颅脑钝性冲击损伤生物力学中有限元法的应用

1、颅脑钝性冲击损伤生物力学中有限元法的应用研究进展牛文鑫 北京航空航天大学生物与医学工程学院，北京（100191） E-mail：niuwenxingmail 摘要：外伤性颅脑损伤是威胁人类生命的重要因素，其中大部分损伤是由钝性冲击引起的。 对冲击引起颅脑损伤的生物力学机制研究，将有助于安全防护、临床救治和司法鉴定。有限 元方法在这一问题的研究上体现了强大的功能，在 30 多年间取得了长足发展。本文对最近几年内的研究成果在模型精度、冲击类型和损伤机制、有限元结果与损伤对应关系、对特殊 人群的建模分析和事故重现等几个问题上进行了综述分析。关键词：头部损伤，外伤性脑损伤，冲击，生物力学，有限元法 中

2、图分类号：R3181 前言外伤性颅脑损伤对人类生命的威胁极大。伴随着高速交通工具的发展，这一问题在现 代社会中表现更为突出。美国每年有 150 万例脑外伤损伤，直接经济损失 563 亿美元1。 在欧洲，交通损伤是仅次于癌症的第二死亡原因，对于 45 岁以下人群，交通死亡的概率是 癌症死亡概率的 6 倍多2。19951998 年，在日本交通事故行人损伤中，22%的 严重损伤 和 64的致命损失都源于颅脑损伤，颅脑损伤的死亡率是其他部位损伤死亡率的 6.3 倍3。 据公安部统计，2005 年，我国共发生道路交通事故 450254 起，造成 98738 人死亡，469911 人受伤，直接财产损失 1

3、8.8 亿元4。根据在交通损伤中颅脑损伤发生率约为 7%，而颅脑伤 的死亡率为 3050，可见外伤性颅脑损伤对社会的危害。另外，外伤性颅脑损伤也常见 于运动医学、军事医学和法医学等特种医学。尤其是航空航天事业的迅速发展，对这一损伤 的预防和处理更为关键。美国空军飞行事故调查表明，头部外伤占全部事故外伤的 86%， 致命性外伤的发生率为 19。我国空军被迫跳伞的飞行人员中，颅脑损伤占 30.55。外伤性颅脑损伤多数是由直接和间接冲击引起的，但其致伤机制，尤其是生物力学致 伤机制尚未完全阐明。同时，各种基于生物力学研究的产品设计一直在进行，安全法规也在 不断修订。这个领域的研究一直使用实验和模型两

4、种方法。无风险的活体实验在揭示损伤实 质方面存在局限性。尸体实验6是最可靠的研究方法，但实验要求条件高，成本昂贵，在 伦理学上存在争议。动物实验7也有类似的问题，而且动物颅脑与人类颅脑有所区别，本 质上也属于模型方法。物理模型8,9和数学模型的发展为这一问题的研究提供了另外的渠 道，尤其是有限元方法的发展，极大的促进了这个领域的研究。近年来，由于计算机硬件和 软件的发展驱动，以及来自临床、工程界的需求拉动，该领域发展迅速。笔者着重总结分析 了 2000 年以来最新的研究成果。2有限元建模2.1 建模精度作为一种模型方法，有限元建模应该是对生理颅脑的一个无穷逼近的过程。从最初的二 维的简单球壳和

5、脑组织模拟，到现在根据 CT 或 MRI 对各细微组织的模拟，体现了技术的发展对颅脑建模模拟深度的影响。人的颅骨是一种“三明治”结构，中间是具有吸振性能的粘弹性松质骨，夹在两端致密的皮质骨中间。Anups 等（2007）10通过有限元分析认为这种 结构是人在进化过程中对冲击伤害优化的结果。在建模过程中要做到对该结构各层厚度和材 料的准确模拟，才能体现这种优化的作用。Horgan 和 Gilchrist（2003）11通过参数比较研 究，认为颅骨的厚度，皮质骨和骨小梁的比例，对准确预测颅内压分布非常必要。在这种情 况下，单一线弹性壳单元来模拟颅骨已经显得不足。关于颅脑之间边界设置的问题，Aomu

