兒童顱腦損傷生物力學(xué)研究進(jìn)展

汪家文，黃江，李正東，鄒冬華，李竹，王杰，陳憶九

（1.貴州醫(yī)科大學(xué)法醫(yī)學(xué)院，貴州貴陽(yáng) 550025；2.司法部司法鑒定科學(xué)技術(shù)研究所上海市法醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室上海市司法鑒定專業(yè)技術(shù)服務(wù)平臺(tái)，上海 200063）

兒童顱腦損傷生物力學(xué)研究進(jìn)展

汪家文1，黃江1，李正東2，鄒冬華2，李竹1，王杰1，陳憶九2

（1.貴州醫(yī)科大學(xué)法醫(yī)學(xué)院，貴州貴陽(yáng) 550025；2.司法部司法鑒定科學(xué)技術(shù)研究所上海市法醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室上海市司法鑒定專業(yè)技術(shù)服務(wù)平臺(tái)，上海 200063）

本文綜述了兒童顱腦損傷生物力學(xué)研究中大腦、顱骨、顱縫及硬腦膜等顱腦材料屬性參數(shù)檢測(cè)及兒童顱腦有限元模型構(gòu)建研究進(jìn)展，分析目前已建立的兒童顱腦有限元模型的不足，提出應(yīng)加強(qiáng)兒童顱腦材料屬性參數(shù)檢測(cè)研究，建立相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)，為建立精準(zhǔn)的兒童顱腦有限元模型奠定基礎(chǔ)。

法醫(yī)病理學(xué)；法醫(yī)生物力學(xué)；綜述；顱腦損傷；有限元模型；兒童

本文就兒童顱腦損傷生物力學(xué)研究相關(guān)的顱腦材料屬性參數(shù)檢測(cè)、已經(jīng)建立的兒童顱腦有限元模型及其應(yīng)用情況進(jìn)行簡(jiǎn)要綜述。

1 兒童顱腦材料屬性檢測(cè)

1.1 大腦

目前，由于兒童大腦實(shí)驗(yàn)材料獲取不易，其屬性檢測(cè)方面的研究很少?，F(xiàn)有報(bào)道中，術(shù)中切除的大腦標(biāo)本及動(dòng)物大腦常被用作實(shí)驗(yàn)材料。Prange等[7]研究發(fā)現(xiàn)，5歲兒童大腦組織彈性模量和剪切模量均比成人大。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果在幼豬與成年豬、幼年大鼠與成年大鼠身上也得到了驗(yàn)證[14-15]。Chatelin等[16]研究也發(fā)現(xiàn)，成人大腦硬度是兒童大腦的3～4倍，并且兒童大腦硬度呈現(xiàn)明顯的增齡性變化。Thibault等[17]在小變形響應(yīng)條件下檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，幼年豬的大腦剪切模量比成年豬小，但在5%應(yīng)變條件下幼年豬的剪切模量比成年豬大。

由于兒童大腦組織材料屬性和力學(xué)參數(shù)的缺乏，兒童顱腦有限元模型常以成人數(shù)據(jù)按照比例縮放而成，成年動(dòng)物與幼年動(dòng)物的比例關(guān)系常被用作參考。Prange等[7]通過(guò)3～5d齡幼豬大腦的瞬時(shí)剪切模量與成年豬的比例為2.04，成年人的大腦組織剪切模量為296 Pa，推斷幼兒的大腦組織剪切模量為604 Pa。然而，同類研究[18-20]證實(shí)，大腦組織材料屬性與年齡并非呈簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，單純利用從動(dòng)物數(shù)據(jù)獲得的線性比來(lái)推斷兒童大腦組織的材料屬性并不科學(xué)，應(yīng)更多地開(kāi)展兒童大腦組織的材料屬性檢測(cè)以獲得精確的相關(guān)數(shù)據(jù)。

