)為流行病學調查及動物實驗，技術手段單一，而隨著生物力學與相關技術設備的發(fā)展，利用生物力學的相關技術研究顱腦損傷成為可能。法醫(yī)學、生物力學、有限元方法的有機結合，開拓了法醫(yī)學研究的新思路、新方法，必將促進顱腦損傷機制的研究，進而推動顱腦損傷的法醫(yī)學鑒定向前發(fā)展，為建立顱腦損傷的量化標準提供理論基礎。

1 顱腦損傷的范疇

顱腦損傷是最常見的機械性損傷，就人體損傷部位而言，顱腦損傷無論是作為損傷類型還是死亡原因，在兇殺案件和道路交通事故中均占首位[1]。當暴力直接或間接作用于頭部時引起頭皮、顱骨或大腦的損傷。暴力作用的方式不同，顱腦損傷的程度不同，致傷工具的不同，顱腦損傷的形態(tài)表現(xiàn)也不盡相同。當暴力作用于頭部時，頭部作為一個整體共同承受暴力的作用。但由于暴力的性質不同，力的大小不同，力的加速、減速、擠壓、牽拉等作用方式不同，及作用于頭部的部位不同，可通過不同的機制引起頭皮、顱骨及腦的損傷，損傷可出現(xiàn)于某一組織結構的某一部位，也可同時出現(xiàn)于多種組織結構的多個部位。此外，直接暴力作用于頭部、間接暴力沿組織傳導至頭部，亦可引起顱腦損傷。正是由于顱腦損傷的多樣性，一直以來就是實驗研究的重點，且顱腦損傷的損傷機制研究更是難點。影響顱腦損傷的因素很多,包括暴力種類、作用力大小和方向、作用次數(shù)、致傷物的形狀、受傷時的體位以及顱腦自身組織結構特點等。國內外關于顱腦損傷的成傷機制的研究主要為個案分析和經(jīng)驗總結[2-3]，結合動物實驗可以在某些方面有所成就。

1.1 顱腦損傷分類 顱腦損傷根據(jù)損傷是否破壞頭皮、顱骨和硬腦膜的完整性，可分為開放性顱腦損傷和閉合性顱腦損傷。開放性顱腦損傷是指損傷后腦組織與外界相通，通常傷及頭皮、顱骨及硬腦膜，一般見于爆炸、槍彈、打擊等；閉合性顱腦損傷是指腦組織與外界環(huán)境不相通，最主要是以硬腦膜未發(fā)生破裂為主要特征，多見于鈍性物體的損傷。腦黏滯彈性結構特性及與顱骨的特殊結構關系，由決定了腦組織與顱骨可以發(fā)生相對運動，進而造成特殊的損傷。依據(jù)外力作用于頭部后腦的運動方式，可以把腦損傷分為直線加速性損傷、直線減速性損傷和旋轉性損傷。腦直線加速運動本質為腦的運動方向與外力相同，并且具有一定的加速度；腦直線減速運動的本質則為腦的運動方向與最后作用力方向相反，從而導致腦運動的停止；而作用于腦的外力，沒有直接通過腦重心或者枕寰關節(jié)則會引起腦的旋轉運動。當作用力突破腦組織的生物力學特性極限時，則造成相應的腦損傷。我國于1960年首次制定了“急性閉合性顱腦損傷的分型”標準，按昏迷時間、陽性體征和生命體征將病情分為輕、中、重3型，經(jīng)兩次修訂后已較為完善，成為國內公認的標準。

1.2 顱腦損傷的表現(xiàn)及特點 顱腦損傷的具體部位表現(xiàn)在頭皮損傷、顱骨骨折、顱內出血及腦組織的損傷。頭皮損傷可以表現(xiàn)為出血及創(chuàng)口形成，特點為創(chuàng)口開裂大、出血量大、機體自行止血難。出血在不同部位表現(xiàn)不一，如帽狀腱膜內出血局限而帽狀腱膜下出血就比較廣泛，骨膜因在骨縫處與顱骨粘連緊密而出血一般局限于一塊顱骨范圍內。創(chuàng)口開裂大主要是由于頭皮較致密且有顱骨肌群附著，張力較大。顱骨損傷通常是以顱骨骨折的形式出現(xiàn)，并且由于其特殊的3層結構和各骨塊間的骨縫連接而損傷類型比較典型。依據(jù)顱骨骨折的損傷形態(tài)和形成機制的不同，一般將顱骨損傷分為骨質擦痕、骨縫分離、線狀骨折、塌陷骨折、孔洞骨折及粉碎性骨折。

