脑外伤血肿膨胀与颅内压增高的有限元模拟分析

曹立波 傅啸龙* 张冠军 李 娜

1(湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙 410082)2(中南大学湘雅三医院放射科，长沙 410083)



脑外伤血肿膨胀与颅内压增高的有限元模拟分析

曹立波1傅啸龙1*张冠军1李 娜2

1(湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙 410082)2(中南大学湘雅三医院放射科，长沙 410083)

利用具有高度解剖学细节的GHBMC有限元头部模型，建立符合患者头部在受到创伤后出现脑血肿的占位效应，并提出一种采用气体分子动力学颗粒法模拟颅脑血肿导致颅内压变化的新思路。通过医学图像软件Mimics得到患者头部血肿几何模型与病变位置，调整已验证的GHBMC成人头部有限元模型，使其符合实际患者头部病变的几何特征，之后采用气体分子动力学颗粒法模拟脑血肿引起的颅内压变化。两组仿真中颅脑侧脑室偏移量分别为4.6 和5.6 mm，脑中线偏移量分别为4.3和4.1 mm，颅内压数值分别稳定在(2 680±20)和(2 618±18)Pa。实际患者颅脑侧脑室偏移量分别为4.8和4.9 mm，脑中线偏移量分别为3.7和3. 9 mm，颅内压数值分别为2 800和2 666 Pa。仿真数据与实际数据基本吻合，表明采用气体分子动力学颗粒法来模拟分析血肿膨胀与颅内压增高的方法在理论上可行，为进一步临床应用提供理论依据。

颅内压；气体分子动力学；有限元；脑血肿；偏移量

引言

颅内压是指颅腔内容物对颅腔壁所产生的压力，其增高病理基础是颅腔内容物的增多，主要包括脑体积的增加，如脑血肿、脑水肿、脑肿瘤等，而脑血肿与脑水肿是颅内压增高最常见的因素[1]。目前，颅内压是神经外科临床与科研的重要指标，对临床手术时机起到决定性作用，其测量方法分为有创性与无创性两种。临床上常用的有创性颅内压测量方法有脑室法、硬膜下法、蛛网膜下法、硬膜外法、腰椎穿刺法等[2]，通常是以脑室内压为代表, 可在椎管蛛网膜下腔经腰椎穿刺测得,也可由硬脑膜外测得[3]。无创性颅内压测量方法有视网膜静脉压测压法、前囟测压法、经颅多普勒测压法[4]。临床上常用有创性颅内压测量法，但存在着易对患者造成交叉感染、风险性高、穿刺失败、颅脑水肿或感染、操作复杂、测量不准确、较大创伤等缺陷和不足。而无创性测量法多是通过间接手段获得的，不能测得颅内真实压力，并且测量精度和效果都不令人满意。

近年来，随着计算机技术和软件能力的不断提高，数字化仿真技术取得很大的进展，有限元方法逐渐成为研究头部损伤的重要手段。有限元模型具有高度解剖学特征，并且能用于颅内应力、应变及其他各种相关特征参数的研究[5]。岳献芳等在2007年采用有限元分析颅骨和硬脑膜黏弹性随颅内压变化的方法[6]，得到颅内压变化将引起颅骨表面轻微应变的结果，从而提出采用微创颅内压应变电测法[7]。然而，此种方法是间接监测颅内压，并不能观测到患者实际颅内压力的数值和脑内组织的变形。本研究提出利用具有高度解剖学特征的成人头部有限元模型与气体分子动力学模拟脑血肿膨胀与颅内压增高的方法，可以直观观测到脑血肿膨胀引起的脑组织变形的占位效应与各部分脑组织的压力数值，并且可以根据压力云图获得颅内压力的最大位置，为临床上颅内压探头的植入提供准确的位置。

1 有限元模型与研究方法

1.1 头部有限元模型的调整

模型来自经过35组实验验证的GHBMC男性头部有限元模型[8]，包含了硬脑膜、软脑膜、蛛网膜、脑镰、小脑幕、脑脊液、侧脑室、第三脑室、大脑(灰质和白质)、小脑、胼胝体、丘脑、脑干、基底节、矢状窦、颅骨、面骨、下颌骨、头皮、皮肤等详细的解剖学结构。模型包括了270 552个单元，其中150 074个六面体单元，352个五面体单元，60 828个四面体，45 140个四边形壳单元，14 136个三角形壳单元和22个一维梁单元，并且网格质量较好，如图1所示。