1.2 顱骨

研究[21]表明，對(duì)成人顱骨相互垂直的兩個(gè)方向進(jìn)行受力測(cè)試時(shí)模量間差異并無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。嬰（胎）兒顱骨與成人不同，McPherson等[22-23]研究不同胎齡胎兒頂骨彈性模量時(shí)發(fā)現(xiàn)，骨小梁與樣本長(zhǎng)軸平行時(shí)的結(jié)果均為垂直結(jié)果的三倍，說(shuō)明嬰幼兒顱骨存在明顯的各向異性。

顱骨力學(xué)參數(shù)還存在增齡性變化。McPherson等[22]研究發(fā)現(xiàn)，顱骨彈性模量隨著胎兒胎齡增加而增加。Margulies[24]的研究不僅驗(yàn)證了這一結(jié)論，而且發(fā)現(xiàn)不僅在胎兒，在年齡更大的嬰幼兒人群中這一結(jié)論依然適用，他們發(fā)現(xiàn)6月齡嬰兒頂骨彈性模量和極限應(yīng)力至少是早產(chǎn)兒（孕25～40周）的5倍。Kriewall[23]研究發(fā)現(xiàn)，新生兒的頂骨硬度隨著孕齡增大而明顯增大。Coats等[8]的研究也發(fā)現(xiàn)胎兒或嬰兒頂骨與枕骨的彈性模量和極限應(yīng)力呈明顯增齡性變化。

目前兒童顱骨力學(xué)性能檢測(cè)的最大年齡是6歲[22]。據(jù)報(bào)道[8]，6歲兒童頂骨平均準(zhǔn)靜態(tài)彈性模量約是1歲幼兒的18倍，提示學(xué)齡前期（6歲前）兒童顱骨材料力學(xué)參數(shù)增齡性變化持續(xù)存在。研究[25-26]表明，成人顱骨的準(zhǔn)靜態(tài)模量是6歲兒童的1.5倍，說(shuō)明6歲兒童的顱骨力學(xué)性能與成人已比較接近。

顱骨不同部位的材料力學(xué)參數(shù)存在差異。Coats等[8]研究發(fā)現(xiàn)頂骨的彈性模量和極限應(yīng)力均比枕骨高。McPherson等[22]研究了4例額骨的力學(xué)參數(shù)，結(jié)果相近，但由于樣本量過(guò)小，數(shù)據(jù)不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。Wang等[6]研究發(fā)現(xiàn)，1～2歲嬰幼兒額骨的極限應(yīng)力和彈性模量比頂骨大，極限應(yīng)變差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

出于功能需求的考慮，通常健身房的室內(nèi)設(shè)計(jì)會(huì)保證光線充足，但這對(duì)于拍攝有動(dòng)作場(chǎng)景的照片是不夠的。只有足夠短的曝光時(shí)間才能讓你拍到動(dòng)作瞬間，所以你需要極快的鏡頭和較大的光圈，還要提高ISO值。這時(shí)，全畫(huà)幅傳感器就顯示出了過(guò)人之處，它能在高感光度的情況下依然保證優(yōu)秀的畫(huà)面質(zhì)量。

測(cè)試速率對(duì)其所檢測(cè)的顱骨材料屬性參數(shù)會(huì)產(chǎn)生影響，受力方向是否有影響存在爭(zhēng)議。Prange等[27]研究發(fā)現(xiàn)，新生兒顱骨硬度在動(dòng)態(tài)壓縮時(shí)比準(zhǔn)靜態(tài)壓縮要大，而壓縮方向?qū)τ捕炔o(wú)明顯影響，這些結(jié)果與Hodgson等[28]報(bào)道的成人顱骨硬度在前后方向壓縮時(shí)比左右方向壓縮大50%不同。

學(xué)者們還對(duì)墜落導(dǎo)致的顱腦損傷極限應(yīng)力等方面進(jìn)行了研究。Prange等[27]將3個(gè)頭顱從15cm和30 cm兩個(gè)不同高度墜落撞擊鋼板平面，發(fā)現(xiàn)顱頂正中的平均撞擊力比其他部位明顯要大。Holck[29]研究發(fā)現(xiàn)，200N和600N的墜落撞擊力不會(huì)造成嬰兒頭顱骨折，而800N的撞擊力可以造成骨折。Weber[30-31]利用40具新鮮嬰兒尸體頭顱開(kāi)展了墜落實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，不同材質(zhì)的接觸物對(duì)同一高度墜落的頭顱可以導(dǎo)致不同程度的骨折。

