研究背景头颅钝性损伤在法医鉴定实践中十分常见,位居凶杀案件和意外事故致死原因首位。有关头颅钝性损伤机制方面的研究已有大量报道,其观察和检测手段也从肉眼等宏观水平发展到光镜、免疫组化、分子生物学等微观水平,但在颅脑损伤生物力学响应方面的研究则少见报道,如暴力性因素造成颅脑损伤的力作用部位、力的传导,局部的应力、应变、颅内压等的变化与颅脑损伤形变的关系等。传统单一鉴定和研究方法难以客观准确再现损伤过程,难以对颅脑损伤生物力学响应指标及阈值量化给出清晰直观的解释,也难以满足科学证据客观量化的要求。特别是摔跌伤和打击伤等钝性颅脑撞击伤导致的颅脑损伤机制有时较难判断鉴别,难以满足法庭在案情判断和定罪量刑方面所需证据的需要。随着生物力学技术的发展及其与医学相关学科结合的日益密切,法医生物力学研究及应用也越来越受到重视。通过颅脑损伤生物力学分析可以对颅脑损伤致伤机制给出清晰直观的解释,对颅脑损伤致伤方式的确定也大有裨益。目前,国内外专家学者已经采用人尸体头颅、实验动物、人造物理模型、头颅二维或三维有限元模型等多种实验手段开展颅脑致伤生物力学机制研究,并获得不少成果。不同实验模型在研究颅脑损伤生物力学机制方面具有自身优势,但同时也存在单一实验手段难以克服的弊端。如动物实验可以通过观察动物在颅脑损伤前后的行为学表现、病理生理变化等指标来量化致伤参数与损伤程度的关系,但实验动物与真实人体解剖学结构存在显著差异,实验结果难以直接用于人体颅脑损伤鉴定。人尸体头颅标本实验所获得的应变、颅内压、颅骨骨折阈值等为揭示颅脑损伤机制及头颅防护用具的研制提供直接参考依据,但人尸体标本珍贵,不易获取。头颅有限元模型实验可以展现模型在外力作用下宏观的运动学特征,重现损伤过程,但有限元模型实验与真实情况存在一定差异,包括头颅在损伤过程中的病理生理学变化等有机体响应均无法体现。因此想要完整地呈现颅脑损伤的成伤机制,还需结合其他实验手段综合考虑分析,同时,其他研究手段也可以验证或补充有限元模型实验数据与真实状态的差异程度,为校正或完美该有限元模型提供参考。综上所述,在头颅损伤机制研究中,任何一种实验模型都存在自身的优势,也有一定的缺陷。若要全面地对颅脑成伤机制进行研究分析,最好能结合多种实验手段进行综合研究。尤其是法医实践和研究中经常遇到的一些令人困惑的问题,比如打击与摔跌颅脑损伤应变、应力等力学参数有何变化趋势和规律?它们导致的颅骨骨折形态有何差异?不同打击部位对颅脑损伤的影响有什么不同?不同颅骨和骨缝的力学属性有没有不同?对建立模型有什么意义?等等。因此,本研究拟以尸体头颅标本实验、有限元头颅模型实验、家兔实验和颅骨与骨缝材料力学实验等多种实验手段方式,探讨头颅加速伤与减速伤成伤机制及其差异,以及不同打击部位对颅脑损伤的影响、不同部位颅骨和骨缝的力学属性差异及其对建立模型的意义等问题,着重从生物力学角度,为法医实践案例鉴定中摔跌伤与打击伤的鉴别提供参考依据,并为本研究的后续研究打好基础。第一章应用尸体头颅标本开展颅脑加速伤与减速伤生物力学机制研究目的：以新鲜尸体头颅标本为实验材料,进行水平冲击实验和高处坠落实验,探讨打击伤与摔跌伤的生物力学成伤机制差异。方法：1、实验准备新鲜冷冻尸体头颅标本两个,头颅额部、枕部、右颞部切开头皮,刮除骨膜,暴露颅骨,去除油脂等杂质。在撞击头尾侧安装应力传感器,枕部、右侧颞骨磷部、额骨正中三个部位贴应变片和安装颅内压传感器。2、头颅水平冲击实验将头颅悬吊于水平生物撞击机平台上方,枕部对准撞击头。