創(chuàng)傷性腦損傷大鼠有限元模型生物力學研究.pdf

1、研究背景及目的：創(chuàng)傷性腦損傷(traumatic brain injury，TBI)是神經外科的常見病、多發(fā)病，始于致傷外力作用于頭部導致的組織機械形變，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機制尚未完全闡明。明確致傷時不同腦組織結構的生物力學機制，可以有效地對TBI損傷程度進行判斷和預防。由于人類發(fā)生TBI時實際頭部受力后的應力應變關

2、系很難獲取，而活體腦損傷力學實驗研究顯然是不現實的，因此各種不同的實驗方法如動物實驗、尸體實驗、腦組織生物材料學實驗等，在腦損傷生物力學研究方面得到不同程度的應用和開展，由于這些相關的實驗方法對腦組織不同結構受力后的生物力學反應無法直接準確獲取和分析，很多研究人員，尤其是醫(yī)學生物學領域的學者將研究側重點轉向了數學模型，其中有限元方法(finite element method，FEM)作為結構分析的一種方法，因其在復雜幾何形態(tài)、非均質類

3、物質分析方面的優(yōu)勢，開始被應用于求解相應物質的力學響應。近年來隨著計算機技術和高等數學，尤其是計算機輔助設計(computer aided design，CAD)技術的發(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變化進行相應的分析。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參數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據很難去和實際損傷現場的數據進行對比，因

4、此，本研究出發(fā)點為選擇合適的動物模型實驗數據與有限元模型分析數據進行比較，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，構建正常大鼠腦部結構三維(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部不同結構的生物力學反應，并應用最大主應變(maximum principal strain，MPS)參數變化對比動物

5、實驗引起的皮層損傷神經元消亡比例的變化，以期利用有限元模型參數的計算和分析來預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元。皮層損傷定量輸出值為損傷側皮層缺失體積占對側半球體積的百分數，海馬神經元輸出值為錐體層CA3高倍鏡視野(high powerfield，HPF)下存活數。數據以均數±標準差表示，多個樣本均數比較采用單因素方差分析(one-way ANOVA)。
　　 結果：皮層損傷定量2.4mm組損傷側缺失體積占對側半球的百分數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組別中神經元存活數26.50±4.18/HPF和2.8mm組別中神經元存活數17.67±4.08/HPF較對照組35.67±6.38/HPF明顯減少(P<0.05)，3.2mm組撞擊出現錐體層損傷，未進行計數。
　　 結論：大鼠CCI模型可以有效造成皮層結構和海馬結構的損傷，其損傷參數的可控性為分析損傷過程的生物力學提供了方便性；不同撞擊深度調節(jié)可作為不同損傷程度的參數；在撞擊參數

8、設定為撞擊物直徑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：構建正常大鼠腦部結構三維有限元模型
　　 方法：根據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軟件對選擇切片數字化處理，留取皮層、皮層下、海馬、側腦室結構，保留立體定向圖片中定位網格線，利用軟件SolidWorks2007在

9、每個基準面上按前后順序，以立體定向網格線提供的坐標、輪廓數據進行二維草繪，以放樣命令連結各個剖面，并應用切除放樣命令先后切除海馬結構和側腦室結構，建立裝配體，選擇海馬、側腦室結構配合形成鏡像實體，保存為xt格式。在軟件Unigraphics NX中導入鏡像實體，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構。在軟件Ansys WorkBench中的Mechanical環(huán)境下按默認設置生成網格，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的網格密度劃分，海馬結構內部組織密度為0.5mm，對側未與撞擊物接觸的半球采用0.5mm的網格密度劃分。
　　 結果：成功構建出含皮層、海馬及側腦室結構的三維大鼠腦有限元模型，同實際解剖幾何形態(tài)相似。成功構建制作損傷的撞擊物模型。模型總單元數205348，總節(jié)點數40412。
　　 結論：構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建

11、復雜形態(tài)結構的腦有限元模型建立提供經濟、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，可以有效地建立復雜結構數學模型，并提高有限元建模的效率。
　　 三CCI動物模型有限元模擬、生物力學分析及皮層損傷與MPS相關性初步研究
　　 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，檢驗不同網格化密度、不同組織衰變常數下生物力學參數變化，選擇合理的網格密度和衰變常數；

12、>　　 2.CCI動物模型有限元模擬、生物力學分析及皮層神經元損傷與MPS相關性初步研究
　　 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，選擇不同網格密度進行對比，分別以2mm、1mm、0.8mm、0.3mm、0.2mm和0.1mm的網格密度進行撞擊模擬，計算選定區(qū)域AREA1中MPS值；網格劃分密度為0.5mm的條件下計算不同的組織衰變常數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設置符合動物

14、實驗條件下的撞擊物參數，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，設置大鼠腦灰質、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，設置邊界條件和初始條件，分別設定淺表皮層、深部皮層、海馬和側腦室中部分區(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構應力、應變、變形關系。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、層損傷定量數據行初步一元線性回歸分析。
　　 結果：
　　 1.隨著網格密度的增加模型的節(jié)點數和網格數成倍增加，不同的網格密度撞擊后選定區(qū)域內MPS的值存在差異；撞擊分析的計算時間隨著網格密度值減小而增加；在選定區(qū)域，隨著網格密度的減小，區(qū)域內MPS相應增加，其增加的趨勢隨著密度值的進一步減小而降低，2mm和1mm網格密度之間MPS的差別是29.5％，0.2mm和0.1mm網格密度之間的MPS的差別是4.0％，0.3mm

16、和0.2mm、0.8mm網格密度之間的MPS差別分別為6.5％和10.4％，鑒于大鼠腦模型外形及內部結構欠規(guī)整，放置大曲率和薄殼均可導致劃分的失敗，選擇0.3mm作為損傷側半球大部分結構的網格密度，兼顧研究有限元模型預測MPS值過程中的準確性和效率性。網格密度0.5mm下改變不同衰變常數，以衰變常數20ms為基數進行比較，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的von Mises應力增加，2.4mm、2.8mm和3.2mm撞擊深度時von Mises應力最大值分別為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、皮層下和海馬結構，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時間步出現應變最大值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變值為1.2535，隨后出現減低，在最大撞擊深度后0.1ms時間步再次出現高峰，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變值為1.5658，并持續(xù)性對高峰至計算結束。在四組感興趣區(qū)域中，不同

19、深度的撞擊模擬中，最高MPS出現在撞擊側皮層區(qū)域，并以從皮層向深部結構傳導。感興趣區(qū)域MPS時間步曲線圖提示撞擊后最高值均出現在撞擊設定時間范圍內。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％。腦室結構內感興趣區(qū)域標記計算MPS值顯示所受到的最大主應變值變化范圍較小，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組別中海馬結構較側腦室結構MPS值分別高29.2％和40.8％，而在3.2mm組中腦室結構在撞擊物達到最大深度后MPS值超過海馬結構，其最大值較海馬結構高27.8％。動物實驗中皮層損傷缺失范圍和有限元模型對應感興趣區(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進行線性相關性比較，R2值分別為0.9953和0.9685。
　　 結論：
　　 1.在進行有限元模型前處理過程中，網

21、格密度越小，模型的網格數越多，計算結果越精確，計算時間越長，網格密度0.3mm能滿足計算精確性要求，且計算時間合理；不同的衰變常數對結果存在影響，20ms的衰變常數對本研究結果影響可接受。
　　 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、應力和應變隨時間步向深部移動變化。有限元模型可以