图1 CHBM成人头部有限元模型Fig.1 FE head model of the GHBMC

由于本课题主要研究颅脑损伤中血肿膨胀与颅内压的增高，所以并不需要面骨、下颌骨、头皮、皮肤等结构，只需要颅骨及颅内脑组织结构，故将模型简化。简化后的模型包含了硬脑膜、软脑膜、蛛网膜、脑镰、小脑幕、脑脊液、侧脑室、第三脑室、大脑(灰质和白质)、小脑、胼胝体、丘脑、脑干、基底节、矢状窦等结构，如图2所示。

1.2 气体分子动力学颗粒法理论

气体分子动力学颗粒法(corpuscular particle method，CPM)的应用始于2006年，主要应用在汽车安全气囊仿真分析中[9]。利用气体分子动力学颗粒法模拟脑血肿膨胀时，能准确模拟出脑血肿的体积、脑血肿引起的占位效应以及脑部组织的压力。模拟血肿膨胀展开过程是将血肿内气体近似为理想气体处理，基于理想气体定律及分子动力学理论保持血肿中总的平动动能不变，将气体分子离散为少数大尺寸刚性球形粒子来简化等效，如图3所示。在气体质量、动量及能量守恒前提下，从微观角度研究因热运动导致粒子间及粒子与血肿外壁的相互碰撞，以获取血肿内压强及内能等状态参数间的关系。

(1)

(2)

(3)

1.3 有限元仿真与验证

车祸中的颅脑外伤经常伴随着脑血肿的产生，本研究选择由湘雅第三附属医院统计的两例脑外伤事故进行仿真。事故1：一名35岁成年男子在驾驶电动摩托车上班时，被一辆摩托车撞倒在地，导致颅脑外伤，CT检查显示伤情为左颞顶叶脑出血。事故2：一名57岁成年男子驾驶摩托车发生车祸，随即撞倒在地引起颅脑外伤，CT检查显示伤情为右侧额叶血肿。由于患者在做CT扫描时脑组织肿块已经生成，因此肿胀过程需要分为两步进行模拟：第一步，利用医学数字影像软件Mimics获取脑血肿的体积大小、位置及脑组织变形情况，之后在仿真中模拟血肿膨胀到实际体积大小，并模拟占位效应引起脑组织变形，以符合患者实际侧脑室与脑中线移位情况；第二步，在符合患者脑部占位效应的基础上，采用气体动力学颗粒法向脑血肿中充入气体模拟颅内压的升高，并利用临床上测得的颅内压数据对仿真中测得的压力进行验证。具体流程见图4。

图4 脑血肿膨胀仿真及颅脑损伤分析流程Fig.4 The process of the expansive simulation of cerebral hematoma and analysis of brain injury

1.3.1 血肿膨胀的有限元模拟

由Mimics软件获取两个患者脑血肿的位置与实际体积可知：患者1的CT图像显示，脑血肿位于左侧颞顶叶，并挤压侧脑室，使其偏移脑中线，患者2的CT图像显示，脑血肿位于右额叶，并挤压侧脑室，使其严重偏移脑中线。在HYPERMESH软件中建立符合脑血肿体积的模型，采用折叠安全气囊的方法对脑血肿模型进行折叠[11]，之后将折叠好的模型放入有限元头部模型中。利用气体动力学颗粒法使血肿膨胀，获得脑血肿体积及脑血肿引起的占位效应数据，两组患者CT与仿真对比图像分别见图5、6。

图5 患者1的脑血肿膨胀仿真图像(左)与CT图像(右)对比Fig.5 The expansive image of cerebral hematoma of patient 1 in simulation(left)compared with CT image (right)

图6 患者2脑血肿膨胀仿真图像(左)与CT图像(右)对比Fig.6 The expansive image of cerebral hematoma of patient 2 in simulation(left)compared with CT image (right)

1.3.2 颅内压的有限元模拟

在符合患者脑组织占位效应的有限元模型上，采用气体动力学颗粒法进行颅内压力的模拟。通过调用LSDYNA中的关键词Particle[12]向脑血肿充入一定量的气体，利用气压模拟脑血肿对周围脑组织的压力。同时，根据患者1和患者2的资料，分别在左顶叶脑实质与右额叶蛛网膜位置获取仿真中的颅内压力。由于在实际中不能对所有的气体分子进行建模得到一个稳定的压强，所以只能通过降噪、滤波得到近似的稳定压力曲线[13]。临床上所测得的颅内压是特定时间的压力，所以在仿真中前40 ms充入气体使压力增高，后20 ms是颅内压力稳定的状态。患者1颅内压力稳定在(2 680±20)Pa，患者2颅内压力稳定在(2 616±18)Pa，如图7所示。

图7 两组患者的仿真颅内压力曲线。(a)患者1的左顶叶脑实质压力曲线；(b)患者2的右额叶蛛网膜压力曲线Fig.7 The curve of intracranial pressure of two patients in simulation. (a) The curve of intracranial pressure of patient 1 in simulation；(b) The curve of intracranial pressure of patient 2 in simulation