撞击头平面为直径d=6cm的硬质圆柱体。利用BIM-Ⅱ型水平生物冲击机,分0.68、0.70、0.73、0.76、0.85、0.9MPa六组驱动气压对头颅进行冲击,冲击过程由高速摄像机摄像。每次冲击后均用CT扫描,三维重建,观察颅骨骨折情况。撞击结束后头颅解剖,观察颅骨骨折情况并与三维重建结果进行比较。应力、应变、颅内压等参数结果由数据收集系统自动收集并储存。3、头颅坠落实验以方形钢板作为头颅坠落实验接触平面,头颅以顶枕部作为与底座接触面位置固定,从0.6m、0.9m、1.0m、1.3m、1.6m、1.8m、2.0m七个高度坠落,坠落后均用CT扫描,进行三维重建,分析是否骨折及骨折形态,最后一次实验后头颅解剖观察骨折情况并与三维重建结果进行比较。应力、应变、颅内压等参数结果由数据收集系统自动收集并储存。结果1水平冲击实验1.1峰值撞击力峰值撞击力随着压强增大而成阶梯状增大,到0.76MPa时达到顶点,随后降低(P<0.05)。1.2峰值颅内压额部峰值颅内压随着压强增大而增大,枕部、颞部在0.73MPa组峰值颅内压达到最大值后降低(P<0.05)。枕部、颞部、额部三个部位比较,枕部峰值颅内压最大(0.68MPa组颞部最大)(P<0.05),颞部和额部峰值颅内压大小呈交错排列。1.3峰值应变枕部、颞部、额部最大应变均随着压强增大而增大(P<0.05)。枕部、颞部、额部三个部位比较,枕部应变数值最大(P<0.05),颞部和额部颅内压大小差异不明显(P>0.05)。1.4头颅水平冲击前后颅骨形态变化撞击实验前三维重建头颅图示颅骨外形完好,未发现骨折等异常。0.73MPa压强冲击实验后,对头颅进行CT扫描,然后将扫描数据导入mimics15.0进行三维重建。三维重建头颅图示颅骨枕部出现一线形骨折,骨折线起于人字缝右侧1cm处,向颅底部略偏左延伸。0.85MPa压强冲击实验后,三维重建头颅图示颅骨枕部线形骨折裂缝增宽,并在人字缝左上端及右下端各出现一小块约1.5x0.8cm及1.0x0.8cm的游离碎骨片。0.9MPa压强冲击实验后,三维重建头颅图示沿颅骨枕部线形骨折裂缝两侧出现多块大小不一的游离碎骨片,呈粉碎性骨折。0.95MPa压强冲击实验后,对头颅进行解剖,肉眼见颅盖骨枕部呈粉碎性骨折,骨折碎片共10块,大小从1.2x0.3cm至2.5x15.0cm不等。2坠落实验2.1峰值撞击力峰值撞击力随着坠落高度增高呈阶梯状增大,坠落高度为1.8m时达到顶点,随后降低。2.2峰值颅内压枕部颅内压最大,其次为额部,颞部最小。2.3峰值应变枕部应变最大,其次为额部,颞部最小(P<0.05)。从总体看,三个部位应变值均随着坠落高度增大而增大。2.4头颅坠落前后颅骨形态头颅坠落实验前,对头颅进行CT扫描,然后将扫描数据导入mimics15.0进行三维重建。三维重建头颅图示颅骨外形完好,未发现骨折等异常。1.3m高度坠落实验后,对头颅进行CT扫描,然后将扫描数据导入mimics15.0进行三维重建。三维重建头颅图示颅骨枕部出现一线形骨折,骨折线起于枕骨粗隆左侧缘,向颅底部左侧延伸。1.6m高度坠落实验后,三维重建头颅图示枕骨线形骨折间隙略增宽,且略向枕骨粗隆上方延伸约lcm。1.8m高度坠落实验后,三维重建头颅图示枕骨线形骨折间隙较1.6m增宽。2.0m高度坠落实验后,对头颅进行解剖。见枕骨左侧至颅底见一线形骨折,与三维重建图相吻合。结论1、虚拟解剖三维重建可以反映颅骨骨折情况。