1、研究背景及目的：創(chuàng)傷性腦損傷(traumatic brain injury，TBI)是神經(jīng)外科的常見病、多發(fā)病，始于致傷外力作用于頭部導(dǎo)致的組織機械形變，進而引起原發(fā)性損傷和繼發(fā)性損傷引起廣泛的臨床癥狀和功能障礙，對人類健康危害極大，已經(jīng)成為目前社會公共衛(wèi)生問題，對于原發(fā)性腦損傷詳盡的生物力學(xué)機制尚未完全闡明。明確致傷時不同腦組織結(jié)構(gòu)的生物力學(xué)機制，可以有效地對TBI損傷程度進行判斷和預(yù)防。由于人類發(fā)生TBI時實際頭部受力后的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)

2、系很難獲取，而活體腦損傷力學(xué)實驗研究顯然是不現(xiàn)實的，因此各種不同的實驗方法如動物實驗、尸體實驗、腦組織生物材料學(xué)實驗等，在腦損傷生物力學(xué)研究方面得到不同程度的應(yīng)用和開展，由于這些相關(guān)的實驗方法對腦組織不同結(jié)構(gòu)受力后的生物力學(xué)反應(yīng)無法直接準確獲取和分析，很多研究人員，尤其是醫(yī)學(xué)生物學(xué)領(lǐng)域的學(xué)者將研究側(cè)重點轉(zhuǎn)向了數(shù)學(xué)模型，其中有限元方法(finite element method，F(xiàn)EM)作為結(jié)構(gòu)分析的一種方法，因其在復(fù)雜幾何形態(tài)、非均質(zhì)類

3、物質(zhì)分析方面的優(yōu)勢，開始被應(yīng)用于求解相應(yīng)物質(zhì)的力學(xué)響應(yīng)。近年來隨著計算機技術(shù)和高等數(shù)學(xué)，尤其是計算機輔助設(shè)計(computer aided design，CAD)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的有限元模型被建立并用來進行對人類顱腦損傷后引起的生物力學(xué)變化進行相應(yīng)的分析。但是在進行人類顱腦損傷有限元模型建立和分析過程中，一方面人類不同腦組織的生物力學(xué)參數(shù)的獲取存在一定局限性，另一方面其所獲得的有限元模型分析數(shù)據(jù)很難去和實際損傷現(xiàn)場的數(shù)據(jù)進行對比，因

4、此，本研究出發(fā)點為選擇合適的動物模型實驗數(shù)據(jù)與有限元模型分析數(shù)據(jù)進行比較，我們選擇大鼠可控性皮層撞擊(controlled cortical impact，CCI)動物模型作為研究對象，構(gòu)建正常大鼠腦部結(jié)構(gòu)三維(three dimensional，3D)有限元模型，模擬動物實驗中的損傷過程，分析不同皮層撞擊深度下大鼠腦內(nèi)部不同結(jié)構(gòu)的生物力學(xué)反應(yīng)，并應(yīng)用最大主應(yīng)變(maximum principal strain，MPS)參數(shù)變化對比動物

5、實驗引起的皮層損傷神經(jīng)元消亡比例的變化，以期利用有限元模型參數(shù)的計算和分析來預(yù)測實驗動物的損傷程度。主要研究工作包括：
　　 一大鼠可控性皮層損傷動物模型的建立和皮層、海馬損傷定量分析
　　 目的：建立大鼠CCI實驗動物模型，不同損傷程度皮層、海馬損傷定量
　　 方法：應(yīng)用帶立體定向裝置的可控性皮層損傷裝置，建立對照組、2.4mm、2.8mm和3.2mm的動物損傷組。應(yīng)用Cresyl Violet染色觀察各實驗組

6、大鼠皮層損傷范圍和海馬存活神經(jīng)元。皮層損傷定量輸出值為損傷側(cè)皮層缺失體積占對側(cè)半球體積的百分數(shù)，海馬神經(jīng)元輸出值為錐體層CA3高倍鏡視野(high powerfield，HPF)下存活數(shù)。數(shù)據(jù)以均數(shù)±標準差表示，多個樣本均數(shù)比較采用單因素方差分析(one-way ANOVA)。
　　 結(jié)果：皮層損傷定量2.4mm組損傷側(cè)缺失體積占對側(cè)半球的百分數(shù)3.65±2.11，2.8mm組為7.83±2.53，3.2mm組為12.85±3.

