《Brain Research Bulletin》：Impact Testing System for an Anthropomorphic Craniocerebral Model with Enhanced Mechanical Fidelity
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开发了一种高保真拟人颅脑模型冲击平台。以毫秒级分辨率捕获动态仿生脑仿体的变形。为验证创伤性脑损伤（TBI）机制和神经损伤模型提供了一种新工具。冲击诱导的人脑组织变形与损伤是脑震荡、弥漫性轴索损伤及其他临床症状的直接原因。然而，当前临床诊断手段存在不足，导致创伤
开发了一种高保真拟人颅脑模型冲击平台。以毫秒级分辨率捕获动态仿生脑仿体的变形。为验证创伤性脑损伤（TBI）机制和神经损伤模型提供了一种新工具。冲击诱导的人脑组织变形与损伤是脑震荡、弥漫性轴索损伤及其他临床症状的直接原因。然而，当前临床诊断手段存在不足，导致创伤性脑损伤（TBI）出现显著漏诊和治疗困难。越来越多的证据表明，TBI并非仅由头部整体加速度或位移引起，而是由颅腔内局部脑组织变形和应变集中所致。因此，全面理解创伤作用下局部脑组织变形的时空演化对于阐明损伤机制和推进临床干预至关重要。为此，研究人员探索了多种途径，包括基于标记磁共振成像（MRI）的活体人体研究、尸体研究、动物模型、颅脑模型、拟人测试装置（ATDs）以及有限元头模型（FEHM）模拟。在实验方法中，生物系统研究——涵盖活体人体受试者和尸体研究——提供了脑生物力学最直接的证据。然而，受伦理约束，活体测量仅限于低于损伤阈值的加速度，且依赖门控重复采样，往往难以捕获快速冲击过程中毫秒级的短暂峰值。尸体研究虽具有出色的解剖保真度，但基于标记的方法本质上局限于少量稀疏离散测量点，难以捕获连续应变场，且内部标记易漂移，无法实现高分辨率应变重建。动物模型受限于解剖和生理差异，难以直接转化至人体。现有拟人颅脑模型在几何上多采用简化球状或壳状结构，无法复现复杂脑解剖；结构上颅骨—脑脊液（CSF）—脑之间的关键耦合常被过度简化或忽略；材料上脑仿体通常由明胶、弹道凝胶或硅胶制成，与真实脑组织的非线性、黏弹性和应变率相关行为存在显著差异。拟人测试装置（ATDs）虽能精确量化头部线性和角加速度，但无法对脑和CSF结构成像，仅能捕获整体运动学，无法揭示组织拉伸或损伤机制。与此同时，有限元头模型（FEHMs）已成为分析颅脑生物力学不可或缺的工具，但其本质上依赖实验数据进行验证，缺乏验证时其预测仍存在不确定性。本研究开发了一套冲击条件下获取人头部高质量实验数据的测试系统。构建了相对早期简化头模型具有更高机械保真度的拟人颅脑模型，集成了透明聚碳酸酯颅骨和浸没于人工脑脊液（CSF）中的仿脑水凝胶仿体。设计了冲击装置以不同速度和方向对颅脑模型施加冲击。采用专门开发的单相机立体数字图像相关（3D-DIC）系统，结合特定的光学折射和畸变校正策略，以毫秒级分辨率测量脑表面变形场。实验观测与几何一致且材料属性与人体头部高度相似的有限元头模型（FEHM）的模拟结果进行了比较。这些比较进一步确立了该系统作为评估和验证人脑有限元头模型（FEHM）的实验基准。
论文解读文章
一、研究背景与问题
创伤性脑损伤（TBI）是二十一世纪最紧迫的健康问题之一，每年导致数百万人残疾和死亡，造成巨大的社会和经济负担。脑震荡、弥漫性轴索损伤等临床症状的直接原因是冲击诱导的人脑组织变形与损伤。然而，当前临床诊断程序存在明显不足，导致TBI的漏诊率和治疗困难居高不下。越来越多的证据表明，TBI并非仅由头部整体加速度或位移单独引起，而是由颅腔内局部脑组织变形和应变集中所决定。因此，全面理解创伤作用下局部脑组织变形的时空演化规律，对于阐明损伤机制和推进临床干预至关重要。
然而，现有研究手段面临诸多固有局限。活体人体研究采用标记磁共振成像（MRI）技术，具有最高的生理真实性，能够量化活体脑中二维（2D）和三维（3D）应变场，但受伦理约束，测量仅限于低于损伤阈值的加速度，且依赖门控重复采样，难以捕获快速冲击过程中毫秒级短时峰值。尸体研究虽具有卓越的解剖保真度，但基于放射性标记或超声晶体（sonomicrometry）的方法本质上局限于少量稀疏离散测量点，难以捕获连续应变场，且内部标记易漂移，无法实现高分辨率应变重建。动物模型虽可施加受控皮质冲击、流体冲击和爆炸暴露以捕获头部运动学、颅内压变化和组织损伤模式，但解剖和生理差异限制了其向人体的直接转化。拟人颅脑模型在几何上多采用简化球状或壳状结构，无法复现复杂脑解剖；结构上颅骨—脑脊液（CSF）—脑之间的关键耦合常被过度简化或忽略；材料上脑仿体通常由明胶、弹道凝胶或硅胶制成，与真实脑组织的非线性、黏弹性和应变率相关行为差异显著。拟人测试装置（ATDs）虽能精确量化头部线性和角加速度，并支撑了头部损伤准则（HIC）和脑损伤准则（BrIC）等指标的发展，但无法对脑和CSF结构成像，仅能捕获整体运动学，无法揭示组织拉伸或损伤机制。有限元头模型（FEHM）已成为分析颅脑生物力学的重要工具，但其本质上依赖实验数据进行验证，缺乏验证时预测存在不确定性，且不同研究报道的损伤阈值差异较大。因此，在单次创伤事件中同时记录脑组织变形的高频、全场、真实时空演化，仍是限制TBI机制理解的关键挑战。
