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(xué) 400050；3.第三軍醫(yī)大學(xué)大坪

·綜 述·

顱腦鈍性損傷的生物力學(xué)研究進(jìn)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(xué) 400050；3.第三軍醫(yī)大學(xué)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(shù)研究中心 400021)

顱腦損傷；生物力學(xué)；研究進(jìn)展

顱腦損傷是法醫(yī)學(xué)鑒定的難點(diǎn)，分析顱腦損傷的損傷機(jī)制主要依賴于經(jīng)驗(yàn)積累，沒有具體化的標(biāo)準(zhǔn)。傳統(tǒng)的顱腦損傷的研究多數(shù)為流行病學(xué)調(diào)查及動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，技術(shù)手段單一，而隨著生物力學(xué)與相關(guān)技術(shù)設(shè)備的發(fā)展，利用生物力學(xué)的相關(guān)技術(shù)研究顱腦損傷成為可能。法醫(yī)學(xué)、生物力學(xué)、有限元方法的有機(jī)結(jié)合，開拓了法醫(yī)學(xué)研究的新思路、新方法，必將促進(jìn)顱腦損傷機(jī)制的研究，進(jìn)而推動(dòng)顱腦損傷的法醫(yī)學(xué)鑒定向前發(fā)展，為建立顱腦損傷的量化標(biāo)準(zhǔn)提供理論基礎(chǔ)。

1 顱腦損傷的范疇

顱腦損傷是最常見的機(jī)械性損傷，就人體損傷部位而言，顱腦損傷無(wú)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(dāng)暴力直接或間接作用于頭部時(shí)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(dāng)暴力作用于頭部時(shí)，頭部作為一個(gè)整體共同承受暴力的作用。但由于暴力的性質(zhì)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(guò)不同的機(jī)制引起頭皮、顱骨及腦的損傷，損傷可出現(xiàn)于某一組織結(jié)構(gòu)的某一部位，也可同時(shí)出現(xiàn)于多種組織結(jié)構(gòu)的多個(gè)部位。此外，直接暴力作用于頭部、間接暴力沿組織傳導(dǎo)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(lái)就是實(shí)驗(yàn)研究的重點(diǎn)，且顱腦損傷的損傷機(jī)制研究更是難點(diǎn)。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(shí)的體位以及顱腦自身組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等。國(guó)內(nèi)外關(guān)于顱腦損傷的成傷機(jī)制的研究主要為個(gè)案分析和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)[2-3]，結(jié)合動(dòng)物實(shí)驗(yàn)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(jié)構(gòu)特性及與顱骨的特殊結(jié)構(gòu)關(guān)系，由決定了腦組織與顱骨可以發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而造成特殊的損傷。依據(jù)外力作用于頭部后腦的運(yùn)動(dòng)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(zhuǎn)性損傷。腦直線加速運(yùn)動(dòng)本質(zhì)為腦的運(yùn)動(dòng)方向與外力相同，并且具有一定的加速度；腦直線減速運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)則為腦的運(yùn)動(dòng)方向與最后作用力方向相反，從而導(dǎo)致腦運(yùn)動(dòng)的停止；而作用于腦的外力，沒有直接通過(guò)腦重心或者枕寰關(guān)節(jié)則會(huì)引起腦的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)作用力突破腦組織的生物力學(xué)特性極限時(shí)，則造成相應(yīng)的腦損傷。我國(guó)于1960年首次制定了“急性閉合性顱腦損傷的分型”標(biāo)準(zhǔn)，按昏迷時(shí)間、陽(yáng)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(guó)內(nèi)公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 顱腦損傷的表現(xiàn)及特點(diǎn) 顱腦損傷的具體部位表現(xiàn)在頭皮損傷、顱骨骨折、顱內(nèi)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(diǎn)為創(chuàng)口開裂大、出血量大、機(jī)體自行止血難。出血在不同部位表現(xiàn)不一，如帽狀腱膜內(nèi)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(nèi)。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(jié)構(gòu)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(jī)制的不同，一般將顱骨損傷分為骨質(zhì)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(nèi)出血主要是指顱骨以內(nèi)的血管破裂，導(dǎo)致血管破裂的因素很多。顱腦損傷引起的顱內(nèi)出血主要為創(chuàng)傷導(dǎo)致的顱內(nèi)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(nèi)出血。硬腦膜外和硬腦膜下以及腦內(nèi)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(yùn)動(dòng)、直線減速運(yùn)動(dòng)及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致腦與顱骨發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，造成相應(yīng)損傷，其損傷特點(diǎn)依據(jù)損傷機(jī)制的不同而表現(xiàn)不同。直線加速運(yùn)動(dòng)或直線減速運(yùn)動(dòng)為腦的運(yùn)動(dòng)與顱骨運(yùn)動(dòng)的不同步而造成的腦與顱骨的接觸部位損傷；旋轉(zhuǎn)加速運(yùn)動(dòng)則因顱蓋骨與顱底骨結(jié)構(gòu)差異，而易在腦底部形成損傷。正是腦的特殊損傷機(jī)制，導(dǎo)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(xué)特點(diǎn) 生物力學(xué)是應(yīng)用力學(xué)原理和方法對(duì)生物體中的力學(xué)問題定量研究的生物物理學(xué)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(xué)的基礎(chǔ)是能量守恒、腦與顱骨發(fā)生相對(duì)移位動(dòng)量定律、質(zhì)量守恒三定律并加上描寫物性的本構(gòu)方程。

