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减速伤中颅内应力分布于应力波传播特点的实验研究

作　者: 刘盛雄
导　师: 尹志勇
学　校: 第三军医大学
专　业: 生物医学工程
关键词: 颅脑损伤减速伤颅脑模型应力分布应力波传播
分类号: R651.15
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

头颅因外力作用而使运动受阻碍,除引起头皮、颅骨局限性创伤外,更严重的是脑组织由于惯性滞后于头颅的运动,可导致脑着力部位、脑内及脑对冲部位出现挤压、疲劳、撕裂、牵张、摩擦及切割等力学效应,造成颅脑减速伤。颅脑减速伤在创伤性颅脑损伤(Traumatic Brain Injury, TBI)中较为常见,且损伤较重,常见于交通伤和坠落伤。颅脑减速伤在交通事故中较为常见。是指运动的头颅突然碰撞在外物上,迫使其瞬间减速而造成的脑损伤。例如,运动着的车辆发生碰撞致其减速时车内驾乘人员的头部与车内物体发生碰撞而致伤;又如,汽车行人交通伤事故中,行人与车辆发生碰撞之后与路面发生的二次碰撞中出现的损伤。颅脑撞击伤生物力学的研究结果表明颅脑的内部应力响应密切关联着颅脑的损伤,因此有必要对颅内应力分布及应力波传播特性进行深入研究。在这方面,国内所做的研究较为有限。主要是因为要通过实验手段来测量撞击过程中颅内脑组织的应力分布与应力波传播特点是一项颇为困难的课题。1999年第三军医大学姜燕平等人设计了颅脑的二维平面光弹性模型。利用光弹性材料的特点,可以在撞击过程中通过高速摄影机拍摄模型中的光弹性条纹,并得出各部位的应力分布及应力波传播特点。该模型在创伤性颅脑损伤的研究中曾起到了重要作用。由于受到当时技术条件及测试方法方面的限制,该实验未能定量得出颅脑撞击响应特性。2004年美国韦恩州立大学与俄亥俄州立大学共同完成了一项非常经典的人尸体头颅枕骨撞击实验。实验前,用金属球和薄壁管制成与脑组织密度接近的标志物。撞击过程中将标志物置于大脑中,采用高速X光机(250帧/秒)对颅脑的冲击历程进行拍摄。同时在颅骨内也安装微型标志物,研究人员在对拍摄的图像进行分析之后得出了大脑中标志物相对颅骨的“8”字形运动轨迹及其规律。这是一种新的测量手段,为损伤机理的研究提供了珍贵的原始资料。但是该实验的重点是对头颅撞击过程中脑组织的位移情况进行研究,对于脑组织所受应力的分布以及应力波的传播特点则无法从该实验中得以揭示。目前,全世界仅有的两台用于颅脑撞击损伤生物力学研究的高速X光机均存放于美国韦恩州立大学内。根据已有的科研成果、实验条件和实际工作需要,本研究拟通过构建可视化的颅脑物理模型及其减速撞击实验平台,建立完整的颅脑减速撞击致伤实验系统,在脑组织的感兴趣部位生成气泡,采用高速摄像系统、三维运动分析软件,记录和分析在减速撞击实验过程中脑组织内气泡的体积变化过程,最终通过分析软件获取脑组织的应力分布规律和应力波传播特点。该实验提供了一种直观无创的颅内应力及应力波检测与分析方法,是一种无损、非接触式的测试手段,是测试理念的一种创新。通过该实验研究可望揭示颅脑减速伤的发生机制,并为颅脑减速伤的防护和诊治提供生物力学依据。主要研究方法和结论:一、构建钢化玻璃质简化颅脑物理模型。该颅脑模型取材容易,便于操作;同时由于其透明度好,对于标志物的观测具有很好的效果,可以通过高速摄像获得撞击过程中清晰的气泡变形历程,可用于定性分析减速伤的致伤机制。研制基于翻模技术的透明颅脑物理模型。聚碳酸酯(Polycarbonate, PC)树脂材料保证了其耐冲击性能好,同时翻模技术可以保证该模型与真人颅骨具有高度的几何相似性,可用于定量分析减速伤的致伤机制。二、构建了基于钢化玻璃质简化颅脑模型、基于翻模技术的具有人体几何尺寸的PC树脂材质透明颅脑模型以及基于高分子颅脑模型的三种减速撞击致伤实验平台,该平台可用于轻、中、重度颅脑撞击损伤的研究。通过对颅脑损伤评估标准HIC的计算,可以对撞击实验平台中产生的各种程度的颅脑撞击损伤进行量化,结合模型脑组织内气泡体积的变化、传感器的信号输出值以及相应的脑组织所受应力变化情况,从而可以将撞击过程的宏观层面与微观层面关联起来对颅脑撞击致伤的生物力学机制进行研究。三、以钢化玻璃质简化颅脑模型、基于翻模技术的具有人体几何尺寸的PC树脂材质颅脑模型及高分子材料颅骨模型结合压强传感器为基础,分别在减速撞击致伤实验平台进行了减速撞击实验,对减速撞击过程中颅内脑组织的应力分布及应力波传播特点进行了研究,得到以下结果:①颅脑减速撞击过程中,脑组织内的应力沿撞击点往对冲点方向呈由正到负的梯度分布特点;②脑组织对冲点处的应力波出现了波谷,撞击点处的应力波出现了波峰,对冲点处应力波波谷的出现要早于撞击点处应力波波峰的出现,该特点表现出了应力波在单个点位上以及点位间的传播规律;③在撞击过程中应力波会在颅骨内壁发生反射,并且反射回来的应力波又会与原发性的应力波在气泡所处位置发生叠加效应,加强或削弱该点所受应力波的幅值大小,脑组织可能会在某些应力波幅值得到增强的部位上受到损伤;④对冲点处的脑组织所受到的作用力主要为拉应力;撞击点处的脑组织所受到的作用力主要为压应力;而中性点处的脑组织所受到拉应力与压应力大小相当。由于脑组织及其血管的抗拉性能劣于抗压性能,因此在对冲点相对较大的拉应力作用下,颅脑更容易在对冲部位出现较为严重的损伤。初步阐明了交通事故颅脑减速伤中较为常见的颅脑“对冲伤”的力学发生机制之一;⑤在对冲侧越靠近撞击点的脑组织其应力波波谷出现得相对越早;在撞击侧越靠近撞击点的脑组织其应力波波峰出现得也相对越早;⑥处于撞击侧的脑组织在撞击过程中受到了持续的正压的作用;而处于对冲侧的脑组织在撞击过程中则受到了正压与负压的交替作用,尽管越是靠近中性点脑组织所受到的应力波的幅值越小,但是其应力波的频率却是增加了,这样就使得该处脑组织受到疲劳损伤的可能性大幅增加,这可能是颅脑减速撞击致伤中临床上出现的对冲侧较深层脑组织损伤的力学机制之一。

