李蓓， 阮世捷， 李海巖， 崔世海， 賀麗娟

(天津科技大學 損傷生物力學與車輛安全工程中心，天津 300222)

1 引 言

TBI導致的精神問題或疾病有可能伴隨患者一生，給社會和家庭帶來巨大壓力和經濟負擔[1]。許多學者借助成人頭部有限元模型(基于解剖圖、CT掃描[2]或MRI影像[3])研究頓挫傷[4](如交通事故)、搏擊致傷[5]、跌落傷[6-7]以及運動接觸[3,8]或爆炸[9]引起的腦損傷及其損傷機理,發(fā)現頭部的旋轉運動是引起TBI的主要原因[2]。與成人相比，兒童頭部損傷的相關研究較少，其中大部分模型的年齡范圍在0～3歲[10-11]。這些模型用來研究兒童顱骨的材料屬性[12-13],或者通過重構兒童頭部尸體跌落試驗研究顱骨骨折風險[13-14]。然而，腦損傷的損傷機理與顱骨骨折不同，并且頭部的形態(tài)和結構經歷的變化隨年齡的增長不呈線性關系[12]。因此，作為兒童腦損傷的初步研究，首先要明確不同年齡段的兒童頭部在結構、尺寸等方面的差異，以及這些差異對損傷評估帶來的影響。

成人頭部損傷研究中，Kleiven[15]重構了頭部直線撞擊仿真實驗，發(fā)現顱骨應力和顱內壓力峰值都隨頭部尺寸的增大而增大。Wang[16]的研究表明腦組織響應對頭部尺寸較敏感，卻不受頭部不同幾何形狀的影響。然而，這些研究并未深入討論頭部不同尺寸和幾何形狀對腦組織應變及應變分布的影響。兒童頭部損傷研究中，Loyd[17]借助185個兒童頭部CT數據開發(fā)了12個年齡段的頭顱三維輪廓，確定了不同年齡段兒童顱骨形狀特性的差異。Danelson[18]借助MRI影像量化了隨著年齡的增長和性別的不同，兒童腦組織形狀和尺寸的改變。這些研究都強調了在構建兒童頭部有限元模型過程中考慮頭部不同尺寸和結構的重要性，并沒有具體分析兒童頭部生物力學響應。

基于以上討論，本研究深入探討了頭部/腦組織大小和形狀對腦組織應變評估的重要性。明確說明，有必要構建適合于兒童的頭部有限元模型來研究兒童頭部損傷。

2 材料與方法

本研究借助第50百分位成人、6歲兒童和3歲兒童頭部有限元模型，見圖1。倫理道德一直是制約兒童頭部材料參數研究的關鍵因素，一些基于動物尸體試驗發(fā)現[19-20]，幼兒階段和成人階段的腦組織樣本剪切模量在統(tǒng)計學上沒有表現出顯著差異。因此，很多研究都借助成人頭部材料參數研究兒童頭部損傷[21-22]。在本研究中，三個模型的顱-腦接觸界面和腦組織材料的本構模型及參數均參考了成人頭部有限元模型(simulated injury monitor ，SIMon)[2]，其中除眼睛和唇部采用固聯(lián)接觸外，其余都通過共節(jié)點方法將不同部位的軟組織連接起來。

圖1 頭部和腦組織有限元模型 (a).50th成人;(b).6歲和3歲兒童Fig.1 Head and brain FE models representing

(a).50th percentile adult; (b).Six-year-old and three-year-old children

首先，根據1～6歲兒童頭部不同百分位與頭部周長之間的關系[23](見圖2)，借助Mertz[24]提出的縮放方法(式1)分別將3歲和6歲兒童頭部有限元模型縮放至其第5百分位、第50百分位和第95百分位模型。

R=(C+W+L)s/(C+W+L)subject/percentile

(1)

其中，C、W和L分別代表同一年齡所對應的不同百分位的頭部周長、寬度和長度?？s放的頭部是用來獲得與6歲和3歲兒童平均頭部尺寸接近的模型，從而討論不同頭部尺寸對腦組織應變的影響。