覆蓋于顱骨外面的頭皮從外向內(nèi)由皮膚、筋膜和帽狀腱膜組成，結(jié)構(gòu)致密。對(duì)頭皮的生物力學(xué)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(shí)，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(shí)的峰值載荷量，起著對(duì)顱骨和腦的保護(hù)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(nèi)板組成。有學(xué)者對(duì)人顱骨在準(zhǔn)靜態(tài)學(xué)的生物力學(xué)性能進(jìn)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(fù)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(duì)顱骨進(jìn)行了半靜態(tài)下最大抗彎力、抗彎強(qiáng)度以及壓縮彈性模量等實(shí)驗(yàn)測(cè)定。結(jié)果顯示，顱骨的抗壓縮強(qiáng)度高于抗彎、抗拉伸強(qiáng)度，而抗剪切強(qiáng)度最低。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)，不同部位的力學(xué)性能差異，就抵抗外力的性能而言，頂骨強(qiáng)于額骨，而額骨強(qiáng)于顳骨。但顳骨耐受壓縮的能力強(qiáng)于頂骨和額骨，這可能與顳骨的板障層有關(guān)。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(duì)顱骨受力及變化有所了解，但還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，因?yàn)榫植匡B骨的性能與整體顱骨有較大的差異，況且從損傷學(xué)角度而言，整體顱骨的受力及損傷特點(diǎn)更有意義。此外，靜態(tài)與半靜態(tài)的研究結(jié)果及與實(shí)踐中動(dòng)態(tài)受力有較大差異。

因此,國(guó)內(nèi)外學(xué)者一直致力于從整體和動(dòng)態(tài)來(lái)研究顱骨的生物力學(xué)特性，但由于實(shí)驗(yàn)材料來(lái)源、實(shí)驗(yàn)條件及模擬實(shí)驗(yàn)相似性等方面原因，研究進(jìn)展受到限制。根據(jù)目前的研究結(jié)果，人體顱骨的生物力學(xué)性能從整體而言，顱骨的球體結(jié)構(gòu)，尤其是顱蓋骨的拱形結(jié)構(gòu)以及內(nèi)外骨板及板障的結(jié)構(gòu)對(duì)于分解和緩沖外力作用有極其重要的意義。拱形結(jié)構(gòu)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(shí)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(fù)荷。此外，顱骨作為球體結(jié)構(gòu)，有一定的伸展性，骨縫的存在也為這種伸展性提供了基礎(chǔ)。顱骨在受到外力作用時(shí)，其伸展性有較強(qiáng)的緩沖能力，保護(hù)顱骨局部和整體的完整性。

