儿童颅脑损伤生物力学研究进展

汪家文，黄江，李正东，邹冬华，李竹，王杰，陈忆九

（1.贵州医科大学法医学院，贵州贵阳 550025；2.司法部司法鉴定科学技术研究所上海市法医学重点实验室上海市司法鉴定专业技术服务平台，上海 200063）

儿童颅脑损伤生物力学研究进展

汪家文1，黄江1，李正东2，邹冬华2，李竹1，王杰1，陈忆九2

（1.贵州医科大学法医学院，贵州贵阳 550025；2.司法部司法鉴定科学技术研究所上海市法医学重点实验室上海市司法鉴定专业技术服务平台，上海 200063）

本文综述了儿童颅脑损伤生物力学研究中大脑、颅骨、颅缝及硬脑膜等颅脑材料属性参数检测及儿童颅脑有限元模型构建研究进展，分析目前已建立的儿童颅脑有限元模型的不足，提出应加强儿童颅脑材料属性参数检测研究，建立相关数据库，为建立精准的儿童颅脑有限元模型奠定基础。

法医病理学；法医生物力学；综述；颅脑损伤；有限元模型；儿童

本文就儿童颅脑损伤生物力学研究相关的颅脑材料属性参数检测、已经建立的儿童颅脑有限元模型及其应用情况进行简要综述。

1 儿童颅脑材料属性检测

1.1 大脑

目前，由于儿童大脑实验材料获取不易，其属性检测方面的研究很少。现有报道中，术中切除的大脑标本及动物大脑常被用作实验材料。Prange等[7]研究发现，5岁儿童大脑组织弹性模量和剪切模量均比成人大。该实验结果在幼猪与成年猪、幼年大鼠与成年大鼠身上也得到了验证[14-15]。Chatelin等[16]研究也发现，成人大脑硬度是儿童大脑的3～4倍，并且儿童大脑硬度呈现明显的增龄性变化。Thibault等[17]在小变形响应条件下检测发现，幼年猪的大脑剪切模量比成年猪小，但在5%应变条件下幼年猪的剪切模量比成年猪大。

由于儿童大脑组织材料属性和力学参数的缺乏，儿童颅脑有限元模型常以成人数据按照比例缩放而成，成年动物与幼年动物的比例关系常被用作参考。Prange等[7]通过3～5d龄幼猪大脑的瞬时剪切模量与成年猪的比例为2.04，成年人的大脑组织剪切模量为296 Pa，推断幼儿的大脑组织剪切模量为604 Pa。然而，同类研究[18-20]证实，大脑组织材料属性与年龄并非呈简单的线性关系，单纯利用从动物数据获得的线性比来推断儿童大脑组织的材料属性并不科学，应更多地开展儿童大脑组织的材料属性检测以获得精确的相关数据。

1.2 颅骨

研究[21]表明，对成人颅骨相互垂直的两个方向进行受力测试时模量间差异并无统计学意义。婴（胎）儿颅骨与成人不同，McPherson等[22-23]研究不同胎龄胎儿顶骨弹性模量时发现，骨小梁与样本长轴平行时的结果均为垂直结果的三倍，说明婴幼儿颅骨存在明显的各向异性。

颅骨力学参数还存在增龄性变化。McPherson等[22]研究发现，颅骨弹性模量随着胎儿胎龄增加而增加。Margulies[24]的研究不仅验证了这一结论，而且发现不仅在胎儿，在年龄更大的婴幼儿人群中这一结论依然适用，他们发现6月龄婴儿顶骨弹性模量和极限应力至少是早产儿（孕25～40周）的5倍。Kriewall[23]研究发现，新生儿的顶骨硬度随着孕龄增大而明显增大。Coats等[8]的研究也发现胎儿或婴儿顶骨与枕骨的弹性模量和极限应力呈明显增龄性变化。