圖2 人體測量研究得到的頭圍隨年齡百分位數的變化

Fig.2The evolution of the head circumference as a function of age percentile found from an anthropometric study

然后，根據式(1)，將3歲和6歲兒童頭部分別縮放至第50百分位成人頭部有限元模型，使得縮放后的兩個兒童模型與第50百分位成人頭部模型具有相同的頭部尺寸，從而研究頭部形狀對腦組織響應的影響。

鑒于本研究側重的是頭部的尺寸和幾何形狀對腦組織損傷預測的影響，因此頭部模型重構了已發(fā)表文獻中提到的NFL (Case 157)[25]頭部碰撞試驗。仿真實驗中，顱骨簡化為剛體，將試驗中頭部經歷的直線和旋轉加速度載荷直接加載到有限元頭部模型剛性顱骨重心，模擬頭部經歷碰撞過程中的運動。仿真計算在有限元分析軟件LS-DYNA中完成。

3 結果

3.1 頭部尺寸對腦組織響應的影響

由圖3可以看出，腦組織最大主應變隨頭部尺寸的增大而增大，相鄰百分位之間應變增大的比率均為1.041。并且三個6歲兒童頭部縮放模型經歷的應變均高于相對應的3歲頭部縮放模型，分別高出17.89%(第5百分位)、18.91%(第50百分位)、18.62%(第95百分位)。

由圖4可以看出，同一年齡中CSDM同樣隨頭部尺寸的增大而增大。當應變閾值大于0.1時，6歲兒童腦組織的CSDM大于相對應的3歲兒童頭部，然而，當應變閾值等于0.1時，兩組兒童頭部縮放模型經歷幾乎相似的CSDM。

由圖5和圖6的應變分布云圖可以明顯看出，隨著頭部尺寸的增大，腦組織應變分布未發(fā)生明顯變化，并且兩組仿真實驗中，最大主應變均出現在大腦皮質，只是在6歲兒童縮放模型中，大量的應變還集中出現在中腦區(qū)域。

圖3頭部不同尺寸下腦組織最大主應變對比(a).腦組織體積;(b).頭部周長;(c).頭部長度;(d).頭部寬度

Fig.3Comparison of brain maximum principal strains in simulations among models with different dimensions(a).Brain volume; (b).Head circumference; (c).Head length ;(d).Head width

圖4 應變閾值為0.1、0.15、0.2和0.25時的CSDM值(a).腦組織體積;(b).頭部周長;(c).頭部長度;(d).頭部寬度Fig.4 CSDM at strain levels of 0.1, 0.15, 0.2 and 0.25(a).Brain volume;(b).Head circumference;(c).Head length;(d).Head width

圖5 6歲兒童模型的應變分布(a).第5百分位;(b).第50百分位;(c).第95百分位Fig.5 Comparison of strains of 6-year-old child models(a).5th;(b).50th;(c) .95th

圖6 3歲兒童模型的應變分布(a).第5百分位;(b).第50百分位;(c).第95百分位Fig.6 Comparison of strains of 3-year-old child models(a).5th;(b).50th;(c) .95th

3.2 頭部幾何形狀對腦組織響應的影響

由圖3可以看出，第50百分位成人頭部模型經歷了最大的腦組織應變，并且其頭部周長和長度均大于兩個兒童頭部縮放模型，然而，腦體積以及頭部寬度尺寸卻最小。對于6歲兒童縮放模型，具有最大的腦體積和最小的頭部長度。較明顯的是，成人模型和6歲兒童縮放模型具有相似的周長，分別為54.5 cm和54.05 cm，并且兩個模型的最大主應變也非常接近(分別為0.47和0.45)。3歲兒童縮放模型具有最大的頭寬和最小的周長，其腦組織經歷的應變也較低，分別低于成人模型和6歲兒童縮放模型17.03%和14.32%。