7、02(P<0.05)。海馬CA3錐體層2.4mm組別中神經(jīng)元存活數(shù)26.50±4.18/HPF和2.8mm組別中神經(jīng)元存活數(shù)17.67±4.08/HPF較對照組35.67±6.38/HPF明顯減少(P<0.05)，3.2mm組撞擊出現(xiàn)錐體層損傷，未進行計數(shù)。
　　 結(jié)論：大鼠CCI模型可以有效造成皮層結(jié)構(gòu)和海馬結(jié)構(gòu)的損傷，其損傷參數(shù)的可控性為分析損傷過程的生物力學(xué)提供了方便性；不同撞擊深度調(diào)節(jié)可作為不同損傷程度的參數(shù)；在撞擊參數(shù)

8、設(shè)定為撞擊物直徑5mm、撞擊速度4m/s條件下，3.2mm撞擊深度不建議作為大鼠重度腦損傷分級建立標準。
　　 二正常大鼠腦三維有限元模型
　　 目的：構(gòu)建正常大鼠腦部結(jié)構(gòu)三維有限元模型
　　 方法：根據(jù)正常大鼠立體定向解剖圖譜，選取冠狀位25張切片為對象，利用Photoshop CS軟件對選擇切片數(shù)字化處理，留取皮層、皮層下、海馬、側(cè)腦室結(jié)構(gòu)，保留立體定向圖片中定位網(wǎng)格線，利用軟件SolidWorks2007在

9、每個基準面上按前后順序，以立體定向網(wǎng)格線提供的坐標、輪廓數(shù)據(jù)進行二維草繪，以放樣命令連結(jié)各個剖面，并應(yīng)用切除放樣命令先后切除海馬結(jié)構(gòu)和側(cè)腦室結(jié)構(gòu)，建立裝配體，選擇海馬、側(cè)腦室結(jié)構(gòu)配合形成鏡像實體，保存為xt格式。在軟件Unigraphics NX中導(dǎo)入鏡像實體，建立撞擊物物模型，撞擊物直徑5mm，撞擊方向垂直，撞擊接觸面為皮層結(jié)構(gòu)。在軟件Ansys WorkBench中的Mechanical環(huán)境下按默認設(shè)置生成網(wǎng)格，定義單元類型，選擇s

10、olid164四面體單元，目前對模型和撞擊物接觸的半球采用0.3mm的網(wǎng)格密度劃分，海馬結(jié)構(gòu)內(nèi)部組織密度為0.5mm，對側(cè)未與撞擊物接觸的半球采用0.5mm的網(wǎng)格密度劃分。
　　 結(jié)果：成功構(gòu)建出含皮層、海馬及側(cè)腦室結(jié)構(gòu)的三維大鼠腦有限元模型，同實際解剖幾何形態(tài)相似。成功構(gòu)建制作損傷的撞擊物模型。模型總單元數(shù)205348，總節(jié)點數(shù)40412。
　　 結(jié)論：構(gòu)建完成三維大鼠腦有限元模型。帶有立體坐標標記的大鼠圖譜切片為構(gòu)建

11、復(fù)雜形態(tài)結(jié)構(gòu)的腦有限元模型建立提供經(jīng)濟、簡單和準確的解剖信息；通過圖像處理軟件、計算機輔助分析軟件和有限元軟件，可以有效地建立復(fù)雜結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型，并提高有限元建模的效率。
　　 三CCI動物模型有限元模擬、生物力學(xué)分析及皮層損傷與MPS相關(guān)性初步研究
　　 目的：
　　 1.建立大鼠腦簡單化2D模型，有限元模擬皮層撞擊過程，檢驗不同網(wǎng)格化密度、不同組織衰變常數(shù)下生物力學(xué)參數(shù)變化，選擇合理的網(wǎng)格密度和衰變常數(shù)；

12、>　　 2.CCI動物模型有限元模擬、生物力學(xué)分析及皮層神經(jīng)元損傷與MPS相關(guān)性初步研究
　　 方法：
　　 1.利用大鼠腦立體定向圖譜冠狀縫后方3.48mm層面冠狀位切片提供的解剖信息，在軟件Unigraphics NX6.0中建立四邊形區(qū)域的平面模型和撞擊物模型，在軟件Ansys WorkBench軟件中建立Explicit dynamic分析模塊，設(shè)置腦組織屬性，包括密度值、楊氏模量、泊松比和粘性剪切模量，設(shè)置邊

13、界條件和初始條件，標記2個不同區(qū)域AREA1、AREA2，選擇不同網(wǎng)格密度進行對比，分別以2mm、1mm、0.8mm、0.3mm、0.2mm和0.1mm的網(wǎng)格密度進行撞擊模擬，計算選定區(qū)域AREA1中MPS值；網(wǎng)格劃分密度為0.5mm的條件下計算不同的組織衰變常數(shù)5ms、10ms、20ms和40ms下選定區(qū)域AREA1和AREA2的MPS值。
　　 2.模擬CCI動物實驗制作過程，利用軟件AnsysWorkbench設(shè)置符合動物

14、實驗條件下的撞擊物參數(shù)，包括撞擊物材料屬性、撞擊物直徑和撞擊速度，撞擊深度分別為2.4mm、2.8mm和3.2mm，設(shè)置大鼠腦灰質(zhì)、腦室及海馬材料屬性，包括密度值、楊氏模量、泊松比和粘性剪切模量，設(shè)置邊界條件和初始條件，分別設(shè)定淺表皮層、深部皮層、海馬和側(cè)腦室中部分區(qū)域作為感興趣區(qū)域，利用軟件Ansys12軟件分別模擬不同撞擊深度下的不同腦組織結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變、變形關(guān)系。模型計算的不同損傷程度下皮層感興趣區(qū)域MPS值與動物實驗計算獲取的皮

