高速破片冲击猪下颌骨对颞下颌关节损伤机制的研究

贾骏麒 王敬夫 赵铱民 田磊 马秦

现代战争中高能爆炸武器的大量应用使得破片取代枪弹成为造成作战人员和战区平民伤亡最主要的致伤因素[1-2]。颌面部因其相对暴露的解剖位置、复杂的结构特点和对功能、美观的重要作用，已经成为战创伤研究的重点和难点[2-4]。在下颌骨受到外力冲击时，颞下颌关节(tempromandibular joint, TMJ)极易受到损伤，约占下颌骨骨折的26%～57%[5]，关节区的骨折和软组织损伤可引起疼痛、咬合错乱、张口受限、面部偏斜等症状，甚至可导致关节强直的发生[6]，继而对伤员的容貌和颌面部功能造成严重影响。髁突颈部因其较细的解剖特点是TMJ最易发生骨折的部位，此外，由于颞下颌关节窝骨质极薄，在某些情况下冲击力可沿髁突传导至此导致关节窝骨折造成颅脑损伤[7-8]。本研究基于二级轻气炮和相关测量系统建立了高速破片伤生物力学研究模型，分析破片在不同速度冲击猪下颌骨时其颞下颌关节区的受力特点，对高速冲击引起TMJ损伤的机制进行探讨，从而为此类损伤的诊断和救治提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料和设备

新鲜离体长白猪头12 只(宰杀后用保鲜膜包裹以防脱水，并在8 h内完成实验)；30CrMnSi合金圆柱体破片(质量1.0 g，尺寸Φ5.5 mm×5.5 mm)；二级轻气炮；V711型高速摄影机(Phantom，美国)； DPO4034型示波器(Tektronix，美国)；CA- YD- 111A加速度传感器、CA- YD- 126加速度传感器(江苏联能电子技术有限公司);350 Ω应变片(中航工业电测仪器股份有限公司)等。

1.2 实验分组

低速组(900 m/s)4 只；中速组(1 200 m/s)4 只；高速组(1 500 m/s)4 只。

1.3 猪头的预备

在猪头额部正中去除4 cm×4 cm的软组织，暴露骨面后用沾透无水酒精的纱布覆盖在骨面进行脱水，每3 min更换纱布；解剖分离下颌角颊侧软组织直达骨面，上界至颧弓和关节囊，前界至磨牙后区，同样采用上述方法脱水。40 min后用电热吹风机吹干骨面至发白并打磨平整，在处理好的骨面周围用凡士林和干纱布隔水。

1.4 传感器的布置

用电钻在猪头右侧和左侧下颌角部相同位置打孔，并用螺丝底座分别将1 枚加速度传感器固定，定义右侧为1#、左侧为2#传感器。将调好的302胶均匀涂抹在额部骨面，加速度传感器测量面向右布置在胶上并压紧，定义为3#传感器；至胶彻底变成乳白色，用鱼口钳验证粘结是否牢固。保持应变片的零线和火线至少4 mm的间距并用透明胶带固定，将其测量面紧贴骨面布置在双侧髁突颈部，并保证其测量长轴与髁突颈部长轴一致。定义右侧为1#、左侧为2#应变片，用502胶水粘接并大力紧压至少2 min，后用透明胶带覆盖以起到保护和隔水的作用。将所有的传感器通过电荷放大器与示波器相连(图 1)。

1.5 加载与数据采集

将猪头放置到二级轻气炮的靶室内，以右侧为迎弹面，调整位置使气炮的激光准星对准猪头下颌角部并保持其矢状面与弹道垂直。验证连接无误后关闭靶室，将轻气炮各部件按要求装入相应装置，完毕后用真空机对炮管和靶室抽真空，对轻气炮的一级和二级气室充入高压氮气，调试激光测速仪和高速摄影机无误后电引信触发。

观察猪头大体形态和高速摄影录像，将示波器中的数据导出并用Origin 8.0(OriginLab，美国)进行测量和分析。所有猪头均进行CT扫描(层厚2.5 mm)，将DICOM格式数据导入MIMICS 15.0(Materialize Inc. 荷兰)进行三维重建和分析。

图 1 加速度传感器及应变片的布设

2 结 果

除高速组1 发破片从左侧颊部穿出外，其余破片均最终停留在猪头内。破片在颊部皮肤形成直径小于2.5 cm的圆形入口，穿透软组织后造成下颌角部形成粉碎性骨折区。继续向对侧穿透，大多停留在对侧下颌骨或颧骨内侧，少数停留在骨内。

各组数据在示波器上显示的原始波形如图 2所示。经换算并整理后结果见表 1。

2.1 各点加速度与破片速度之间的关系

所有组的1#加速度最大、2#次之、3#最小，它们之间的比值在低速组约为8∶1.9∶1，在中速组约为9.9∶2∶1，在高速组约为10.2∶2∶1。随着破片速度的增加，各点加速度数值均有所增大，1#加速度增大比例约为1∶1.28∶1.38，2#加速度约为1∶1.11∶1.17，3#加速度约为1∶1.01∶1.04。

2.2 各点应变与破片速度之间的关系

所有组的1#应变均大于2#应变，它们之间的比值在低速组约为2.87，在中速组约为2.43，在高速组约为1.70。随着破片速度的增加，两侧髁突颈部应变值均有所增大，1#应变增大比例约为1∶1.72∶1.43，2#应变增大比例约为1∶1.75∶2.88(图 3)。