1.3 顱縫

目前對(duì)兒童顱縫材料力學(xué)參數(shù)的研究還十分缺乏。Coats等[8]測(cè)了11個(gè)嬰幼兒頭顱樣本中的14個(gè)冠狀縫試件在1.20～2.38m/s拉伸條件下的張力，發(fā)現(xiàn)年齡或應(yīng)變率單獨(dú)對(duì)冠狀縫極限應(yīng)力、極限應(yīng)變及彈性模量并無(wú)明顯影響，該年齡段嬰兒顱縫彈性模量、極限應(yīng)力及極限應(yīng)變分別為（8.1±4.7）MPa、（4.7±1.6）MPa和（1.5±1.3）mm/min，彈性模量受到年齡和應(yīng)變率二者聯(lián)合作用的影響。

Henderson等[32]檢測(cè)了拉伸條件下2～60d齡實(shí)驗(yàn)大鼠矢狀縫的力學(xué)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)矢狀縫的厚度從2d齡到60d齡增加了4～5倍（從0.11mm至0.50mm），硬度增加了4.4倍（8.77～38.3 N/mm），寬度峰值出現(xiàn)在出生后第8天，是出生2d時(shí)的175%，而矢狀縫的準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變與年齡不存在相關(guān)性。Wang等[6]研究發(fā)現(xiàn)，1～2歲嬰幼兒額骨及頂骨的極限應(yīng)力、彈性模量均比冠狀縫及矢狀縫大，極限應(yīng)變則相反，冠狀縫與矢狀縫的極限應(yīng)力、彈性模量及極限應(yīng)變差異均不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

1.4 硬腦膜

Bylski等[33]對(duì)孕30～42周胎兒硬腦膜進(jìn)行了多組雙向拉伸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)硬腦膜在達(dá)到極限應(yīng)變前均需經(jīng)歷6次較大的變形過(guò)程，而最后一次變形總是要比前6次變形大。

成人顱腦模型研究顯示，硬腦膜可以顯著影響頭顱側(cè)面撞擊時(shí)顱內(nèi)壓的響應(yīng)頻率[34-35]，在頭顱遭受爆炸沖擊傷時(shí)，硬腦膜可以降低顱內(nèi)壓、大腦的最大剪切應(yīng)力及剪切應(yīng)變，對(duì)大腦起保護(hù)作用[36]。Galford等[37]研究發(fā)現(xiàn)成人硬腦膜的動(dòng)態(tài)復(fù)合模量是31.7MPa，從左顳部、右顳部和額部區(qū)域大腦剝離的硬腦膜材料屬性差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。越來(lái)越多的研究證明了硬腦膜對(duì)顱腦碰撞反應(yīng)的重要性，兒童硬腦膜的材料屬性研究急需加強(qiáng)。

2 兒童顱腦有限元模型構(gòu)建及應(yīng)用

隨著有限元模型技術(shù)的逐漸成熟，以及從兒童尸體實(shí)驗(yàn)中獲得的數(shù)據(jù)積累逐漸增多，兒童顱腦有限元模型也得到了發(fā)展。Prange等[7，38]建立了一個(gè)兒童顱腦模型和一個(gè)成人顱腦模型，以研究?jī)烧叽竽X的力學(xué)性質(zhì)和幾何參數(shù)差異，但兒童顱腦模型中顱骨被認(rèn)為是均質(zhì)剛體的理論已被證實(shí)并不符合實(shí)際情況。Margulies[24]構(gòu)建了1月齡嬰兒顱腦模型，以探討嬰兒與成人的顱骨性質(zhì)差異，但其模型大腦材料屬性參考了成人數(shù)據(jù)。此外，Lapeer等構(gòu)建了一個(gè)胎兒模型，Mizuno等和Roth等均建立了3歲兒童顱腦有限元模型，Li等建立了一個(gè)6月齡兒童的顱腦有限元模型[39-42]。但他們建立的顱腦模型材料屬性參數(shù)均不是完全基于兒童顱腦材料屬性檢測(cè)獲得的精確參數(shù)，而是將大腦看成是均質(zhì)體，未對(duì)白質(zhì)和灰質(zhì)加以區(qū)分賦值，存在局限性。