目前儿童颅骨力学性能检测的最大年龄是6岁[22]。据报道[8]，6岁儿童顶骨平均准静态弹性模量约是1岁幼儿的18倍，提示学龄前期（6岁前）儿童颅骨材料力学参数增龄性变化持续存在。研究[25-26]表明，成人颅骨的准静态模量是6岁儿童的1.5倍，说明6岁儿童的颅骨力学性能与成人已比较接近。

颅骨不同部位的材料力学参数存在差异。Coats等[8]研究发现顶骨的弹性模量和极限应力均比枕骨高。McPherson等[22]研究了4例额骨的力学参数，结果相近，但由于样本量过小，数据不具有统计学意义。Wang等[6]研究发现，1～2岁婴幼儿额骨的极限应力和弹性模量比顶骨大，极限应变差异不具有统计学意义。

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测试速率对其所检测的颅骨材料属性参数会产生影响，受力方向是否有影响存在争议。Prange等[27]研究发现，新生儿颅骨硬度在动态压缩时比准静态压缩要大，而压缩方向对硬度并无明显影响，这些结果与Hodgson等[28]报道的成人颅骨硬度在前后方向压缩时比左右方向压缩大50%不同。

学者们还对坠落导致的颅脑损伤极限应力等方面进行了研究。Prange等[27]将3个头颅从15cm和30 cm两个不同高度坠落撞击钢板平面，发现颅顶正中的平均撞击力比其他部位明显要大。Holck[29]研究发现，200N和600N的坠落撞击力不会造成婴儿头颅骨折，而800N的撞击力可以造成骨折。Weber[30-31]利用40具新鲜婴儿尸体头颅开展了坠落实验，结果表明，不同材质的接触物对同一高度坠落的头颅可以导致不同程度的骨折。

1.3 颅缝

目前对儿童颅缝材料力学参数的研究还十分缺乏。Coats等[8]测了11个婴幼儿头颅样本中的14个冠状缝试件在1.20～2.38m/s拉伸条件下的张力，发现年龄或应变率单独对冠状缝极限应力、极限应变及弹性模量并无明显影响，该年龄段婴儿颅缝弹性模量、极限应力及极限应变分别为（8.1±4.7）MPa、（4.7±1.6）MPa和（1.5±1.3）mm/min，弹性模量受到年龄和应变率二者联合作用的影响。

Henderson等[32]检测了拉伸条件下2～60d龄实验大鼠矢状缝的力学参数，发现矢状缝的厚度从2d龄到60d龄增加了4～5倍（从0.11mm至0.50mm），硬度增加了4.4倍（8.77～38.3 N/mm），宽度峰值出现在出生后第8天，是出生2d时的175%，而矢状缝的准静态应变与年龄不存在相关性。Wang等[6]研究发现，1～2岁婴幼儿额骨及顶骨的极限应力、弹性模量均比冠状缝及矢状缝大，极限应变则相反，冠状缝与矢状缝的极限应力、弹性模量及极限应变差异均不具有统计学意义。

1.4 硬脑膜

Bylski等[33]对孕30～42周胎儿硬脑膜进行了多组双向拉伸试验，发现硬脑膜在达到极限应变前均需经历6次较大的变形过程，而最后一次变形总是要比前6次变形大。

成人颅脑模型研究显示，硬脑膜可以显著影响头颅侧面撞击时颅内压的响应频率[34-35]，在头颅遭受爆炸冲击伤时，硬脑膜可以降低颅内压、大脑的最大剪切应力及剪切应变，对大脑起保护作用[36]。Galford等[37]研究发现成人硬脑膜的动态复合模量是31.7MPa，从左颞部、右颞部和额部区域大脑剥离的硬脑膜材料属性差异无统计学意义。越来越多的研究证明了硬脑膜对颅脑碰撞反应的重要性，儿童硬脑膜的材料属性研究急需加强。