表 1 不同速度下各测量点加速度和应变值

图 2 应变(A)和加速度(B)测量原始波形示意图

图 3 不同速度下各点力学参数均值比较

3 讨 论

加速度和应变是表征物体运动和受力的重要力学参数，其中加速度是物体在单位时间内速度的增加量，其数值与物体所受到的力和物体的质量相关；应变是物体在受力过程中单位长度上的形变量，其数值与物体的受力和其材料学特点相关。在本研究中，为减小因材料学性能不同导致的误差，我们将传感器布设在左右对称的位置以保证双侧应变测量点的材料学性能一致；下颌骨本身是一个整体，故迎弹侧和对侧的加速度关系不受质量的影响，对于下颌骨与颅部之间质量的差异，就本研究的目的而言，加速度作为表征物体受力后运动趋势的物理量，对解释我们所关注的下颌骨与颅部的相对运动造成的颞下颌关节损伤机制更具说服力。

当下颌骨受到来自侧方的冲击时，破片在弹着点沿其弹道方向对下颌骨产生力的作用，并沿下颌骨的马蹄形结构以及下颌骨与颅骨之间的软连接(主要是颞下颌关节)分别向对侧和颅部传播。这种应力传导可分解为2 种形式：一种是与弹道方向平行的导致下颌骨甚至是整个头部的侧向力；另一种是沿下颌骨马蹄形结构使下颌髁突沿其长轴向关节窝及颅内冲击的轴向力。侧向力是造成下颌骨髁突颈部等薄弱部位发生线性骨折最主要的致伤因素，其主要机制是产生髁颈骨质的剪切性破坏，也是造成髁颈侧向移位最主要的因素[9]；轴向力是造成髁突颈部粉碎性骨折的重要因素，其主要引起髁颈压缩性形变、驱使髁突向颅内冲击，导致关节结构的挫伤甚至穿透关节窝突入颅内造成颅脑损伤，当应力超过骨质的材料学极限后即发生粉碎性骨折[10]。

在研究中我们发现：①当高速破片冲击下颌骨时，在选取的几个测量点中，迎弹侧受到的侧向力和轴向力数值均是最大的，据此可认为迎弹侧在受到冲击后发生损伤的几率和严重程度也是最大的，这提示我们在这类创伤的救治中应着重检查受打击侧颞下颌关节的损伤情况；②对侧所受的侧向力和轴向力仅次于迎弹侧，其中侧向力大约为后者的1/5～1/4，轴向力约为后者的1/2～2/3。侧向力在下颌骨两侧之间衰减较为明显的原因可能为应力在马蹄形结构的传播过程中因骨质具有一定弹性而形成了一定的缓冲。应注意的是，虽然其所受的侧向力较迎弹侧衰减较为明显，但应力并没有消失，而是在传播过程中发生了能量的吸收，鉴于下颌骨正中联合和颏孔区同样是其解剖薄弱部位和骨折好发部位，故对此类伤员在临床救治过程中切不可忽视对下颌骨对侧和几个薄弱部位的检查；③相对于侧向力而言，对侧髁突颈部所受轴向力的衰减仅不足50%可能是由于轴向的应力波在沿下颌骨马蹄形传播过程中其方向始终与下颌骨形态向一致，衰减仅由沿骨面切线方向的骨质压缩吸能引起[11]。而轴向力作用于颞下颌关节区时可造成骨质的压缩进而发生骨折，继续传播作用于颞下颌关节盘和关节窝，严重的可冲破关节窝造成颅内损伤。这提示对于此类伤员在诊治时应对迎弹侧和对侧颞下颌关节受伤情况同样重视，切不可简单根据X线片上未见明显骨折段移位就判断对侧关节区未受严重创伤，而是应结合高分辨率的CT和临床查体结果综合判断关节区软硬组织损伤情况，对于关节窝骨折的伤员应请神经外科会诊，避免贻误抢救时机；④与下颌骨迎弹侧和对侧相比，侧向力在颅部衰减较为明显，仅为迎弹侧的1/10～1/8，这可能是由于下颌骨与颅骨之间的连接结构为颞下颌关节和一些软组织，应力波在这些软连接部位发生了大量的能量吸收。但恰恰是这些被吸收的能量导致这些结构在整个致伤过程中可能受到严重的损伤，在临床救治中对关节附属结构以及周围肌肉韧带的检查应作为此类伤情的常规检查项目。

综合以上研究结果，可以得出结论：在下颌骨受到来自侧向的高速破片冲击时，引起髁突颈部线性骨折的侧向力主要作用在迎弹侧，故对于髁颈线性骨折的救治重心应放在迎弹侧，但同时不能忽略对下颌骨对侧和几个薄弱部位的检查；引起髁突粉碎性骨折和关节窝损伤的轴向力除在迎弹侧作用明显外，在对侧也未大量衰减，故对于髁颈粉碎性骨折和关节窝骨折的检查应双侧并重；除此之外，因颞下颌关节及其周围软组织在受伤过程中吸收了大量能量，对关节附属结构和肌肉韧带损伤的检查与治疗同样重要。

本研究通过采用目前国内外最先进的实验加载和测量手段在下颌骨和颅部选取的几个部位测量加速度、应变等力学参数分析了在下颌骨受到来自侧向的高速破片冲击时颞下颌关节部位受到创伤的特点，其准确性、科学性和实验的可重复性都较以往研究有了较大提高。本研究所建立的实验模型可以对颌面部多组织器官高速破片伤的致伤机制进行研究，并可以在此模型的基础上进行改造实现对高速冲击下生物组织材料力学响应进行进一步深入探索，是颌面部战创伤研究的优良实验平台。