全文目录

英文缩写一览表  6-8
英文摘要  8-12
中文摘要  12-15
前言  15-20
  参考文献  17-20
第一部分颅脑物理模型的研制  20-34
  实验一脑组织及颅骨替代材料的筛选  20-24
    材料与方法  20-23
    结果  23
    讨论  23-24
  实验二钢化玻璃质简化颅脑物理模型的研制  24-26
    材料与方法  24-25
    结果  25-26
    讨论  26
  实验三基于翻模技术的透明颅脑物理模型的研制  26-31
    材料与方法  26-30
    结果  30-31
    讨论  31
  小结  31-32
  参考文献  32-34
第二部分颅脑直线减速致伤实验平台的构建  34-48
  实验一简化颅脑模型减速撞击实验平台的构建  34-40
    材料与方法  34-36
    结果  36-38
    讨论  38-40
  实验二基于翻模技术的颅脑模型减速撞击实验平台的构建  40-43
    材料与方法  40-41
    结果  41-42
    讨论  42-43
  实验三基于高分子材料颅脑模型减速撞击实验平台的构建  43-46
    材料与方法  43-44
    结果  44-45
    讨论  45-46
  小结  46-47
  参考文献  47-48
第三部分颅脑减速伤的应力分布和应力波传播特点的研究  48-76
  实验一应力分布机制的实验研究  48-56
    材料与方法  48-51
    结果  51-54
    讨论  54-56
  实验二应力波传播特点的实验研究  56-62
    材料与方法  56-58
    结果  58-60
    讨论  60-62
  实验三应力波叠加效应的实验研究  62-64
    材料与方法  62-63
    结果  63
    讨论  63-64
  实验四脑组织所受应力方式的实验研究  64-69
    材料与方法  64-65
    结果  65-67
    讨论  67-69
  实验五传感器验证实验研究  69-72
    材料与方法  69-70
    结果  70-71
    讨论  71-72
  小结  72-74
  参考文献  74-76
全文总结  76-77
致谢  77-78
文献综述颅脑撞击损伤生物力学机制综述  78-97
  参考文献  90-97
学习期间科研情况  97

减速伤中颅内应力分布于应力波传播特点的实验研究

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