6、ra 等（2003）12通过有限元分析与实验比较， 认为在模型中颅骨脑界面采用固定连接的方式比使用可滑动的接触设置更可靠。Ji 和 Margulies（2007）13使用静态高分辨率自旋加权矢状面 MR 图像，对 15 个志愿者正常和 屈曲条件下桥脑运动的实验分析，建议在有限元模型中，颅骨和脑干的连接应该设置为允许 滑动的接触，但并未强调摩擦的设置。由于血管比脑组织弹性模量更大，随着模型精度的提高，对其忽略是否影响脑组织的受 力分析引起争议。Omori 等（2000）14通过两个模型（有和无血管）在旋转冲击作用下计 算结果之间的比较分析，在有血管的模型血管附近和蛛网膜区域发现更高的剪切应力，因

7、此 建议有限元模型中应该添加血管。Zhang 等（2002）15通过二维有限元分析，同样认为血 管在颅脑有限元模型中是必要的。随后与上述两项研究同一团队的 Parnaik 等（2004）16 却通过物理模型实验否定了这种观点，认为血管的影响微乎其微。Ho 和 Kleiven（2007）17 通过三个有限元模型的比较分析，认为由于血管系统的承载能力有限，在旋转和平动冲击载 荷下，其对脑的动力学影响可以忽略。但是如果对脑血肿感兴趣，应该把血管系统添加到有 限元模型中。Aomura 等（2003）12研究结果认为有限元模型是否包括颈部对颅脑的分析有重要影 响，而颈部的强度设置对颅内响应的影响不大，而

8、很多分析中并未考虑颈部结构。Zou 等 (2007)18认为对创伤预测最为敏感的参数是脑的转动惯量和脑质量，这提示我们在建模过 程中应该注意这些参数的微小变化可能引起的较大误差。2.2 材质参数材料类型与参数是生物力学建模始终关注的焦点，它本身是模型精度最重要的评价指 标，但鉴于其特殊地位，有必要单独阐述。由于生物材料力学本构关系复杂和实验测试工作 的滞后，直到现在，均质各向同性线弹性的假设仍被广泛应用在各种组织中。这与脑组织的 非线性粘弹性性质是不一致的，实验已经证明脑组织的弹性模量会随应变增加而降低19-22，Darvish 和 Crandall（2001）23通过振动实验发现在频率超过

9、44Hz 时提高脑组织 的应变会发生剪切硬化。Sarkar 等（2006）24认为人脑灰质和白质具有不同的材料性质， 在模拟冲击损伤的有限元模型中，必须将它们区分开。Bilston 等(2006)25提出使用磁共振 弹性成像（Magnetic Resonance Elastography, MRE）技术在体测量灰质和白质的材料性质， 认为在 90Hz 测量条件下，白质比灰质略软（灰质 E=3.3kPa，白质 E=2.9kPa），而两者粘度 近似（灰质 µ2.4Pa.S，白质 µ2.3Pa.S）。Elkin 等（2006）26也对有限元模型中使用非 活体测量的材料数据提出了质

10、疑，并认为应该充分考虑材料的非均质性。该研究小组提出使 用原子力显微镜（Atomic Force Microscope, AFM）压痕测试来进行对脑组织局部材料测试， 并对大鼠海马组织进行了在体测量，该测试方法可以达到微米级空间分辨率。Gilchrist 等（2001）27通过二维有限元模型分析，认为使用弹性材料模拟脑不能准确 反映冲击在挫伤侧和对侧之间引起的拉伸和压缩波动反射响应，应该使用粘弹性材料。Kleiven（2006）28建议为准确预测硬膜下血肿和脑组织的滑动戳伤，有必要对软脑膜设置非线性粘弹性的材料性质。Brands 等（2004）29通过采用振动实验、超声实验和应力松弛 实验提供

11、的线性粘弹性和非线性材料参数，应用有限元程序计算比较，认为来自剪切实验的 数据还存在局限性，而其他数据能够在有限元模拟中取得较好的表现。Kleiven(2003) 30 将脑组织和脊髓作为超弹性材料来处理，结合大变形理论对其进行了应用。Horgan 和 Gilchrist（2003）11肯定神经组织的短期剪切模量对额部颅内压力和等效应力有重要影响， 当脑脊液以成对的节点模拟时，其体积模量对对侧外伤压力有明显影响。Canaple 等（2003） 31推荐对脑脊液采用超弹性材料，其应用模型已取得了尸体实验的验证。Wittek 和 Omori（2003）32通过设置不同的边界条件和加载条件计算，认为