顱內出血主要是指顱骨以內的血管破裂，導致血管破裂的因素很多。顱腦損傷引起的顱內出血主要為創(chuàng)傷導致的顱內血管破裂，按出血部位的不同而表現(xiàn)為硬腦膜外、硬腦膜下、蛛網(wǎng)膜下腔及顱內出血。硬腦膜外和硬腦膜下以及腦內出血易形成血腫。腦組織受到外力作用后，可以產(chǎn)生直線加速運動、直線減速運動及旋轉運動，導致腦與顱骨發(fā)生相對運動，造成相應損傷，其損傷特點依據(jù)損傷機制的不同而表現(xiàn)不同。直線加速運動或直線減速運動為腦的運動與顱骨運動的不同步而造成的腦與顱骨的接觸部位損傷；旋轉加速運動則因顱蓋骨與顱底骨結構差異，而易在腦底部形成損傷。正是腦的特殊損傷機制，導致腦損傷表現(xiàn)為腦震蕩、彌漫性軸索損傷、腦挫傷、腦挫裂傷及腦干的損傷。

1.3 顱腦的生物力學特點 生物力學是應用力學原理和方法對生物體中的力學問題定量研究的生物物理學分支，其研究范圍從生物整體到系統(tǒng)、器官(包括血液、體液、臟器、骨骼等)。生物力學的基礎是能量守恒、腦與顱骨發(fā)生相對移位動量定律、質量守恒三定律并加上描寫物性的本構方程。

覆蓋于顱骨外面的頭皮從外向內由皮膚、筋膜和帽狀腱膜組成，結構致密。對頭皮的生物力學研究表明頭皮是具有一定的抗壓和抗拉伸的彈性組織，因此在頭部受到撞擊時，頭皮可吸收一部分沖擊能量，分散撞擊力量以增大顱骨的承載面積，減輕撞擊時的峰值載荷量，起著對顱骨和腦的保護作用。

人體顱骨中除篩骨、蝶骨、聽小骨等以外，大多數(shù)屬于扁平骨，剖面上由顱骨外板、板障及顱骨內板組成。有學者對人顱骨在準靜態(tài)學的生物力學性能進行了研究，發(fā)現(xiàn)顱骨的平均厚度為6.9 mm，板障的平均厚度為2.7 mm，徑向壓縮模量為2.41 Gpa，切向壓縮模量為5.51 Gpa，泊松比為0.19，最大徑向壓縮力為7.37 Gpa，最大切向壓縮力為9.66 Gpa，復合層拉伸模量為5.39 Gpa，致密層拉伸模量為1.23 Gpa。閔建雄[4]對顱骨進行了半靜態(tài)下最大抗彎力、抗彎強度以及壓縮彈性模量等實驗測定。結果顯示，顱骨的抗壓縮強度高于抗彎、抗拉伸強度，而抗剪切強度最低。實驗結果也證實，不同部位的力學性能差異，就抵抗外力的性能而言，頂骨強于額骨，而額骨強于顳骨。但顳骨耐受壓縮的能力強于頂骨和額骨，這可能與顳骨的板障層有關。上述研究是從局部顱骨的角度出發(fā)的，僅僅能幫助我們對顱骨受力及變化有所了解，但還遠遠不夠，因為局部顱骨的性能與整體顱骨有較大的差異，況且從損傷學角度而言，整體顱骨的受力及損傷特點更有意義。此外，靜態(tài)與半靜態(tài)的研究結果及與實踐中動態(tài)受力有較大差異。

因此,國內外學者一直致力于從整體和動態(tài)來研究顱骨的生物力學特性，但由于實驗材料來源、實驗條件及模擬實驗相似性等方面原因，研究進展受到限制。根據(jù)目前的研究結果，人體顱骨的生物力學性能從整體而言，顱骨的球體結構，尤其是顱蓋骨的拱形結構以及內外骨板及板障的結構對于分解和緩沖外力作用有極其重要的意義。拱形結構可使作用力向四周傳遞，散布在四周顱腔壁上；板障不僅緩沖外力作用的時間和面積，而且能吸收部分能量。有人估算，人體顱蓋骨均勻受力，可以承受兩噸靜負荷。此外，顱骨作為球體結構，有一定的伸展性，骨縫的存在也為這種伸展性提供了基礎。顱骨在受到外力作用時，其伸展性有較強的緩沖能力，保護顱骨局部和整體的完整性。