2、头颅从0-2m高度坠落,枕部与撞击平面碰撞,颅骨骨折形态为线形骨折,高度增大骨折间隙增宽。水平冲击实验,0.73MPa压强冲击后枕骨出现线形骨折,0.85MPa及0.9MPa压强冲击后枕骨呈粉碎性骨折。冲击压强越大,骨折程度越严重。3、坠落实验,颅内压总体呈先增大后减小趋势。三个部位比较,枕部颅内压最大,其次为额部,颞部最小。水平冲击实验,颅内压总体呈先增大后减小趋势。三个部位比较,枕部颅内压最大,其次为额部,颞部最小。4、应变方面,坠落实验和水平冲击实验应变均呈递增趋势。三个部位比较,水平冲击实验,枕部应变最大,额部和颞部差异不明显。坠落实验,枕部应变最大,额部其次,颞部最小。5、综上,利用尸体头颅标本探讨颅脑损伤生物力学机制时,在颅骨发生骨折尤其是严重骨折前意义较大,到后期颅脑受损尤其是出现较严重骨折时会对颅骨撞击力、应变、颅内压等参数产生影响,研究意义受限,需综合分析。第二章THUMS4.0模型在颅脑加速伤与减速伤生物力学机制研究中的应用目的尸体头颅标本实验在颅脑损伤机制尤其是骨折机制研究中具有独特优势,但是进行大量尸体标本实验显然不现实,且颅骨发生骨折尤其是严重骨折后对其生物力学参数具有较大影响,使其研究范围受到局限。本章拟以THUMS4.0人体头颅有限元模型进行头颅摔跌伤和打击伤实验,进一步研究摔跌伤与打击伤的生物力学机制差异,并以尸体头颅模型实验结果与有限元模型结果进行对比探讨模型的实用性。方法2.1水平冲击实验将头颅三维有限元模型竖直放置,模仿人站立位时头颅的位置。铁棒一端圆平面按2.4m/s、3.4m/s、4.2m/s、4.8m/s、5.4m/s、5.9m/s、6.4m/s、6.9m/s、7.3m/s、7.7m/s共十个速度对头颅枕部进行撞击。采用面-面接触算法,选取额部、颞部、顶部、枕部四个部位,分析其峰值应力、峰值应变及峰值颅内压。结果以数据、图片、动画等形式输出。2.2坠落实验将头颅置于0.3m、0.6 m、0.9 m、1.2 m、.5 m、1.8 m、2.1m、2.4m、2.7m、3.0 m不同高度,头颅自由落体从高处下落,枕部撞击地面硬板。同水平冲击实验一样选取额部、颞部、顶部、枕部四个部位,分析其峰值应力、峰值应变及峰值颅内压。结果以数据、图片、动画等形式输出。结果1.1峰值颅内压随着撞击速度增大,颅内压逐渐增大,在5.9m/s撞击速度(颞部)或6.4m/s撞击速度(额部、枕部、顶部)时达峰值,后逐渐下降。相同撞击速度,枕部颅内压最大,其次为顶部,颞部和额部交错排列。1.2峰值应力随着撞击速度增大,峰值应力逐渐增大。头颅不同撞击部位最大峰值应力集中在6.4m/s(额部)、6.9m/s(枕部、颞部)和7.7m/s(顶部)。到6.9m/s撞击速度后,额部、顶部、颞部、枕部四个部位峰值应力总体呈下降趋势。相同撞击速度,枕部峰值应力最大,其次为额部,颞部和顶部交错排列。1.3峰值应变枕部峰值应变先是随着打击速度增大而增大,在4.8m/s至6.9m/s打击速度之间趋于稳定,随后急剧下降。额部、颞部、顶部在打击实验前后未发生明显应变过程。2坠落实验2.1峰值颅内压随着坠落高度增大,峰值颅内压逐渐增大。头颅不同部位最大峰值颅内压集中在1.2m坠落高度,随后呈下降趋势。相同撞击速度,枕部颅内压最大,其次为额部,颞部和顶部交错排列。2.2峰值应力枕部、颞部、额部、顶部峰值应力呈递增趋势。不同部位,以枕部峰值应力最大,其次为顶部,额部和颞部差异不明显。