12、对颅脑边界条件的精确模拟需 要将织网膜下空间/脑脊液设置称流体介质。流固耦合的观点也体现在其他一些研究中9。总之，对颅脑的有限元建模精度的提高，需要生物材料基础研究的突破、测试技术的进步和医学成像、计算力学等多学科的协同发展。而且要在应用中对多种因素进行协调处理， 在以分析结果为导向的建模过程中合理简化模型，做到精确和效率的平衡。3几个典型问题和热点3.1 冲击类型与损伤机制由于颅脑复杂的结构并非轴对称，所以冲击方向不同，颅内响应也迥异30,33。较多的 研究集中在额部、枕部直接冲击。何黎民等（2005）34通过有限元分析模拟额部和枕部直 接冲击，认为冲击位置局部脑组织可因变形、骨折、颅内压增

13、高造成损伤，但非冲击位置的 脑组织挫伤则主要是由于颅脑相对运动。Kleiven(2006)33使用有限元模型研究了额部、枕 部和侧向 3 种冲击类型，并与实验比较，在维持较短时间的冲击中，模拟计算与实验结果吻 合较好，但在维持较长时间的冲击中，颅内压在模拟计算和实验中相关性不大，这可能是由 于在实验中空气进入颅内空腔造成的。与额部、枕部冲击相比，侧向冲击在颅脑之间产生较 小的相对运动。Zong 等（2007）35通过同样三种冲击计算，证明颅骨存在功率流路径，是 一个良好的能量流通道，同时，该研究也揭示了由于颅内波动，脊索具有较高的损伤可能性。 Zhang 等（2001）36比较分析了有限元模型

14、在受到额部冲击和侧向冲击后的颅内压和局部 剪切应力分布，结果表明与额部冲击相比，侧向冲击导致冲击位置较大的局部颅骨变形和更 高的颅内正压，另外，侧向冲击还在大脑的核心区域诱发更高的局部剪切应力。研究认为颅 骨变形和内部构造可能是颅内压和剪切力对方向敏感的主要原因。凡是没有通过头部重心或枕寰关节的冲击外力，都可以导致头部发生旋转运动，由此而 引发的各层组织剪切，颅脑相对运动都会导致严重损伤。Ho 和 Kleiven（2006）17定义了 持续 5ms 角加速度峰值为10, 000rad / s2 的加载方式来模拟单纯旋转冲击。在交通损伤的研 究、车辆防护工具的设计中，旋转冲击的考虑是非常重要的3

15、7。旋转冲击可以造成诸如弥 漫性轴索损伤等外伤性脑损伤38，但目前这方面的研究尚不足。间接冲击是由突发性运动 引起的，相对直接冲击，间接冲击引起损伤的力学机制更为复杂。Huang 等（2000）39通 过有限元模型模拟头部绕上颈椎的前后旋转，结果验证了空化假说，在间接冲击中过程中脑 组织存在压力梯度。旁矢状面的对侧外伤压力时间关系曲线显示间接冲击比直接冲击产生 更小的颅内压。另外，间接冲击引起的负压不足以形成对脑组织造成损伤的空化气泡。但是， 剪切应力集中的区域与临床观察一致，这说明在遭受间接冲击的条件下剪切应变理论可有效。另外，Sarron 等（2000）通过有限元方法与尸体和物理实验结合的

16、方法研究了在佩戴头盔的条件下遭受子弹袭击而引起的二次冲击伤，这种损伤与子弹引起的穿透伤有截然不同的 致伤机理40。3.2有限元分析结果与损伤评价的对应关系头部损伤标准 HIC(Head Injury Criterion)是评价颅脑损伤最常用的指标，它的主要特征 为加速度对时间的积分。它的主要优点是在实验中使用加速度传感器方便测量，并具有较好 的可重复性41。但是，有限元分析输出的是海量全场数据结果，这样 HIC 存在的前提条件 就受到挑战。而且最关键的是在很多情况下 HIC 的应用并不理想42。在平行冲击中，HIC 和 HIP 在应变水平上具有很好的相关性33。Kleiven(2003)30的

17、研究认为桥静脉的最大相 对颅脑运动发生在旋转冲击条件下，而 HIC 对这种冲击所造成的损伤不能有效预测。而 HIP 需要不同形式的个体缩放系数来补偿载荷方向的部一致。因此有必要建立头部损伤的综合评 价标准。几个不同的局部损伤度量被在有限元分析中提出，但是对它们的综合效应尚未定论 43。第一主应变常被用作弥散性轴索损伤和血脑屏障力学损伤的评价指标，其他一些局部 脑损伤的评价指标包括 von Mises 等效应力、应变与应变率的积、应变能、维持特定应变水 平的脑组织的聚集体积和累积应变损伤等。Zhang 等（2001）36通过有限元分析和比较灵 长类动物实验，认为如果剪切变形作为弥漫性脑损伤的一个