國(guó)內(nèi)，阮世捷等[9]與崔世海等[10]分別建立了6歲及3歲兒童顱腦有限元模型，曹立波等[11-12]建立了10歲及3歲兒童顱腦有限元模型，李志剛等[13]通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)化法建立了新生兒、1.5個(gè)月及3個(gè)月三個(gè)年齡段兒童顱腦有限元模型，他們均利用顱腦模型開(kāi)展了不同類型的頭顱碰撞實(shí)驗(yàn)，對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證[9-13]。上述七個(gè)模型雖然各具特點(diǎn)，但其模型材料屬性參數(shù)均由參考文獻(xiàn)獲得，不同程度地參考了成人顱腦材料屬性參數(shù)，且未將大腦白質(zhì)和灰質(zhì)分別進(jìn)行賦值，就模型精準(zhǔn)度來(lái)說(shuō)還存在改進(jìn)空間。

3 總結(jié)

綜上所述，人們利用動(dòng)物顱腦材料實(shí)驗(yàn)或成人數(shù)據(jù)縮放研究?jī)和B腦材料屬性特點(diǎn)，已獲得一些成果，但是動(dòng)物實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)并不能直接用于人顱腦有限元建模上，按成人材料屬性參數(shù)縮放獲得的數(shù)據(jù)已證明并不符合兒童顱腦材料屬性的真實(shí)情況。已有學(xué)者利用兒童活體術(shù)后或尸體顱腦材料進(jìn)行力學(xué)參數(shù)檢測(cè)，但相關(guān)數(shù)據(jù)還很缺乏。兒童顱腦有限元模型的建立已有報(bào)道，但已建立的模型尚存在材料屬性賦值不科學(xué)等缺陷，相關(guān)問(wèn)題已引起國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者的重視。因此，很有必要對(duì)兒童頭皮、顱骨、顱縫、硬腦膜及大腦等組織進(jìn)行力學(xué)參數(shù)檢測(cè)，以明確其力學(xué)參數(shù)、材料性能及其影響因素，相關(guān)研究有望為建立精準(zhǔn)的兒童顱腦有限元模型提供參考依據(jù)，為有效地利用模型開(kāi)展頭顱打擊、摔跌與高墜等虛擬仿真實(shí)驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。

[1]Langlois JA，Rutland-Brown W，Thomas KE.Traumatic brain injury in the United States：Emergency department visits，hospitalizations，and deaths[M]. GA：Cetres for Diseases Control and Prevention，2010.

[2]張溢華，邱俊，周繼紅，等.19 821例0～18歲兒童顱腦創(chuàng)傷臨床分析[J].第三軍醫(yī)大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，37（5）：480-484.

[3]劉波，劉詩(shī)翔.中國(guó)人腦外傷的流行病學(xué)研究現(xiàn)狀[J].神經(jīng)病學(xué)與神經(jīng)康復(fù)學(xué)雜志，2005，2（3）：179-181.

[4]李雷波，鄧振華，廖志鋼，等.2855例暴力性傷害案特征研究[J].法律與醫(yī)學(xué)雜志，2003，10（2）：102-105.

[5]Asgharpour Z，Baumgartner D，Willinger R，et al.The validation and application of a finite element human head model for frontal skull fracture analysis[J].J Mech Behav Biomed Mater，2014，33：16-23.

[6]Wang J，Zou D，Li Z，et al.Mechanical properties of cranial bones and sutures in 1-2-year-old infants[J]. Med Sci Monit，2014，20：1808-1813.

