头部旋转运动中儿童头部尺寸和几何形状对脑组织损伤指标的影响*

李蓓， 阮世捷， 李海岩， 崔世海， 贺丽娟

(天津科技大学 损伤生物力学与车辆安全工程中心，天津 300222)

1 引 言

TBI导致的精神问题或疾病有可能伴随患者一生，给社会和家庭带来巨大压力和经济负担[1]。许多学者借助成人头部有限元模型(基于解剖图、CT扫描[2]或MRI影像[3])研究顿挫伤[4](如交通事故)、搏击致伤[5]、跌落伤[6-7]以及运动接触[3,8]或爆炸[9]引起的脑损伤及其损伤机理,发现头部的旋转运动是引起TBI的主要原因[2]。与成人相比，儿童头部损伤的相关研究较少，其中大部分模型的年龄范围在0～3岁[10-11]。这些模型用来研究儿童颅骨的材料属性[12-13],或者通过重构儿童头部尸体跌落试验研究颅骨骨折风险[13-14]。然而，脑损伤的损伤机理与颅骨骨折不同，并且头部的形态和结构经历的变化随年龄的增长不呈线性关系[12]。因此，作为儿童脑损伤的初步研究，首先要明确不同年龄段的儿童头部在结构、尺寸等方面的差异，以及这些差异对损伤评估带来的影响。

成人头部损伤研究中，Kleiven[15]重构了头部直线撞击仿真实验，发现颅骨应力和颅内压力峰值都随头部尺寸的增大而增大。Wang[16]的研究表明脑组织响应对头部尺寸较敏感，却不受头部不同几何形状的影响。然而，这些研究并未深入讨论头部不同尺寸和几何形状对脑组织应变及应变分布的影响。儿童头部损伤研究中，Loyd[17]借助185个儿童头部CT数据开发了12个年龄段的头颅三维轮廓，确定了不同年龄段儿童颅骨形状特性的差异。Danelson[18]借助MRI影像量化了随着年龄的增长和性别的不同，儿童脑组织形状和尺寸的改变。这些研究都强调了在构建儿童头部有限元模型过程中考虑头部不同尺寸和结构的重要性，并没有具体分析儿童头部生物力学响应。

基于以上讨论，本研究深入探讨了头部/脑组织大小和形状对脑组织应变评估的重要性。明确说明，有必要构建适合于儿童的头部有限元模型来研究儿童头部损伤。

2 材料与方法

本研究借助第50百分位成人、6岁儿童和3岁儿童头部有限元模型，见图1。伦理道德一直是制约儿童头部材料参数研究的关键因素，一些基于动物尸体试验发现[19-20]，幼儿阶段和成人阶段的脑组织样本剪切模量在统计学上没有表现出显著差异。因此，很多研究都借助成人头部材料参数研究儿童头部损伤[21-22]。在本研究中，三个模型的颅-脑接触界面和脑组织材料的本构模型及参数均参考了成人头部有限元模型(simulated injury monitor ，SIMon)[2]，其中除眼睛和唇部采用固联接触外，其余都通过共节点方法将不同部位的软组织连接起来。

图1 头部和脑组织有限元模型 (a).50th成人;(b).6岁和3岁儿童Fig.1 Head and brain FE models representing

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

首先，根据1～6岁儿童头部不同百分位与头部周长之间的关系[23](见图2)，借助Mertz[24]提出的缩放方法(式1)分别将3岁和6岁儿童头部有限元模型缩放至其第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分别代表同一年龄所对应的不同百分位的头部周长、宽度和长度。缩放的头部是用来获得与6岁和3岁儿童平均头部尺寸接近的模型，从而讨论不同头部尺寸对脑组织应变的影响。

图2 人体测量研究得到的头围随年龄百分位数的变化

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

然后，根据式(1)，将3岁和6岁儿童头部分别缩放至第50百分位成人头部有限元模型，使得缩放后的两个儿童模型与第50百分位成人头部模型具有相同的头部尺寸，从而研究头部形状对脑组织响应的影响。

鉴于本研究侧重的是头部的尺寸和几何形状对脑组织损伤预测的影响，因此头部模型重构了已发表文献中提到的NFL (Case 157)[25]头部碰撞试验。仿真实验中，颅骨简化为刚体，将试验中头部经历的直线和旋转加速度载荷直接加载到有限元头部模型刚性颅骨重心，模拟头部经历碰撞过程中的运动。仿真计算在有限元分析软件LS-DYNA中完成。

3 结果

3.1 头部尺寸对脑组织响应的影响

由图3可以看出，脑组织最大主应变随头部尺寸的增大而增大，相邻百分位之间应变增大的比率均为1.041。并且三个6岁儿童头部缩放模型经历的应变均高于相对应的3岁头部缩放模型，分别高出17.89%(第5百分位)、18.91%(第50百分位)、18.62%(第95百分位)。

由图4可以看出，同一年龄中CSDM同样随头部尺寸的增大而增大。当应变阈值大于0.1时，6岁儿童脑组织的CSDM大于相对应的3岁儿童头部，然而，当应变阈值等于0.1时，两组儿童头部缩放模型经历几乎相似的CSDM。