18、评价指标的话，在侧向冲击时， 头部趋向于对剪切变形的耐受度降低。Huang 等（2000）39也证明了剪切应变的重要性。 而 Yao 等（2007）44通过事故重现，认为交通事故脑损伤的对冲压力、von Mises 等效应 力和剪切应力都非常重要。Kleiven 和 von Holst45通过比较不同大小的头对冲击的响应，发现 HIC 所预测的结果 与颅内应力结果相矛盾。所以建议在制定新的损伤标准时考虑头的大小产生的影响。该项研 究结果 4 年后引发一场与 Ruan 和 Prasad 之间讨论46,47。由于讨论双方是该领域两个不同 发展时期的杰出代表，讨论深度和广度都非常值得学习。虽然讨论的

19、最后并未给出令每个人 都满意的结果，但至少反映了该领域存在的诸多问题。3.3 特殊人群的建模分析上述争论的一个诱因就是对人类颅脑个体差异性的处理。由于人类活动的领域不断扩 展，涉及的人群也处于各不同的年龄和发育阶段，存在较大个体差异，对具体问题的具体建 模分析，有利于对颅脑损伤多样性和特异性的研究。外伤性脑损伤是儿童和青少年致残的最 常见诱因。Ponce（2007）48应用二维有限元对此进行了研究，模拟了 3 种常见冲击：左 脑侧向集中冲击、分布式冲击和额部碰撞。法医领域，Cory 等（2001）49全面总结了上世 纪关于儿童头部冲击损伤是否属于虐待科学鉴定的模型研究，有限元法在这个问题的研究

20、中 是一个新的选择，但也同其他方法一样存在局限性。Roth 等（2007）50使用有限元方法模 拟 6 个月婴儿遭受虐待头部剧烈摇晃，间接冲击引起颅脑位移，导致硬膜下血肿，并与两项 案例符合。由于儿童和青少年处于特定的发育期，头颅的结构和材料性质与成年人有所不同， 这在建模过程中都需要单独对待51。对特殊职业人员的颅脑损伤有限元分析也非常有意义，尤其在军警40、体育工作、 野外作业等损伤高发职业，因为不同的损伤类型有着不同的损伤机制，也意味着需要采取不同的防护措施和实行不同的救治方案。另外，在许多研究都提到了个性化建模的概念52,53，这似乎也是学科发展的一个重要方向。实质上任何基于医学影像的

21、有限元建模都是个性化的，单独强调概念更多的是针对所要解决的问题。3.4 事故再现中的头部损伤有限元研究进展事故再现（Accident Reconstruction）的研究在工程领域已相当普遍，但是深入到颅脑损 伤机制的有限元研究仍然富于挑战性。该研究也是个性化建模分析一种体现形式，在方法学 上是实验结合模型共同研究的典型。研究者希望这方面的成果能指导临床损伤诊断和安全防 护产品的设计43,54。Willinger 和 Baumgartner（2003）55使用有限元分析和假人实验对 一系列损伤事故进行了数字重现，包括 13 例摩托车事故中的佩戴头盔的损伤，20 例足球引 起的头部损伤和 28

22、例交通行人头部损伤。期望建立基于特定损伤机制的新的损伤风险曲线 和损伤评价标准。Yao 等（2007）44在分析交通行人头部损伤和汽车挡风玻璃的关系时， 对德国 DIDAS（德国深度事故研究）数据库中 120 个案例进行分析，并对其中 10 个案例进 行了重现研究。Ott 等（2006）56使用商业软件和模型对美国 PCDS（行人车祸数据研究） 数据库中的 10 个案例进行了重现研究。事故重现研究是确定有限元法应用有效性的重要途 径，必须有充足的典型案例，结合科学的统计分析和比较研究，将是损伤生物力学与现实应 用最好的结合点之一。4 结论有限元作为一种先进的数值计算方法已经取得了长足的发展，但

23、仍存在较大的局限性。 一方面有限元方法要尽量简化非主要因素，另一方面要考虑多种复杂因素，在技术实现允许 条件下力求精确，做到效率和精度的协调。在颅脑冲击问题上，与在体测量、尸体实验、物 理模型实验、流行病学调查等方法联合使用7,40,53，发挥各自的长处，并通过合理的研究 设计，有限元方法将成为强大的工具。另外，有限元个性化分析可以更精确地解决具体问题， 同时，也要分析普遍问题，建立基于合理分类的普适模型，二者是有机统一的。参考文献1 D.J. Thurman. The epidemiology and economics of head trauma A. In: L. Miller, an

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