腦的生物力學特性表現(xiàn)為具有黏滯彈性的液態(tài)組織[4-5]，分為大腦、小腦及腦干，表面有腦溝及腦回。腦的各組成部分的生物力學差異很大,其揚氏模量在8～240 kPa之間,泊松比為0.2～0.45,壓縮模量為2.07～6.89 GPa[6]。其中灰質的揚氏模量為73 kPa,泊松比為0.2;白質的揚氏模量為32 kPa,泊松比為0.35[7]。根據(jù)動力扭轉實驗，腦組織在10 Hz及角應變?yōu)?.35弧度下即發(fā)生破壞，在50 Hz頻率下動剪切模量僅60 kPa，可見腦組織遭受較小的載荷即可造成結構的破壞。由于人腦的多重特殊性，且針對腦組織的研究方法和角度的不同，提出腦損傷的機制包括旋轉剪切力學說、壓力梯度學說、振動學說、腦移位學說及顱骨變形學說等，總的來說，顱骨變形、顱腦相對運動、顱內壓力改變是引起腦損傷的主要因素。

1.4 顱腦鈍性損傷的生物力學機制 頭皮的損傷主要是由于暴力超過了頭皮的抗壓與抗拉伸極限，造成頭皮的出血或完整性被破壞。外力作用于頭皮的方向可以是垂直或者以一定角度。

顱骨損傷是顱骨變形導致的結果。顱骨是有一定彈性結構的球形體，當外力作用于顱骨時，顱骨會發(fā)生不同程度的變形，當外力不夠大，不足以使顱骨的應變超過自身的強度極限時，顱骨的變形是可復性的，表現(xiàn)為顱骨完整；外力足夠大時，則顱骨的完整性被破壞，即發(fā)生不同程度的骨折。其損傷的生物力學機制表現(xiàn)為顱骨的局部變形和整體變形。局部變形，指外力作用于顱骨后使受力部位遭到超過其強度極限的力而引起顱骨局部發(fā)生不可復性的變形。顱骨的局部變形所產(chǎn)生的顱骨骨折類型根據(jù)作用力和作用物體形態(tài)而不同，幾乎可以包括所有類型。顱骨的局部變形所致的顱骨骨折僅存在于作用物體接觸處，在中心區(qū)凹陷的同時外側區(qū)受輻射向推擠和環(huán)向拉伸產(chǎn)生輻射向骨折，骨折線沿最大拉伸主應變的垂直方向擴展，并常見于顱骨薄弱和應力集中區(qū)。由于內板所受的力較外板早而明顯，通常內板骨折較外板骨折更明顯，凹陷性骨折通常表現(xiàn)為內板骨折線數(shù)量多而長。

顱骨的整體變形是指顱骨受作用力后局部的變形是可復性的(不發(fā)生骨折)，但因顱骨整個球體的形態(tài)發(fā)生改變，導致顱骨的薄弱區(qū)和應力集中區(qū)域發(fā)生變形而骨折。顱骨的整體變形一般發(fā)生于外力較大且有一定的接觸面積時，并且整體變形在顱蓋和顱底均可發(fā)生，但是由于顱底結構的復雜性、彈性差，連接疏松且不規(guī)則，因而易使應力集中而比顱蓋骨更容易發(fā)生變形骨折。此外，顱骨一次整體變形所致的骨折一般表現(xiàn)為單條線性，但當暴力過于巨大時可發(fā)生全顱骨崩裂。

腦的損傷可以是直接損傷，也可以是間接損傷。直接損傷是指物體直接與腦組織接觸，主要見于開放性的顱腦損傷；而間接損傷主要是外力作用后因腦運動而引起損傷，主要見于閉合性的顱腦損傷。頭部受到外力作用而發(fā)生運動時，由于自身組織結構特性腦組織與顱骨內面發(fā)生相互運動[8]，導致腦組織的血管撕裂,形成顱內血腫。造成腦損傷的生物力學機制主要有顱骨變形、顱內壓的改變及腦的運動。顱骨變形可以直接擠壓腦組織造成腦組織的損傷。顱內壓力改變主要是由于顱腦在受到外力作用后，顱骨與腦的不同步運動使得產(chǎn)生打擊側的正壓及對側的負壓，壓力變化導致腦發(fā)生移位，造成損傷。腦的運動主要是通過腦與顱骨的直接碰撞摩擦引起損傷。