2.3峰值应变峰值应变先随着坠落高度增大而增大,至1.8m坠落高度时达峰值后急剧下降,然后稳定在较低水平,与颅骨出现较严重骨折有关。结论1、虚拟冲击、虚拟坠落实验与尸体头颅冲击实验峰值颅内压总体均先增大后减小,不同部位比较,以枕部峰值颅内压最大。虚拟实验与尸体头颅标本实验结果趋势一致。2、峰值应力方面,虚拟水平冲击实验,峰值应力随着撞击速度增大而先增大后减小。相同撞击速度,枕部峰值应力最大,其次为额部,颞部和顶部交错排列。虚拟坠落实验峰值应力,枕部、颞部、额部、顶部峰值应力呈递增趋势。不同部位,以枕部峰值应力最大,其次为顶部,额部和颞部差异不明显。3、应变方面,虚拟冲击实验枕部峰值应变先随着打击速度增大而增大,在4.8m/s至6.9m/s组之间趋于稳定,随后急剧下降。虚拟坠落实验枕部峰值应变先随着坠落高度增加而增加,在1.8m坠落高度达峰值后急剧下降,随后处于低水平稳定状态。应变范围局限于枕部,在周边骨缝处中断,因而额部、颞部、顶部未检测到应变变化。综上,THUMS4.0头颅有限元模型水平冲击实验及坠落实验峰值应力、应变、颅内压变化与尸体头颅标本实验结果趋势基本一致,反映其实用性较好。但同时也存在一定局限性。第三章家兔头颅钝性撞击部位与颅脑损伤关系研究目的通过家兔头颅水平冲击实验,弥补尸体头颅标本以及头颅三维有限元模型实验难以反映活体响应的缺陷,探讨不同撞击部位对颅脑损伤及死亡率关系。方法成年健康新西兰大白兔,雌雄不拘,随机分为枕部致伤组、颢部致伤组、顶部致伤组3组,每组7只,共21只。实验时家兔采用正侧卧(顶部撞击)、斜侧卧(枕部撞击)、俯卧(右颞部撞击)体位置于撞击台上,头颅呈自由状态,利用BIM-Ⅱ型生物撞击机,在550kpa压强冲击下,使铁棒平行正对家兔枕部、右颞部、顶部进行水平冲击。测量家兔顶部、左颞部、枕部颅内压。记录家兔致伤后生命体征变化,计算家兔伤后即刻死亡率。结果1家兔伤后即时死亡率撞击家兔头颅不同部位,家兔死亡率存在差异。撞击颞部死亡率最高,达42.86%。其次为枕部,死亡率为28.7%,撞击顶部死亡率最低,为14.29%。2不同撞击部位家兔峰值颅内压撞击顶部时,枕部峰值颅内压比左颞部大(P<0.05)：撞击右颞部时,左颞部峰值颅内压比枕部大(P<0.01)。撞击枕部时,额部峰值颅内压比左颞部大(P<0.05)。从数值上看,撞击顶部时枕部峰值颅内压最高,为1647.43±81.71 kpa；其次为左颞部峰值颅内压,为1550.40±55.87 kpa。3不同撞击部位家兔颅脑损伤情况分析顶部致伤组：6例头皮下见血肿,3例骨折,主要位于顶部、颞部、颅中窝,线性骨折2例,环形骨折1例。4例有硬膜下血肿。4例见蛛网膜下腔出血。3例颅底见血肿。4例见脑挫伤,其中骨折3例均见脑挫伤。脑挫伤部位顶部冲击伤2例,顶部冲击伤伴颅底对冲伤1例,颅底对冲伤1例。右颞部致伤组：3例见头皮下血肿,5例见骨折,其中4例为线性骨折,1例为粉碎性骨折。3例有硬膜下血肿。5例见蛛网膜下腔出血,均伴随骨折。1例颅底见血肿。5例见脑挫伤,其中骨折4例见脑挫伤,另有1例未发生骨折也见脑挫伤。脑挫伤中右颞部冲击伤4例,伴左颞部对冲伤1例。枕部致伤组：5例见头皮下血肿,2例见骨折,均为线性骨折。4例有硬膜下血肿。4例有蛛网膜下腔出血,包含2例骨折在内。顶部少量出血,2例颅底、小脑周围见出血。3例见脑挫伤,其中枕部冲击伤2例,额部对冲伤1例。结论1、撞击家兔头颅不同部位,家兔死亡率存在差异,由高到低分别为：颞部>枕部>顶部。家兔死亡率与颅骨骨折、蛛网膜下腔出血、脑挫伤发生比例结果一致,与颅内压大小不成正比。