腦的生物力學(xué)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(xué)差異很大,其揚(yáng)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(zhì)的揚(yáng)氏模量為73 kPa,泊松比為0.2;白質(zhì)的揚(yáng)氏模量為32 kPa,泊松比為0.35[7]。根據(jù)動(dòng)力扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)，腦組織在10 Hz及角應(yīng)變?yōu)?.35弧度下即發(fā)生破壞，在50 Hz頻率下動(dòng)剪切模量?jī)H60 kPa，可見腦組織遭受較小的載荷即可造成結(jié)構(gòu)的破壞。由于人腦的多重特殊性，且針對(duì)腦組織的研究方法和角度的不同，提出腦損傷的機(jī)制包括旋轉(zhuǎn)剪切力學(xué)說(shuō)、壓力梯度學(xué)說(shuō)、振動(dòng)學(xué)說(shuō)、腦移位學(xué)說(shuō)及顱骨變形學(xué)說(shuō)等，總的來(lái)說(shuō)，顱骨變形、顱腦相對(duì)運(yùn)動(dòng)、顱內(nèi)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(xué)機(jī)制 頭皮的損傷主要是由于暴力超過(guò)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(dǎo)致的結(jié)果。顱骨是有一定彈性結(jié)構(gòu)的球形體，當(dāng)外力作用于顱骨時(shí)，顱骨會(huì)發(fā)生不同程度的變形，當(dāng)外力不夠大，不足以使顱骨的應(yīng)變超過(guò)自身的強(qiáng)度極限時(shí)，顱骨的變形是可復(fù)性的，表現(xiàn)為顱骨完整；外力足夠大時(shí)，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(xué)機(jī)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(guò)其強(qiáng)度極限的力而引起顱骨局部發(fā)生不可復(fù)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(shí)外側(cè)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(yīng)變的垂直方向擴(kuò)展，并常見于顱骨薄弱和應(yīng)力集中區(qū)。由于內(nèi)板所受的力較外板早而明顯，通常內(nèi)板骨折較外板骨折更明顯，凹陷性骨折通常表現(xiàn)為內(nèi)板骨折線數(shù)量多而長(zhǎng)。

顱骨的整體變形是指顱骨受作用力后局部的變形是可復(fù)性的(不發(fā)生骨折)，但因顱骨整個(gè)球體的形態(tài)發(fā)生改變，導(dǎo)致顱骨的薄弱區(qū)和應(yīng)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(shí)，并且整體變形在顱蓋和顱底均可發(fā)生，但是由于顱底結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、彈性差，連接疏松且不規(guī)則，因而易使應(yīng)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(dāng)暴力過(guò)于巨大時(shí)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)時(shí)，由于自身組織結(jié)構(gòu)特性腦組織與顱骨內(nèi)面發(fā)生相互運(yùn)動(dòng)[8]，導(dǎo)致腦組織的血管撕裂,形成顱內(nèi)血腫。造成腦損傷的生物力學(xué)機(jī)制主要有顱骨變形、顱內(nèi)壓的改變及腦的運(yùn)動(dòng)。顱骨變形可以直接擠壓腦組織造成腦組織的損傷。顱內(nèi)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(yùn)動(dòng)使得產(chǎn)生打擊側(cè)的正壓及對(duì)側(cè)的負(fù)壓，壓力變化導(dǎo)致腦發(fā)生移位，造成損傷。腦的運(yùn)動(dòng)主要是通過(guò)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(xué)模型構(gòu)建

國(guó)內(nèi)外關(guān)于顱腦損傷的機(jī)制研究，由物理學(xué)觀察發(fā)展到免疫組化、分子生物學(xué)檢測(cè)，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(cè)[9-10]。然而，從法醫(yī)學(xué)的角度研究顱腦損傷的生物力學(xué)機(jī)制，同上世紀(jì)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(dǎo)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(xué)特性與其損傷特征之間的關(guān)聯(lián)度如何？致傷物的質(zhì)地特征與顱腦損傷的關(guān)系？這些關(guān)于顱腦損傷的生物力學(xué)機(jī)制和致傷物特征的分析仍然是法醫(yī)工作者最關(guān)心的焦點(diǎn)問題[11]。