[7]Prange MT，Margulies SS.Regional，directional，and age-dependent properties of the brain undergoing large deformation[J].J Biomech Eng，2002，124（2）：244.

[8]Coats B，Margulies SS.Material properties of human infant skull and suture at high rates[J].J Neurotrauma，2006，23（8）：1222-1232.

[9]阮世捷，李盼東，李海巖，等.6歲兒童頭部有限元模型的構(gòu)建與驗(yàn)證[J].中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào)，2012，31（4）：502-506.

[10]崔世海，陳越，李海巖，等.兒童頭部有限元模型的構(gòu)建及驗(yàn)證[J].醫(yī)用生物力學(xué)，2015，30（5）：452-457.

[11]曹立波，周舟，蔣彬輝，等.10歲兒童頭部有限元模型的建立及驗(yàn)證[J].中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào)，2014，33（1）：63-70.

[12]曹立波，高海濤，冒浩杰，等.三歲兒童頭部有限元模型的建立及驗(yàn)證[J].汽車工程，2013，35（1）：56-59，65.

[13]李志剛，胡敬文，張金換，等.基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的參數(shù)化兒童頭部有限元模型的建立及碰撞事故再現(xiàn)[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，52（11）：1631-1637.

[14]DuhaimeA，Margulies SS，DurhamSR，etal. Maturation-dependent response of the piglet brain to scaled cortical impact[J].J Neurosurg，2000，93（3）：455-462.

[15]Gefen A，Gefen N，Zhu Q，et al.Age-dependent changesinmaterialpropertiesofthebrainand braincase of the rat[J].J Neurotrauma，2003，20（11）：1163-1177.

[16]Chatelin S，Vappou J，Roth S，et al.Towards child versus adult brain mechanical properties[J].J Mech Behav Biomed Mater，2012，6：166-173.

[17]Thibault KL，Margulies SS.Age-dependent material properties of the porcine cerebrum：effect on pediatric inertial head injury criteria[J].J Biomech，1998，31（12）：1119-1126.

[18]Arbogast KB，Thibault KL，Pinheiro BS，et al.A high-frequency shear device for testing soft biological tissues[J].J Biomech，1997，30（7）：757-759.

[19]Ning X，Zhu Q，Lanir Y，et al.A transversely isotropic viscoelastic constitutive equation for brainstem undergoing finite deformation[J].J Biomech Eng，2006，128（6）：925.

[20]Margulies S，Coats B.Experimental injury biomechanics of the pediatric head and brain：Archive& textbook[M].New York：Springer International Publishing AG，2012.

[21]McElhaney JH，F(xiàn)ogle JL，Melvin JW，et al.Mechanical properties of cranial bone[J].J Biomech，1970，3（5）：495-511.

[22]McPherson GK，Kriewall TJ.The elastic modulus of fetal cranial bone：A first step towards an understanding of the biomechanics of fetal head molding[J].J Biomech，1980，13（1）：9-16.

[23]Kriewall TJ.Structural，mechanical，and material properties of fetal cranial bone[J].American Journal of Obstetrics and Gynecology，1982，143（6）：707-714. [24]Margulies SS.Infant skull and suture properties：Measurements and implications for mechanisms of pediatric brain injury[J].J Biomech Eng，2000，122（4）：364.

[25]Hubbard RP.Flexure of layered cranial bone[J].J Biomech，1971，4（4）：251-263.

[26]Irwin A，Mertz HJ.Biomechanical basis for the CRABI and HybridⅢchild dummies[C]//Child Occupant Protection Symposium，2nd，Orlando，F(xiàn)lorida，USA，1997.

[27]Prange MT，Luck JF，Dibb A，et al.Mechanical properties and anthropometry of the human infant head[J].Stapp Car Crash J，2004，48：279-299.

[28]Hodgson VR，Gurdjian ES，Thomas LM.The development of a model for the study of head injury[C]// 11th Stapp Car Crash Conference，Warrendale，PA，1967.