2 儿童颅脑有限元模型构建及应用

随着有限元模型技术的逐渐成熟，以及从儿童尸体实验中获得的数据积累逐渐增多，儿童颅脑有限元模型也得到了发展。Prange等[7，38]建立了一个儿童颅脑模型和一个成人颅脑模型，以研究两者大脑的力学性质和几何参数差异，但儿童颅脑模型中颅骨被认为是均质刚体的理论已被证实并不符合实际情况。Margulies[24]构建了1月龄婴儿颅脑模型，以探讨婴儿与成人的颅骨性质差异，但其模型大脑材料属性参考了成人数据。此外，Lapeer等构建了一个胎儿模型，Mizuno等和Roth等均建立了3岁儿童颅脑有限元模型，Li等建立了一个6月龄儿童的颅脑有限元模型[39-42]。但他们建立的颅脑模型材料属性参数均不是完全基于儿童颅脑材料属性检测获得的精确参数，而是将大脑看成是均质体，未对白质和灰质加以区分赋值，存在局限性。

国内，阮世捷等[9]与崔世海等[10]分别建立了6岁及3岁儿童颅脑有限元模型，曹立波等[11-12]建立了10岁及3岁儿童颅脑有限元模型，李志刚等[13]通过统计学参数化法建立了新生儿、1.5个月及3个月三个年龄段儿童颅脑有限元模型，他们均利用颅脑模型开展了不同类型的头颅碰撞实验，对模型进行了验证[9-13]。上述七个模型虽然各具特点，但其模型材料属性参数均由参考文献获得，不同程度地参考了成人颅脑材料属性参数，且未将大脑白质和灰质分别进行赋值，就模型精准度来说还存在改进空间。

3 总结

综上所述，人们利用动物颅脑材料实验或成人数据缩放研究儿童颅脑材料属性特点，已获得一些成果，但是动物实验获得的数据并不能直接用于人颅脑有限元建模上，按成人材料属性参数缩放获得的数据已证明并不符合儿童颅脑材料属性的真实情况。已有学者利用儿童活体术后或尸体颅脑材料进行力学参数检测，但相关数据还很缺乏。儿童颅脑有限元模型的建立已有报道，但已建立的模型尚存在材料属性赋值不科学等缺陷，相关问题已引起国内外专家学者的重视。因此，很有必要对儿童头皮、颅骨、颅缝、硬脑膜及大脑等组织进行力学参数检测，以明确其力学参数、材料性能及其影响因素，相关研究有望为建立精准的儿童颅脑有限元模型提供参考依据，为有效地利用模型开展头颅打击、摔跌与高坠等虚拟仿真实验奠定基础。

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Research Progress on Biomechanics of Craniocerebral Injury in Children

WANG Jia-wen1,HUANG Jiang1,LI Zheng-dong2,ZOU Dong-hua2,LI Zhu1,WANG Jie1,CHEN Yi-jiu2
（1.School of Forensic Medicine,Guizhou Medical University,Guiyang 550025,China;2.Shanghai Key Laboratory of Forensic Medicine,Shanghai Forensic Service Platform,Institute of Forensic Science,Ministry of Justice,P.R.China,Shanghai 200063,China）

In the researches of biomechanics for child craniocerebral injury,the research progress of performance parameter detection for brain,skull,cranial suture and dura mater,and the finite element model construction for child’s head were reviewed.Meanwhile,the shortcomings of the established finite element model construction of child's head were analyzed.Thus,it is necessary to strengthen the material properties parameter detection of child's head,and establish the relevant database,so as to lay the foundation for establishing an accurate finite element model of child’s head.

forensic pathology;forensic biomechanics;review;head injury;finite element model;children

DF795.1

A

10.3969/j.issn.1004-5619.2016.06.014

1004-5619（2016）06-0448-04

2016-03-27）

（本文编辑：张建华）

国家自然科学基金资助项目（81660309、81273338）作者简介：汪家文（1981—），博士，讲师，主要从事法医病理学研究；E-mail：wjwwfs@126.com

陈忆九，男，研究员，博士研究生导师，主要从事法医病理学研究，E-mail：yijiuchen@aliyun.com

通信作者：王杰，男，教授，硕士研究生导师，主要从事法医病理学研究，E-mail：wj6400@gmc.edu.cn