2 顱腦損傷的生物力學模型構建

國內外關于顱腦損傷的機制研究，由物理學觀察發(fā)展到免疫組化、分子生物學檢測，由肉眼直接觀察發(fā)展到顯微鏡觀察，再到如今的分子、基因水平檢測[9-10]。然而，從法醫(yī)學的角度研究顱腦損傷的生物力學機制，同上世紀中葉的研究水平相比較，依然沒有發(fā)生根本性變化。諸多問題比如：外力是如何導致顱腦損傷的？力的大小、方向是如何作用于顱腦的？顱腦各組織的生物力學特性與其損傷特征之間的關聯(lián)度如何？致傷物的質地特征與顱腦損傷的關系？這些關于顱腦損傷的生物力學機制和致傷物特征的分析仍然是法醫(yī)工作者最關心的焦點問題[11]。

就當前而言，法醫(yī)學工作者分析顱腦損傷的損傷機制及進行致傷工具推斷時，主要依賴于尸體檢驗，通過肉眼直接觀察、鏡下觀察及經(jīng)驗判斷。推斷的結果差異較大，易受個人經(jīng)驗因素影響。因此，如何將當前先進的醫(yī)療技術和生物力學有機結合，應用于顱腦損傷的損傷機制和致傷工具推斷，從而解決上述問題成為研究熱點。故而，可以通過分析計算與顱腦損傷有關的應力、應變、位移、加速度、速度等力學參數(shù)，結合詳細的尸體解剖、現(xiàn)場勘查及個人經(jīng)驗總結進行綜合分析判斷，對顱腦損傷的機制進行更為客觀、更為準確和更為深層次的研究。

2.1 動物模型 人的特殊的社會屬性決定了研究人的顱腦損傷上存在不可跨越的障礙。當然，人類對未知領域的無限追求也激勵人們尋求研究顱腦損傷的方法。先后建立了不同的顱腦損傷動物模型。顱腦損傷動物模型的優(yōu)點在于能夠控制影響顱腦損傷的外力因素，從而可以從單一方面研究影響顱腦損傷的因素。但是，動物模型畢竟是間接研究，而人的特殊的社會屬性又決定了不可能進行人體顱腦損傷直接研究。

早期的非限制性沖擊加速模型[12]通過復制加速-減速性顱腦損傷，表明顱腦損傷的損傷程度與致傷工具的質量及作用速度有關。該模型的不足之處在于無法進行生物力學的精確控制。Cernak[13]的液壓沖擊損傷模型是常用的導致腦變形的沖擊性腦損傷模型，適用于損傷病理學、生理學、藥理學等研究，局限性在于不能很好地控制生物力學特性，與顱腦損傷的實際損傷機制相差較大，并且無法進行致傷工具的推斷。Goldman 等[14]通過單擺墜落打擊麻醉大鼠的方式，建立了腦震蕩模型，一定程度實現(xiàn)了對生物力學因素的控制，因復制出人腦形態(tài)學改變而沒有傷及顱骨，被應用于創(chuàng)傷性腦損傷的病理生理學機制研究，難于應用于致傷工具的推斷。

隨著研究的深入，一些學者從細胞水平研究顱腦損傷機制，如細胞牽張損傷模型[15]，張風江等[16]在國內首次成功建立了大鼠皮層星形膠質細胞培養(yǎng)的體外牽張損傷模型，并通過檢測培養(yǎng)上清液中低密度脂蛋白的含量變化和損傷細胞PrI 攝取來鑒定星形膠質細胞損傷程度。隨著研究的深入，人們對顱腦損傷有了進一步的認識。然而，在細胞水平研究顱腦損傷的損傷機制，目前僅對認識顱腦損傷的機制及臨床治療有一定作用，無法應用于法醫(yī)學中分析顱腦損傷的損傷機制。

2.2 尸體實驗 與動物實驗模型相比，人體模型更具有最直接意義，但是人的特殊社會屬性又決定了不可能直接用于實驗，一些學者從尸體實驗方面入手，已經(jīng)是取得了很大程度上的倫理突破。尸體模型的研究取得的數(shù)據(jù)，目前來說是關于顱腦損傷的最直接的生物與力學參數(shù)。主要的有氣動生物撞擊機撞擊導致的剪切損傷[17]，并且Marmarou等[18]的研究結果證明角速度比直線加速度更易造成彌漫性軸索損傷。