[29]Holck P.What can a baby’s skull withstand?Testing the skull’s resistance on an anatomical preparation[J].Forensic Science International，2005，151（2-3）：187-191.

[30]Weber W.Experimental studies of skull fractures in infants[J].Z Rechtsmed，1984，92（2）：87-94.

[31]Weber W.Biomechanical fragility of the infant skull[J]. Z Rechtsmed，1985，94（2）：93-101.

[32]Henderson JH，Chang LY，Song HM，et al.Agedependent properties and quasi-static strain in the rat sagittal suture[J].J Biomech，2005，38（11）：2294-2301.

[33]Bylski DI，Kriewall TJ，Akkas N，et al.Mechanical behavior of fetal dura mater under large deformation biaxial tension[J].J Biomech，1986，19（1）：19-26.

[34]Ruan JS.Human Head Dynamic Response to Side Impact by Finite Element Modeling[J].J Biomech Eng，1991，113（3）：276.

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

[36]Gu L，Chafi MS，Ganpule S，et al.The influence of heterogeneous meninges on the brain mechanics under primary blast loading[J].Composites Part B：Engineering，2012，43（8）：3160-3166.

[37]Galford JE，McElhaney JH.A viscoelastic study of scalp，brain，and dura[J].J Biomech，1970，3（2）：211-221.

[38]Prange MT，Kiralyfalvi G，Margulies SS.Pediatric rotational inertial brain injury：The relative influence of brain size and mechanical properties[C]//Stapp Car Crash Conference Proceedings，PA，1999.

[39]Lapeer RJ，Prager RW.Fetal head moulding：finite element analysis of a fetal skull subjected to uterine pressures during the first stage of labour[J].J Biomech，2001，34（9）：1125-1133.

[40]Mizuno K，Deguchi T，F(xiàn)urukawa K，et al.Development of three-year-old child human Femodel[C]// International Research Council On The Biomechanics of Impact Conference，Graz，2004.

[41]Roth S，Vappou J，Raul J，et al.Child head injury criteria investigation through numerical simulation of real world trauma[J].Comput Methods Programs Biomed，2009，93（1）：32-45.

[42]Li Z，Luo X，Zhang J.Development/global validation of a 6-month-old pediatric head finite element model and application in investigation of drop-induced infant head injury[J].Comput Methods Programs Biomed，2013，112（3）：309-319.

Research Progress on Biomechanics of Craniocerebral Injury in Children

WANG Jia-wen1,HUANG Jiang1,LI Zheng-dong2,ZOU Dong-hua2,LI Zhu1,WANG Jie1,CHEN Yi-jiu2
（1.School of Forensic Medicine,Guizhou Medical University,Guiyang 550025,China;2.Shanghai Key Laboratory of Forensic Medicine,Shanghai Forensic Service Platform,Institute of Forensic Science,Ministry of Justice,P.R.China,Shanghai 200063,China）

In the researches of biomechanics for child craniocerebral injury,the research progress of performance parameter detection for brain,skull,cranial suture and dura mater,and the finite element model construction for child’s head were reviewed.Meanwhile,the shortcomings of the established finite element model construction of child's head were analyzed.Thus,it is necessary to strengthen the material properties parameter detection of child's head,and establish the relevant database,so as to lay the foundation for establishing an accurate finite element model of child’s head.

forensic pathology;forensic biomechanics;review;head injury;finite element model;children

DF795.1

A

10.3969/j.issn.1004-5619.2016.06.014

1004-5619（2016）06-0448-04

2016-03-27）

（本文編輯：張建華）

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（81660309、81273338）作者簡(jiǎn)介：汪家文（1981—），博士，講師，主要從事法醫(yī)病理學(xué)研究；E-mail：wjwwfs@126.com

陳憶九，男，研究員，博士研究生導(dǎo)師，主要從事法醫(yī)病理學(xué)研究，E-mail：yijiuchen@aliyun.com

通信作者：王杰，男，教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事法醫(yī)病理學(xué)研究，E-mail：wj6400@gmc.edu.cn