1.3.3 模型验证

脑血肿的生成，造成颅腔内容物的增加，从而就会挤压其他脑组织，造成占位效应并伴有脑室系统及脑中线结构的移位，同时颅内压力增高[14]。由于临床上将CT图像中观察到脑中线与侧脑室移位情况、颅内压数值作为诊断标准[15]，所以本研究将以脑中线与侧脑室移位数值、颅内压力数值对模型进行验证。两组患者侧脑室移位、脑中线移位情况与实际情况拟合较好，符合患者占位效应，并且仿真中测得的颅内压数值与实际相差不大，在患者颅内压轻度增高的范围内，如图8、9所示。患者1的侧脑室、脑中线和颅内压数值与实际数值相差0.2 和0.4 mm、(120±20)Pa，患者2的侧脑室、脑中线和颅内压数值与实际数值相差0.7和0. 2 mm、(50±18)Pa，如表1所示。

图8 两组患者的仿真侧脑室移位(左)与实际侧脑室移位(右)对比。(a)患者1；(b)患者2Fig.8 The displacement of lateral ventricle of the two groups of patients in simulation(left)compared with the actual displacement of lateral ventricle(right).(a)Patient 1；(b)Patient 2

图9 两组患者的仿真脑中线移位(左)与实际脑中线移位(右)对比。(a)患者1；(b)患者2Fig.9 The displacement of brain-midline of the two groups of patients in simulation(left)compared with the actual displacement of brain-midline(right).(a)Patient 1；(b)Patient 2

患者编号侧脑室最大偏移量/mm颅内压力/Pa脑中线最大偏移量/mm仿真数值实际数值仿真数值实际数值仿真数值实际数值146482680±2028004337256492616±1826664139

2 仿真结果

2.1 脑组织损伤

颅内压是临床神经外科的重要观察指标，但在临床上只能靠植入颅内压探头获得特定部位的颅内压力，且此部位并不一定是颅内最大压力之处，同时其余的脑组织的压力并不能获取[16]。图10、11为两组患者通过力传感器测得颅内压达到稳定值时，其他脑组织的颅内压力分布云图。由图11、12可知，患者1和患者2的蛛网膜、灰质与白质较高的压力都集中在病变位置，越远离血肿病变位置，压力越小。患者1，蛛网膜最大压力为3 124 Pa,灰质与白质最大压力为3 294 Pa；患者2，蛛网膜最大压力为4 272 Pa，灰质与白质最大压力为5 730 Pa。两组患者的蛛网膜、灰质与白质最大压力均超过实际所测得的颅内压力，这可能是实际力传感器的植入位置并不在血肿压力的最大位置，所以实际测得的颅内压力均小于仿真中的最大压力。

图10 患者1的脑组织压力云图。(a)蛛网膜压力云图；(b)灰质与白质压力云图Fig.10 The stress contour of brain tissue of the patient 1. (a) The stress contour of arachnoid;；(b) The stress contour of gray and white matter

图11 患者2的脑组织压力云图。(a)蛛网膜压力云图；(b)灰质与白质压力云图Fig.11 The stress contour of brain tissue of the patient 2. (a) The stress contour of arachnoid;；(b) The stress contour of gray and white matter

图12 两组患者的颅骨应变云图。(a)患者1颅骨应变云图；(b)患者2颅骨应变云图Fig.12 The strain contour of the skull of patients. (a) The strain contour of the skull of patient 1;；(b) The strain contour of the skull of patient 2

2.2 颅骨应变

图12是患者1与患者2的颅骨应变云图。可以看出，随颅内压的变化，颅骨外表面的应变值很小且分布均匀，应变值主要在0.002～0.17 με。两组患者最大应变位置都出现在枕骨大孔处。患者1的颅骨外表面最大应变值为1.375 με，患者2的颅骨外表面最大应变值为0.8 με，符合参考文献[6]中所提及颅内压在2 500 Pa左右时颅骨外表面最大应变为1.4 με的情况。