就當(dāng)前而言，法醫(yī)學(xué)工作者分析顱腦損傷的損傷機(jī)制及進(jìn)行致傷工具推斷時(shí)，主要依賴于尸體檢驗(yàn)，通過(guò)肉眼直接觀察、鏡下觀察及經(jīng)驗(yàn)判斷。推斷的結(jié)果差異較大，易受個(gè)人經(jīng)驗(yàn)因素影響。因此，如何將當(dāng)前先進(jìn)的醫(yī)療技術(shù)和生物力學(xué)有機(jī)結(jié)合，應(yīng)用于顱腦損傷的損傷機(jī)制和致傷工具推斷，從而解決上述問題成為研究熱點(diǎn)。故而，可以通過(guò)分析計(jì)算與顱腦損傷有關(guān)的應(yīng)力、應(yīng)變、位移、加速度、速度等力學(xué)參數(shù)，結(jié)合詳細(xì)的尸體解剖、現(xiàn)場(chǎng)勘查及個(gè)人經(jīng)驗(yàn)總結(jié)進(jìn)行綜合分析判斷，對(duì)顱腦損傷的機(jī)制進(jìn)行更為客觀、更為準(zhǔn)確和更為深層次的研究。

2.1 動(dòng)物模型 人的特殊的社會(huì)屬性決定了研究人的顱腦損傷上存在不可跨越的障礙。當(dāng)然，人類對(duì)未知領(lǐng)域的無(wú)限追求也激勵(lì)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(dòng)物模型。顱腦損傷動(dòng)物模型的優(yōu)點(diǎn)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(dòng)物模型畢竟是間接研究，而人的特殊的社會(huì)屬性又決定了不可能進(jìn)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(guò)復(fù)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(zhì)量及作用速度有關(guān)。該模型的不足之處在于無(wú)法進(jìn)行生物力學(xué)的精確控制。Cernak[13]的液壓沖擊損傷模型是常用的導(dǎo)致腦變形的沖擊性腦損傷模型，適用于損傷病理學(xué)、生理學(xué)、藥理學(xué)等研究，局限性在于不能很好地控制生物力學(xué)特性，與顱腦損傷的實(shí)際損傷機(jī)制相差較大，并且無(wú)法進(jìn)行致傷工具的推斷。Goldman 等[14]通過(guò)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(shí)現(xiàn)了對(duì)生物力學(xué)因素的控制，因復(fù)制出人腦形態(tài)學(xué)改變而沒有傷及顱骨，被應(yīng)用于創(chuàng)傷性腦損傷的病理生理學(xué)機(jī)制研究，難于應(yīng)用于致傷工具的推斷。

隨著研究的深入，一些學(xué)者從細(xì)胞水平研究顱腦損傷機(jī)制，如細(xì)胞牽張損傷模型[15]，張風(fēng)江等[16]在國(guó)內(nèi)首次成功建立了大鼠皮層星形膠質(zhì)細(xì)胞培養(yǎng)的體外牽張損傷模型，并通過(guò)檢測(cè)培養(yǎng)上清液中低密度脂蛋白的含量變化和損傷細(xì)胞PrI 攝取來(lái)鑒定星形膠質(zhì)細(xì)胞損傷程度。隨著研究的深入，人們對(duì)顱腦損傷有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。然而，在細(xì)胞水平研究顱腦損傷的損傷機(jī)制，目前僅對(duì)認(rèn)識(shí)顱腦損傷的機(jī)制及臨床治療有一定作用，無(wú)法應(yīng)用于法醫(yī)學(xué)中分析顱腦損傷的損傷機(jī)制。

2.2 尸體實(shí)驗(yàn) 與動(dòng)物實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖啾?，人體模型更具有最直接意義，但是人的特殊社會(huì)屬性又決定了不可能直接用于實(shí)驗(yàn)，一些學(xué)者從尸體實(shí)驗(yàn)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(lái)說(shuō)是關(guān)于顱腦損傷的最直接的生物與力學(xué)參數(shù)。主要的有氣動(dòng)生物撞擊機(jī)撞擊導(dǎo)致的剪切損傷[17]，并且Marmarou等[18]的研究結(jié)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(dòng)撞擊機(jī)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(jié)合高速攝像機(jī)可以計(jì)算出撞擊速度及觀察撞擊后的運(yùn)動(dòng)情況，在研究顱腦損傷方面具有不可替代的重要作用。國(guó)內(nèi)目前以第三軍醫(yī)大學(xué)大坪醫(yī)院野戰(zhàn)外科研究所王正國(guó)院士為首的團(tuán)隊(duì)走在研究前列。