二、研究内容与意义
针对上述问题，本研究开发了一套冲击条件下获取人头部高质量实验数据的测试系统。研究人员构建了基于Total Human Model for Safety（THUMS）V6.1几何的高保真拟人颅脑模型，集成了透明聚碳酸酯颅骨和浸没于人工脑脊液（CSF）中的仿脑水凝胶仿体，设计了冲击装置以不同速度和方向施加冲击，并采用专门开发的单相机立体数字图像相关（3D-DIC）系统结合光学折射和畸变校正策略，以毫秒级分辨率测量脑表面变形场。实验观测与几何一致且材料属性与人体头部高度相似的有限元头模型（FEHM）模拟结果进行了比较。该工作提供了脑生物力学中长期缺乏的实验能力：在生理相关颅脑环境中直接定量观测冲击过程中的脑变形，确立了该系统作为评估和验证人脑有限元头模型（FEHM）的实验基准。
三、关键技术方法
研究人员采用了以下几项关键技术方法：第一，基于THUMS V6.1有限元头几何构建透明聚碳酸酯颅骨模型，通过几何简化和表面平滑消除突变曲率和网格噪声，分为左右半球分别浇铸并紫外固化后拼接，弹性模量约1.2 GPa，安装于Hybrid III颈部；第二，合成仿脑复合水凝胶，由果胶、海藻酸钠（SA）和丙烯酰胺（AAM）通过物理和化学交联形成稳定双网络结构，在0.001、0.1、125和340 s?1应变率下表现出与新鲜猪脑组织相似的压缩响应，捕获了非线性、黏弹性和应变率相关行为；第三，在颅底设置两个圆形端口作为人工脑脊液（CSF）的入口和出口，实现颅内流体环境模拟和静态压力施加与调控；第四，开发了单相机立体数字图像相关（3D-DIC）系统，结合特定的光学折射和畸变校正策略，以毫秒级分辨率测量脑表面变形场；第五，构建几何一致的有限元头模型（FEHM），其材料属性与人体头部高度相似，用于与实验观测进行比较验证。
四、研究结果
4.1 拟人颅脑模型的构建与验证
研究人员基于THUMS V6.1几何构建了拟人颅脑模型。透明聚碳酸酯颅骨通过几何简化和表面平滑处理，消除了突变曲率和网格噪声，分为左右半球分别浇铸并紫外固化后拼接，弹性模量约1.2 GPa，在提供足够结构刚度的同时保持了优异的光学透射性。组装后的颅脑模型安装于Hybrid III颈部。脑仿体采用复合水凝胶制成，由果胶、海藻酸钠（SA）和丙烯酰胺（AAM）协同组合，通过物理和化学交联形成稳定双网络结构。该水凝胶在0.001、0.1、125和340 s?1应变率下表现出与新鲜猪脑组织相似的压缩响应，捕获了其非线性和应变率相关行为，验证了其作为脑组织力学替代物的有效性。
4.2 颅内环境的建立
为模拟颅内流体环境并允许脑脊液（CSF）灌注，研究人员在颅底创建了两个圆形端口作为人工脑脊液（CSF）的入口和出口，为脑仿体创造了与脑脊液（CSF）相关的物理化学环境。这些端口允许在实验中施加和调节颅内静态压力。加载前所有界面均密封以确保长期密封性和流体稳定性。所施加的静态压力对应于冲击前的颅内压，因为生理性心脏和呼吸搏动的时间尺度远长于此处毫秒级冲击响应。研究采用简化的颅骨—脑脊液（CSF）—脑构型，未单独重建脑膜层和相关微结构，这一建模假设基于解剖附着、相对刚度和几何尺度的考虑，在研究所涉及的加载条件下提供了受控且物理上有意义的颅内环境。
4.3 脑仿体水凝胶的力学表征
研究人员采用先前开发的非线性黏弹性本构模型对参考材料行为进行定量描述。该模型结合了超弹性贡献、两个修正Maxwell分支和流体相贡献。在不可压缩和单轴无侧限压缩假设下，轴向Cauchy应力以公式表达。该模型能够描述脑组织在不同应变率下的非线性、黏弹性和应变率相关行为，为脑仿体水凝胶的力学行为提供了定量框架。
五、讨论与结论
讨论部分指出，现有实验方法在空间和时间分辨率之间、生物真实性与加载强度之间往往面临固有取舍。本研究开发的测试系统通过集成高保真拟人颅脑模型和毫秒级分辨率的3D-DIC测量系统，实现了在单次创伤事件中同时记录脑组织变形的高频、全场、真实时空演化，克服了传统方法的局限。实验观测与几何一致的有限元头模型（FEHM）模拟结果的比较，进一步确立了该系统作为评估和验证人脑有限元头模型（FEHM）的实验基准。该工作为创伤性脑损伤（TBI）机制阐明和神经损伤模型验证提供了一种新工具，填补了脑生物力学中直接定量观测冲击过程中脑变形的长期空白。