氣動撞擊機可以精確控制撞擊速度、變形量、撞擊部位、撞擊工具等參數(shù)，結合高速攝像機可以計算出撞擊速度及觀察撞擊后的運動情況，在研究顱腦損傷方面具有不可替代的重要作用。國內目前以第三軍醫(yī)大學大坪醫(yī)院野戰(zhàn)外科研究所王正國院士為首的團隊走在研究前列。

2.3 醫(yī)學影像學技術在生物力學中的應用 自上世紀 90 年代開始,某些國家有條件的法醫(yī)學鑒定機構即開始嘗試運用CT進行尸體檢驗[19]，探討它在法醫(yī)病理學中的價值。研究內容主要是與解剖檢驗進行對比，用以判斷CT的診斷能力。還有部分研究人員通過測量尸體解剖結構并將結果應用于個體識別及氣候、地域等特殊環(huán)境條件導致的腐敗、尸蠟形成等特殊尸體檢驗[20]。此外，鄭劍等[21]研究CT在機械性損傷的尸體檢驗中的用用價值，發(fā)現(xiàn)CT可以清晰顯示身體各部位骨折及體腔內出血的三維形態(tài)特征，而且可以敏感地檢測到全身各部位的積氣，因而可以作為尸體檢驗前的補充。蘆俊鵬等[22]依據(jù)人腦的螺旋CT掃描圖像，利用圖形處理、三維重建和有限元網(wǎng)絡劃分技術建立了一個基于人體解剖結構的腦部的三維有限元模型。

2.4 有限元在人體損傷中的應用 自1972年，Brekelmans等[23]首次將有限元方法引入生物力學領域以來，該方法在人體建模技術領域得到了長足的發(fā)展，由二維線性發(fā)展到三維非線性，由單個部位發(fā)展到整個人體[24-25]。

近年來，伴隨著多重螺旋CT(MSCT)、磁共振成像(MRI)等影像學技術的發(fā)展，提供了有限元建模所依賴的高質量的人體掃描圖像，而計算機技術的飛速發(fā)展，又使MSCT和MRI圖像可以方便地轉化為有限元建模所需的基于醫(yī)學圖像通訊標準 (digital imaging and communcations in medicine，DICOM)存儲格式的醫(yī)學圖像。美國韋恩州立大學腦損傷模型(Wayne State University brain injury model，WSUBIM)[26]因擁有完整人體頭部解剖學特征而被國際上廣泛認可。

有限元在法醫(yī)學領域的應用，從最初的Raul等[26]研究人體頭部遭受減速撞擊及非減速撞擊后的腦組織損傷基礎研究，到研究腦組織遭受旋轉加速度運動時的應力及應變情況，研究領域進一步拓寬。近年來，該方法已經(jīng)在鈍器打擊、高墜、火器、交通事故等死亡方式中應用。Rau等[27]運用ULP頭部有限元模型重建了一名男子于不同高度連續(xù)兩次墜落造成顱腦損傷的案件，模擬出腦組織對沖傷的部位及顱骨骨折部位，與尸檢結果完全相符。Motherway等[28]依據(jù)人體可視化數(shù)據(jù)庫的影像學資料建立了可用于施加相應虛擬載荷的人體頭部有限元模型。

3 顱腦鈍性損傷的生物力學研究展望

顱腦損傷的生物力學研究依賴于其他相關技術的發(fā)展，尤其是有限元的發(fā)展。有限元方法在國際上尤其是歐洲國家正在檢案中普及應用[29]，已經(jīng)作為法醫(yī)檢驗鑒定的輔助手段，用以解決常規(guī)方法無法解決的問題。當前，有限元方法在法醫(yī)學實際應用中仍有許多關鍵問題無法突破，但是應該看到其廣泛的應用前景：隨著法醫(yī)學、生物力學及有限元方法的不斷發(fā)展，顱腦損傷的定量、半定量化或許會成為可能。

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喻永敏(1976-)，碩士，副主任法醫(yī)師，主要從事法醫(yī)病理學研究和鑒定工作。

△通訊作者，E-mail:chf888.com@163.com。

:10.3969/j.issn.1671-8348.2015.15.048

R651.1+5

A

1671-8348(2015)15-2142-04

2014-10-05

2015-01-16)