2.3 醫(yī)學(xué)影像學(xué)技術(shù)在生物力學(xué)中的應(yīng)用 自上世紀(jì) 90 年代開始,某些國(guó)家有條件的法醫(yī)學(xué)鑒定機(jī)構(gòu)即開始嘗試運(yùn)用CT進(jìn)行尸體檢驗(yàn)[19]，探討它在法醫(yī)病理學(xué)中的價(jià)值。研究?jī)?nèi)容主要是與解剖檢驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，用以判斷CT的診斷能力。還有部分研究人員通過(guò)測(cè)量尸體解剖結(jié)構(gòu)并將結(jié)果應(yīng)用于個(gè)體識(shí)別及氣候、地域等特殊環(huán)境條件導(dǎo)致的腐敗、尸蠟形成等特殊尸體檢驗(yàn)[20]。此外，鄭劍等[21]研究CT在機(jī)械性損傷的尸體檢驗(yàn)中的用用價(jià)值，發(fā)現(xiàn)CT可以清晰顯示身體各部位骨折及體腔內(nèi)出血的三維形態(tài)特征，而且可以敏感地檢測(cè)到全身各部位的積氣，因而可以作為尸體檢驗(yàn)前的補(bǔ)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(luò)劃分技術(shù)建立了一個(gè)基于人體解剖結(jié)構(gòu)的腦部的三維有限元模型。

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

近年來(lái)，伴隨著多重螺旋CT(MSCT)、磁共振成像(MRI)等影像學(xué)技術(shù)的發(fā)展，提供了有限元建模所依賴的高質(zhì)量的人體掃描圖像，而計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，又使MSCT和MRI圖像可以方便地轉(zhuǎn)化為有限元建模所需的基于醫(yī)學(xué)圖像通訊標(biāo)準(zhǔn) (digital imaging and communcations in medicine，DICOM)存儲(chǔ)格式的醫(yī)學(xué)圖像。美國(guó)韋恩州立大學(xué)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(xué)特征而被國(guó)際上廣泛認(rèn)可。

有限元在法醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)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(chǔ)研究，到研究腦組織遭受旋轉(zhuǎn)加速度運(yùn)動(dòng)時(shí)的應(yīng)力及應(yīng)變情況，研究領(lǐng)域進(jìn)一步拓寬。近年來(lái)，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(yīng)用。Rau等[27]運(yùn)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(duì)沖傷的部位及顱骨骨折部位，與尸檢結(jié)果完全相符。Motherway等[28]依據(jù)人體可視化數(shù)據(jù)庫(kù)的影像學(xué)資料建立了可用于施加相應(yīng)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(xué)研究展望

顱腦損傷的生物力學(xué)研究依賴于其他相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，尤其是有限元的發(fā)展。有限元方法在國(guó)際上尤其是歐洲國(guó)家正在檢案中普及應(yīng)用[29]，已經(jīng)作為法醫(yī)檢驗(yàn)鑒定的輔助手段，用以解決常規(guī)方法無(wú)法解決的問題。當(dāng)前，有限元方法在法醫(yī)學(xué)實(shí)際應(yīng)用中仍有許多關(guān)鍵問題無(wú)法突破，但是應(yīng)該看到其廣泛的應(yīng)用前景：隨著法醫(yī)學(xué)、生物力學(xué)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(huì)成為可能。

[1]閔建雄.法醫(yī)損傷學(xué)[M].北京：中國(guó)人民公安大學(xué)出版社，2010：133.

[2]李耀芳,王永青,衛(wèi)明杰.模擬試驗(yàn)推斷致傷方式1 例[J].中國(guó)法醫(yī)學(xué)雜志,2006,21(6):379.

[3]Iham AY,Miyazaki T,Fuke C,et al.Complete decapitation of a motorcycle driver due to a road block chain[J].Int J Legal Med,2008,122(4):511-515.

[4]閔建雄.法醫(yī)損傷學(xué)[M].北京：中國(guó)人民公安大學(xué)出版社，2010：140-141.

[5]蔣俊，鄧世雄.顱腦的力學(xué)性能及在交通傷中的生物力學(xué)機(jī)制[J].中創(chuàng)傷外科雜志，2006，8(3)：278-280.

[6]Goldsmith W.The state of head injury biomechanics[J].Crit Rev Biomed Eng,2001,29(5/6):441-600.

[7]Sarron JC,Blondeau C,Guillaume A,et al.Identification of linear viscoelastic constitutive models[J].J Biomech,2000,33(6):685-693.