3 讨论

在临床上，患者的颅内压数值只是颅内压探头获得的特定部位的压力，其余脑组织的压力并不能得知，并且植入颅内压探头的位置只能依靠医生的临床经验来确定，这可能产生一定的误差。本研究利用气体动力学颗粒法模拟脑血肿膨胀及颅内压的增高，通过脑中线与侧脑室移位数值、颅内压力数值与临床的数据对比，从而验证该方法的有效性。在此基础上，可获得患者脑组织压力分布云图与颅骨应变云图。由患者脑组织压力分布云图可知，越靠近脑血肿病变的位置压力越大，并且最大正压与负压均出现在脑血肿病变位置，表明颅脑内不同部位的脑组织应力差异较大，较大压力主要集中在病变位置。脑组织的应力是由于受到脑血肿挤压而产生的，因此靠近脑血肿部位的脑组织压力较大，而远离脑血肿部分的脑组织压力较小，这也是造成颅脑内不同部位的脑组织应力差异较大的原因。两组仿真中灰质与白质的最大压力均大于蛛网膜最大压力，这是因为灰质比白质更接近脑血肿病变位置。临床两位患者颅内压数值分别为2 800与2 666 Pa，表明两位患者颅内压轻微增高；而仿真压力云图显示两位患者脑组织的最大压力分别为4 272与5 730 Pa，表明两位患者颅内压分别为中度增高、重度增高[17]。造成一差异的主要原因可能是因为临床上不能准确获取患者颅内压力最大的位置，所以获得的临床颅内压数值可能低于压力云图中的最大数值。根据有限元仿真中颅内压力云图最大的位置植入颅内压探头，将能获得更准确的颅内压数值，同时临床上可根据各部位脑组织的压力做出更准确的诊断。

两组患者的颅骨应变都较小，最大的应变均出现在枕骨大孔附近，这是因为颅内压增高时引起脑脊液向枕骨大孔流动。由于本研究的有限元头部模型建立了一层薄膜封住了枕骨大孔，因此脑脊液并不能从枕骨大孔流出，从而脑脊液挤压枕骨大孔处的颅骨，造成此处出现较大的应变。两组仿真中颅骨应变在颅内压为2 500 Pa左右时，最大应变值为1.375和0.8 με，符合参考文献[6]的研究，再次验证了本方法的有效性。

本研究的不足之处在于实际脑血肿的几何形状十分复杂，仿真的脑血肿只能大致拟合实际脑血肿的几何形状，符合实际脑血肿的体积，因此仿真中的脑中线与侧脑室移位数值与实际数值有少许的差异。

4 结论

本研究根据CT图像获取两组患者的脑血肿体积、病变位置以及侧脑室和脑中线偏移量，在GHBMC模型真实解剖结构的基础上，模拟了患者在受到创伤后脑血肿的占位效应。采用气体动力学颗粒法，模拟脑血肿膨胀及其所引起的颅内压变化。根据实际颅内压探头植入的位置，仿真中所获得的颅内压数值与实际数值基本吻合，同时侧脑室与脑中线移位情况和偏移量均与实际相吻合，验证了此方法的有效性。在此基础上，可观察脑组织压力分布情况，可获得颅内压力的最大位置，为临床上颅内压探头的植入提供准确的位置。

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The Hematoma Expansion and Increasing Pressure in Traumatic Brain Injuries in the Finite Element Simulation Analysis

Cao Libo1Fu Xiaolong1*Zhang Guanjun1Li Na2

1(HunanUniversity，StateKeyLaboratoryofAdvancedDesignandManufacturingforVehicleBody,Changsha410082,China)2(DepartmentofRadiology,TheThirdXiangyaHospitalofCentralSouthUniversity,Changsha410083,China)

The aims of this study are to develop a three-dimensional patient-specific finite element brain model with detailed anatomical structures, and proposed the corpuscular particle method to simulate the cerebral hematoma lead to changes in intracranial pressure. Geometrical data and position of the cerebral hematoma were extracted from a set of medical CT scan images. We used these data to adjust the head model of GHBMC to the geometry of head of patients. Then corpuscular particle method was used to simulate the cerebral hematoma lead to changes in intracranial pressure. Deviation of the cerebral ventricles in the two groups of simulation were 4.6 mm and 5.6 mm, Deviation of the brain midline were 3.7 mm and 3.9 mm, the value of intracranial pressure were stable in 2 680±20 Pa and 2 618±18 Pa. The actual deviation of cerebral ventricles were 4.8 mm and 4.9 mm, The actual deviation of brain midline were 3.7 mm and 3.9 mm, the actual value of intracranial pressure were 2 800 Pa and 2 666 Pa. The data of simulation was in accordance with the actual data. Results showed that the corpuscular particle method was used to simulate analysis of hematoma expansion and intracranial pressure was feasible in theory. This paper can provide the theoretical foundation for the useful clinical application.

intracranial pressure; corpuscular particle method; finite element;cerebral hematoma; the value of deviation

10.3969/j.issn.0258-8021. 2015. 05.008

2015-05-19， 录用日期:2015-08-20

R318.08

A

0258-8021(2015) 05-0574-07

*通信作者(Corresponding author)， E-mail: fxl630718@163.com