由图5和图6的应变分布云图可以明显看出，随着头部尺寸的增大，脑组织应变分布未发生明显变化，并且两组仿真实验中，最大主应变均出现在大脑皮质，只是在6岁儿童缩放模型中，大量的应变还集中出现在中脑区域。

图3头部不同尺寸下脑组织最大主应变对比(a).脑组织体积;(b).头部周长;(c).头部长度;(d).头部宽度

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

图4 应变阈值为0.1、0.15、0.2和0.25时的CSDM值(a).脑组织体积;(b).头部周长;(c).头部长度;(d).头部宽度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

图5 6岁儿童模型的应变分布(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

图6 3岁儿童模型的应变分布(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 头部几何形状对脑组织响应的影响

由图3可以看出，第50百分位成人头部模型经历了最大的脑组织应变，并且其头部周长和长度均大于两个儿童头部缩放模型，然而，脑体积以及头部宽度尺寸却最小。对于6岁儿童缩放模型，具有最大的脑体积和最小的头部长度。较明显的是，成人模型和6岁儿童缩放模型具有相似的周长，分别为54.5 cm和54.05 cm，并且两个模型的最大主应变也非常接近(分别为0.47和0.45)。3岁儿童缩放模型具有最大的头宽和最小的周长，其脑组织经历的应变也较低，分别低于成人模型和6岁儿童缩放模型17.03%和14.32%。

当应变阈值为0.1时，三个模型的CSDM非常接近，分别为0.96、0.95和0.97，见图4。当应变阈值等于0.15时，成人模型经历最高的CSDM，而此时两个儿童缩放模型的CSDM却相近，约为0.77。当应变阈值大于0.15时，成人模型和3岁儿童缩放模型分别具有最高和最低的CSDM。

图7为三个模型的应变分布云图，较明显的是在大脑区域三个模型具有相似的应变分布，其中最大主应变均出现在大脑外围，只是两个儿童缩放模型经历的应变较低。此外，较大的差异出现在6岁儿童缩放模型的中脑和3岁儿童缩放模型的脑干处，这两处区域出现了较大应变。

图7脑组织应变分布(a).第50百分位成人;(b).6岁儿童头部缩放模型;(c).3岁儿童头部缩放模型

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 讨论

仿真实验结果表明，在头部旋转运动中，脑组织应变和CSDM对头部尺寸非常敏感，成正比关系。当应变阈值大于0.1时，头部尺寸越大，脑组织经历较大应变的体积范围就越大，尤其体现在中脑区域。由此表明，相同加速度载荷作用下，脑组织损伤风险随着头部尺寸的增大而增大，但损伤部位没有明显变化。

本研究中，第50百分位成人头部有限元模型的几何结构是基于群体的统计测量，而6岁和3岁儿童头部数据来自于个体。三个模型虽然具有相同的头部尺寸，但脑组织体积、头部周长、长度和宽度都具有一定差异，使得三个模型具有不同的几何特征。仿真实验结果表明，脑组织应变和CSDM与头部形状不成比例关系，说明脑组织损伤风险对头部几何特征不敏感。但脑组织应变分布却随着头部几何结构的改变集中出现在中脑(6岁儿童)和脑干(3岁儿童)区域。由此说明，头部形状之间的差异不影响脑组织损伤严重程度，但影响应变集中的区域。

基于以上研究结论，真实的头部模型和缩放方法得到的头部模型在尺寸(脑组织最大主应变)和形状(应变分布)方面表现出较大的差异。因此，建议有必要从真实的CT数据或MRI影像建立儿童头部有限元模型，而不是通过缩放的方法预测儿童脑损伤风险。此外，在预测儿童脑损伤风险时，最好考虑儿童头部尺寸的变化对应变的影响。

5 附录 有限元模型的验证

本研究对Hardy[26-27]的三个尸体头部撞击试验(前额(C383-T1)，枕骨(C755-T2)，顶骨(C393-T4))进行重构，借助试验中的颅脑相对位移验证了三个头部有限元模型的有效性。在仿真实验中，三个模型均缩放至尸体试验中样本的尺寸。对模型施加了试验中测得的包括直线加速度和角加速度在内的6组头部质心加速度。

图8为三个试验中给定的中性密度靶(neutral density targets, NDT)位置的颅脑相对位移试验和仿真曲线。可以看出，颅脑相对位移仿真曲线在数值和变化趋势上都与试验结果非常接近。借助相关性分数(correlation score, CS)来量化模型验证的结果，三个模型的平均CS分数分别为85.29、84.43和85.85，与Total Human 模型 (THUMS; 平均CS分数为 85.52)[28]和DHIM(Dartmouth Head Injury Model; 平均分数为83.37)[3]接近,并且根据Lange[29]中的逼真度评级可知，本研究中三个模型均表现出了较好的分数。

图8仿真实验与尸体试验颅脑相对位移结果(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