[8]邱緒襄.顱腦損傷[M].成都:四川科學(xué)技術(shù)出版社,1995:91-106.

[9]張益鵠.法醫(yī)顱腦損傷的研究進(jìn)展(Ⅰ)[J].中國(guó)法醫(yī)學(xué)雜志，2002，7(1)：51-53.

[10]張益鵠.法醫(yī)顱腦損傷的研究進(jìn)展(Ⅱ)[J].中國(guó)法醫(yī)學(xué)雜志，2002，7(1)：120-123.

[11]劉寧國(guó)，陳憶九.數(shù)字化技術(shù)在法醫(yī)顱腦損傷生物力學(xué)分析中的應(yīng)用[J].中國(guó)司法鑒定，2010，10(5)：71-74.

[12]Gurdjian ES，Lissner HR，Webster JE，et al.Studies on experimental concussion：relation of physiologic effect to time duration of intracranial pressure increase at impact[J].Neurology，1954，4(9)：674-681.

[13]Cernak I.Animal models of head trauma[J].NeuroRx，2005，2(3)：410-422.

[14]Goldman H，Hodgson V，Morehead M，et al.Cerebrovascular changes in a rat model of moderate closed-head injury[J].J Neurotrauma，1991，8(2)：129-144.

[15]劉寶松，姜燕平.顱腦創(chuàng)傷模型與生物力學(xué)機(jī)制研究新進(jìn)展[J].傷外科雜志，2000，2(1)：57-59.

[16]張風(fēng)江，鐘春龍.大鼠皮層膠質(zhì)細(xì)胞培養(yǎng)牽張損傷模型的建立及繼發(fā)性炎性反應(yīng)作用機(jī)制的研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2009：1-26.

[17]Maxwell WL,Watt C,Graham DI,et al.U ltrastructural evidence of axonal shearing as a result of teral acceleration of the head in non-hum an prim ates[J].Acta Neuropathol Berl,1993,86(2):136.

[18]Marmarou A,Foda MA，van den Brink W,et al.A new model of iffuse brain in injury in rats.Part athophysiology and bio mechanics[J].J Neurosurg,1994,80(2):291.

[19]Oliver WR,Chancellor AS,Soltys M,et al.Three dimensional recon struction of a bu llet path:validation by computed radi ography[J].J Forensic Sci，1995,40(2):321-324.

[20]鄭劍,劉寧國(guó).CT 技術(shù)在尸體檢驗(yàn)中的應(yīng)用[J].法醫(yī)學(xué)雜志,2009,25(4):286-289.

[21]鄭劍,劉寧國(guó).CT在機(jī)械性損傷尸體檢驗(yàn)中的價(jià)值[J].中國(guó)法醫(yī)學(xué)雜志,2010,25(3):150-154.

[22]蘆俊鵬，張建國(guó).人體顱腦三維有限元模型構(gòu)建[J].微計(jì)算機(jī)信息,2006,22(8):211-212.

[23]Brekelmans WA,Poort HW,Slooff TJ.A newmethod to analyse the mechanical behaviour of skeletal parts[J].Acta Orthop Scand,1972,43(5):301-317.

[24]Gilchrist O,Donoghue D.Simulation of the development of frontal head impact injury[J].Comput Mech,2000,26(3):229-235.

[25]Kleiven S.Influence of impact direction on the human head in prediction of subdural hematoma[J].J Neurotrauma,2003,20:365-379.

[26]Raul JS,Deck C,Willinger R.Finite-element models of the human head and their applications in forensic practice[J].Int J Legal Med,2008,122(5):359-366.

[27]Raul JS,Baumgartner D,Willinger R.Finite element modelling of human head injuries caused by a fall[J].Int J Legal Med,2006,120(4):212-218.

[28]Motherway J,Doorly MC,Curtis M.Head im pact biomechanics simulations a forensic tool for re constructing head injury?[J].Leg Med Tokyo,2009,11(S1):220-222.

[29]Raul JS,Deck C,Willinger R.Finite-element models of the human head and their applications in forensic practice[J].Int J Legal Med,2008,122(5):359-366.

喻永敏(1976-)，碩士，副主任法醫(yī)師，主要從事法醫(yī)病理學(xué)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

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1671-8348(2015)15-2142-04

2014-10-05

2015-01-16)