2、撞击家兔头颅不同部位,颅骨骨折发生比例由高到低分别为：颞部>枕部>顶部,脑挫伤发生率由高到底分别为：颞部>顶部>枕部。3、颞部、枕部、顶部致伤组均出现对冲伤,但出现比例均较低(顶部2/7、右颞部和枕部均为1/7)。第四章婴幼儿头颅不同部位颅骨与骨缝生物力学特性研究目的成人有限元头颅模型较多,且不少都已经过有效性验证。但婴幼儿头颅有限元模型较少见,其关键原因是缺乏头颅相关材料力学属性。在法医实践中婴幼儿头颅损伤案例逐渐增大,国内外相关研究都遭遇瓶颈,主要原因在于婴幼儿头颅材料属性尚存空白,使得相关研究进展受限。本章拟检测并比较婴幼儿头颅不同部位颅骨和骨缝试件材料生物力学属性差异,以便建立更为精确有效的婴幼儿头颅有限元模型,为日后开展婴幼儿头颅打击和摔跌实验研究提供材料力学属性参考。方法1试件准备颅骨和骨缝试件取自于7个冰冻幼儿尸体头颅颅骨。每个头颅样本提取8个测试试样(长6cm,宽1cm)：额骨、顶骨、冠状缝(顶骨-冠状缝-额骨)、矢状缝(顶骨-矢状缝-顶骨)各2片。游标卡尺测量每一骨缝厚度,并测量样本断裂部位横截面的宽度和厚度。2机械测试利用博士材料试验机对所有试件进行三点弯曲压缩实验,压缩速度为1.5mm/s。压缩测试前,每个样本均用两个支撑结构支撑住试件两端,以防滑动。所有测试数据由博士材料试验机自带的数据收集系统自动收集。3数据分析机械测试时56个样本的力-位移曲线被记录下来,据此计算极限应力、弹性模量和极限应变。4统计分析数据用均数±标准差表示。组间差异的统计学意义用Student-Newman-Keuls单向方差分析比较。P<0.05为差异具有统计学意义。所有统计分析用SPSS 17.0计算。结果额骨的极限应力和弹性模量均大于顶骨(前者P<0.01,后者P<0.05),极限应变差异不具有统计学意义(P>0.05)。额骨、顶骨的极限应力均大于冠状缝和矢状缝(额骨、顶骨均P<0.01)、冠状缝和矢状缝极限应力差异不显著(均P>0.05)。额骨和顶骨弹性模量均大于冠状缝和矢状缝(均P<0.01),冠状缝和矢状缝的弹性模量差异不具有统计学意义(均P>0.05)。额骨和顶骨应变均小于冠状缝和矢状缝(其中额骨、顶骨与矢状缝比较均P<0.01,额骨、顶骨与冠状缝比较均P<0.01),冠状缝和矢状缝的极限应变差异均不具有统计学意义(均P>0.05)。结论1-2岁婴幼儿额骨、顶骨的极限应力、弹性模量均比冠状缝、矢状缝大,极限应变则相反。额骨极限应力、弹性模量比顶骨大,极限应变差异不具有统计学意义。冠状缝与矢状缝的极限应力、弹性模量和极限应变差异均不具有统计学意义。在建立婴幼儿头颅有限元模型时,额骨与顶骨、颅骨与骨缝间材料属性应分别赋值,冠状缝与矢状缝可看成为均一材料属性进行统一赋值。全文小结1、颅骨线形骨折可由打击形成,也可由摔跌形成。颅骨粉碎性骨折可考虑小平面物体在较大力度打击下形成。2、颅骨骨折会对撞击力、颅内压、应力、应变大小产生影响,枕部撞击与摔跌伤,颅内压、应力、应变均以枕部最大。3、头颅三维有限元模型虚拟实验与尸体头颅标本实验结果趋势一致,可用于颅脑损伤生物力学机制研究。4、撞击家兔头颅不同部位,家兔死亡率存在差异,由高到低分别为：颞部>枕部>顶部。家兔死亡率与颅骨骨折、蛛网膜下腔出血、脑挫伤发生比例结果一致,与颅内压大小不成正比。5、在建立婴幼儿头颅有限元模型时,额骨与顶骨、颅骨与骨缝间材料属性应分别赋值,冠状缝与矢状缝可看成均一材料统一赋值。