头部撞击过程中惯性力分量对大脑造成的局部和全身影响

《Computers in Biology and Medicine》：Local and global effects of inertial force components producing brain strain during head impacts

本研究通过有限元仿真独立量化惯性力各分量对脑应变的影响，验证Holbourn假说的适用边界。真实案例显示欧拉力主导脑应变（97%），但极端情况下线性加速度和离心力亦产生显著应变，表明假说存在局限性。

　　创伤性脑损伤（TBI）是一种由外部机械力引起的脑功能障碍，是全球范围内导致残疾的主要原因之一。在各种运动活动、交通事故以及跌倒等场景中，TBI的发生与头部受到的冲击密切相关。理解头部冲击与脑组织应变之间的关系对于揭示其损伤机制至关重要。本研究旨在探讨不同惯性力分量对脑应变的独立贡献，以澄清Holbourn假说的适用条件。

在TBI研究中，已有大量研究表明脑组织变形是造成损伤的关键因素之一。其中，最大主应变（MPS）作为衡量脑组织变形程度的重要指标，被广泛应用于评估脑损伤的程度。然而，关于不同惯性力分量在脑应变产生中的具体作用，尤其是它们在不同冲击条件下的独立贡献，仍然存在较大的研究空白。本研究通过使用有限元模拟方法，系统地分析了各个惯性力分量对脑应变的影响，并尝试填补这一空白。

人体的颅骨较为厚实且坚硬，因此在大多数情况下，由头部冲击产生的应力波无法穿透颅骨。相反，冲击会导致颅骨的快速旋转，从而使得脑组织因惯性而发生变形。这种现象可以用四个惯性力分量来描述，包括线性力、离心力、欧拉力和科里奥利力。这些力分量与头部的运动学变量密切相关，例如线性加速度、角速度和角加速度等。在这些力的作用下，脑组织会发生不同程度的应变，具体表现形式包括剪切应变、挤压应变和拉伸应变等。

Holbourn假说是在1943年由牛津大学的物理学家A. H. S. Holbourn提出的。他通过一个思想实验，将头部比作一个“细颈瓶”，脑组织则被视为瓶中的水。假说认为，当头部受到旋转加速时，脑组织由于惯性会留在原位，而瓶体则旋转，导致脑组织内部的水颗粒分离，从而产生应变。因此，Holbourn假说强调，脑应变主要由欧拉力（即旋转加速力）引起，而线性力（如加速度）和离心力（如角速度）则不会导致脑组织的显著变形。

然而，随着对TBI研究的深入，越来越多的证据表明，除了旋转加速力之外，其他惯性力分量也可能在某些条件下导致脑应变。例如，在极端冲击条件下，如飞行员弹射或严重的交通事故中，线性力和离心力可能对脑组织产生显著影响。这些发现对Holbourn假说提出了挑战，也促使研究人员重新审视脑应变的产生机制。

为了更全面地理解不同惯性力分量对脑应变的影响，本研究采用了有限元模拟的方法，分别对各个力分量进行独立加载。首先，研究者使用了来自大学美式足球（CAF）的真实头部冲击数据，分析了在典型运动场景中，各个力分量对脑应变的贡献。结果显示，在现实的美式足球头部冲击中，欧拉力是产生最大主应变的主要因素，占总MPS的97%。这一结果与Holbourn假说的预测基本一致，即脑应变主要由旋转加速引起。

然而，为了进一步探索极端条件下的脑应变机制，研究者还设计了合成的正弦波头部冲击数据。这些数据具有更大的角速度和线性加速度，以模拟可能发生在航空或严重交通事故中的极端情况。通过分析这些合成数据，研究者发现线性力和离心力在某些极端情况下也能显著影响脑应变。这一发现表明，Holbourn假说在特定条件下可能并不完全适用，尤其是在那些头部运动学变量超出常规范围的情况下。

在实际应用中，许多现有的头部模型和分析方法主要关注欧拉力对脑应变的影响，而忽略了线性力和离心力的作用。例如，一些有限元头部模型和机器学习模型仅考虑旋转加速作为输入参数，而不包含线性加速度。这种简化虽然在某些情况下可以有效预测脑应变，但在面对更复杂的冲击条件时可能会产生偏差。因此，本研究的结果对于改进现有模型、提高脑损伤预测的准确性具有重要意义。

此外，研究还评估了不同运动学参数对脑应变的阈值影响。结果显示，大多数导致脑损伤的头部冲击都与角加速度超过特定阈值有关，而相应的线性加速度和角速度则通常低于这些阈值。这表明，在实际的运动场景中，角加速度可能是导致脑损伤的关键因素，而线性加速度和角速度的作用相对较小。然而，在极端冲击条件下，这些参数的贡献可能会有所变化，需要进一步研究。

本研究的结论是，尽管欧拉力在常规头部冲击中对脑应变的贡献最为显著，但在某些极端情况下，线性力和离心力也可能对脑组织产生重要影响。因此，未来的研究应更加注重对不同惯性力分量的独立分析，以更全面地理解脑损伤的产生机制。同时，现有的头部模型和分析方法也需要进行相应的改进，以更好地适应各种冲击条件。

本研究的成果不仅有助于提高对TBI机制的理解，还对实际应用中的防护措施和损伤预防具有重要的指导意义。例如，在运动安全、汽车安全以及航空安全等领域，了解不同力分量对脑损伤的影响，可以帮助设计更有效的防护装备和安全措施。此外，研究结果还可以为临床诊断和治疗提供新的思路，帮助医生更准确地评估患者的脑损伤程度。

总之，本研究通过系统的有限元模拟，揭示了不同惯性力分量在头部冲击中对脑应变的独立贡献，并强调了在极端条件下这些力分量可能扮演的重要角色。这些发现不仅挑战了Holbourn假说的某些前提，还为未来的研究提供了新的方向和视角。通过进一步探索不同力分量之间的相互作用，以及它们在各种冲击条件下的具体表现，可以更全面地理解脑损伤的复杂机制，从而为预防和治疗TBI提供更加科学的依据。