15、層損傷定量數(shù)據(jù)行初步一元線性回歸分析。
　　 結(jié)果：
　　 1.隨著網(wǎng)格密度的增加模型的節(jié)點數(shù)和網(wǎng)格數(shù)成倍增加，不同的網(wǎng)格密度撞擊后選定區(qū)域內(nèi)MPS的值存在差異；撞擊分析的計算時間隨著網(wǎng)格密度值減小而增加；在選定區(qū)域，隨著網(wǎng)格密度的減小，區(qū)域內(nèi)MPS相應(yīng)增加，其增加的趨勢隨著密度值的進一步減小而降低，2mm和1mm網(wǎng)格密度之間MPS的差別是29.5％，0.2mm和0.1mm網(wǎng)格密度之間的MPS的差別是4.0％，0.3mm

16、和0.2mm、0.8mm網(wǎng)格密度之間的MPS差別分別為6.5％和10.4％，鑒于大鼠腦模型外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)欠規(guī)整，放置大曲率和薄殼均可導(dǎo)致劃分的失敗，選擇0.3mm作為損傷側(cè)半球大部分結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格密度，兼顧研究有限元模型預(yù)測MPS值過程中的準確性和效率性。網(wǎng)格密度0.5mm下改變不同衰變常數(shù)，以衰變常數(shù)20ms為基數(shù)進行比較，選定的淺部區(qū)域AREA1計算MPS值變化范圍未超過3.2％，深部區(qū)域AREA2模型計算MPS值變化范圍為0.1％。<

17、br>　　 2撞擊深度的增加相對應(yīng)的von Mises應(yīng)力增加，2.4mm、2.8mm和3.2mm撞擊深度時von Mises應(yīng)力最大值分別為0.57064Mpa、0.64684Mpa和3.0449Mpa。在所有三組不同撞擊深度的模型中，撞擊物下方的區(qū)域均具有最大變形，并隨著輻射方向逐漸減弱。達到最大撞擊深度后，隨著撞擊物回縮變形程度逐漸減小，在2.4mm撞擊深度組別中，變形組織主要涉及皮層、皮層下和海馬結(jié)構(gòu)，隨著撞擊深度增加，變形累

18、及丘腦及深部組織。在所有三組不同撞擊深度的模型中，應(yīng)變值隨著撞擊深度增加而遞增，在2.4mm組中達到最大撞擊深度后0.05ms時間步出現(xiàn)應(yīng)變最大值1.1179，之后隨著時間步增加而減低，在2.8mm組中達到最大撞擊深度時應(yīng)變值為1.2535，隨后出現(xiàn)減低，在最大撞擊深度后0.1ms時間步再次出現(xiàn)高峰，達到1.5571，而后逐漸降低。在3.2mm組中達到最大撞擊深度時應(yīng)變值為1.5658，并持續(xù)性對高峰至計算結(jié)束。在四組感興趣區(qū)域中，不同

19、深度的撞擊模擬中，最高MPS出現(xiàn)在撞擊側(cè)皮層區(qū)域，并以從皮層向深部結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)。感興趣區(qū)域MPS時間步曲線圖提示撞擊后最高值均出現(xiàn)在撞擊設(shè)定時間范圍內(nèi)。在不同撞擊深度組別中，2.4mm和3.2mm中淺部皮層的MPS值最高，分別較深部皮層高1.2％，11.1％，在2.8mm中深部皮層的獲得MPS最高值，較淺部皮層高4.4％。腦室結(jié)構(gòu)內(nèi)感興趣區(qū)域標記計算MPS值顯示所受到的最大主應(yīng)變值變化范圍較小，曲線幅度變化較其他三組感興趣區(qū)域小，在2.4m

20、m和2.8mm組別中海馬結(jié)構(gòu)較側(cè)腦室結(jié)構(gòu)MPS值分別高29.2％和40.8％，而在3.2mm組中腦室結(jié)構(gòu)在撞擊物達到最大深度后MPS值超過海馬結(jié)構(gòu)，其最大值較海馬結(jié)構(gòu)高27.8％。動物實驗中皮層損傷缺失范圍和有限元模型對應(yīng)感興趣區(qū)域計算MPS值行線性回歸分析，淺部皮層和深部皮層區(qū)域與動物實驗皮層缺失百分數(shù)進行線性相關(guān)性比較，R2值分別為0.9953和0.9685。
　　 結(jié)論：
　　 1.在進行有限元模型前處理過程中，網(wǎng)

21、格密度越小，模型的網(wǎng)格數(shù)越多，計算結(jié)果越精確，計算時間越長，網(wǎng)格密度0.3mm能滿足計算精確性要求，且計算時間合理；不同的衰變常數(shù)對結(jié)果存在影響，20ms的衰變常數(shù)對本研究結(jié)果影響可接受。
　　 2.實驗很好的模擬了CCI動物實驗制作流程，就撞擊深度2.4mm、2.8mm和3.2mm分別進行了計算機模擬撞擊大鼠腦皮層過程。當撞擊物達到最大撞擊深度后，在撞擊載荷下，腦組織表面的變形、應(yīng)力和應(yīng)變隨時間步向深部移動變化。有限元模型可以