當應變閾值為0.1時，三個模型的CSDM非常接近，分別為0.96、0.95和0.97，見圖4。當應變閾值等于0.15時，成人模型經歷最高的CSDM，而此時兩個兒童縮放模型的CSDM卻相近，約為0.77。當應變閾值大于0.15時，成人模型和3歲兒童縮放模型分別具有最高和最低的CSDM。

圖7為三個模型的應變分布云圖，較明顯的是在大腦區(qū)域三個模型具有相似的應變分布，其中最大主應變均出現在大腦外圍，只是兩個兒童縮放模型經歷的應變較低。此外，較大的差異出現在6歲兒童縮放模型的中腦和3歲兒童縮放模型的腦干處，這兩處區(qū)域出現了較大應變。

圖7腦組織應變分布(a).第50百分位成人;(b).6歲兒童頭部縮放模型;(c).3歲兒童頭部縮放模型

Fig.7Comparison of element-wise strain distributions(a).the50th percentile adult; (b)6-year-old child scaled models;(c)3-year-old child scaled models

4 討論

仿真實驗結果表明，在頭部旋轉運動中，腦組織應變和CSDM對頭部尺寸非常敏感，成正比關系。當應變閾值大于0.1時，頭部尺寸越大，腦組織經歷較大應變的體積范圍就越大，尤其體現在中腦區(qū)域。由此表明，相同加速度載荷作用下，腦組織損傷風險隨著頭部尺寸的增大而增大，但損傷部位沒有明顯變化。

本研究中，第50百分位成人頭部有限元模型的幾何結構是基于群體的統(tǒng)計測量，而6歲和3歲兒童頭部數據來自于個體。三個模型雖然具有相同的頭部尺寸，但腦組織體積、頭部周長、長度和寬度都具有一定差異，使得三個模型具有不同的幾何特征。仿真實驗結果表明，腦組織應變和CSDM與頭部形狀不成比例關系，說明腦組織損傷風險對頭部幾何特征不敏感。但腦組織應變分布卻隨著頭部幾何結構的改變集中出現在中腦(6歲兒童)和腦干(3歲兒童)區(qū)域。由此說明，頭部形狀之間的差異不影響腦組織損傷嚴重程度，但影響應變集中的區(qū)域。

基于以上研究結論，真實的頭部模型和縮放方法得到的頭部模型在尺寸(腦組織最大主應變)和形狀(應變分布)方面表現出較大的差異。因此，建議有必要從真實的CT數據或MRI影像建立兒童頭部有限元模型，而不是通過縮放的方法預測兒童腦損傷風險。此外，在預測兒童腦損傷風險時，最好考慮兒童頭部尺寸的變化對應變的影響。

5 附錄 有限元模型的驗證

本研究對Hardy[26-27]的三個尸體頭部撞擊試驗(前額(C383-T1)，枕骨(C755-T2)，頂骨(C393-T4))進行重構，借助試驗中的顱腦相對位移驗證了三個頭部有限元模型的有效性。在仿真實驗中，三個模型均縮放至尸體試驗中樣本的尺寸。對模型施加了試驗中測得的包括直線加速度和角加速度在內的6組頭部質心加速度。

圖8為三個試驗中給定的中性密度靶(neutral density targets, NDT)位置的顱腦相對位移試驗和仿真曲線?？梢钥闯觯B腦相對位移仿真曲線在數值和變化趨勢上都與試驗結果非常接近。借助相關性分數(correlation score, CS)來量化模型驗證的結果，三個模型的平均CS分數分別為85.29、84.43和85.85，與Total Human 模型 (THUMS; 平均CS分數為 85.52)[28]和DHIM(Dartmouth Head Injury Model; 平均分數為83.37)[3]接近,并且根據Lange[29]中的逼真度評級可知，本研究中三個模型均表現出了較好的分數。

圖8仿真實驗與尸體試驗顱腦相對位移結果(a).C383-T1;(b).C393-T4;(c).C755-T2

Fig.8Comparison between simulated and experimental time histories of relative brain-skull displacement for selected NDTs(a).C383-T1; (b).C393-T4; (c).C755-T2