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颞骨撞击生物力学参数对中耳损伤的影响
时间:2011-03-14 02:32:42.0 来源:中华耳鼻咽喉-头颈外科网

颞骨撞击生物力学参数对中耳损伤的影响
陈继川1  杨成1  姬长友1  赵辉2 尹志勇2  陈金华3  王毅3
(1.第三军医大学大坪医院耳鼻咽喉-头颈外科,重庆400042;2.第三军医大学大坪医院野战外科研究所四室,车辆/生物碰撞安全重庆市市级重点实验室,重庆400042;3.第三军医大学大坪医院放射科,重庆400042)


摘要:
    目的:探讨颞骨撞击压力、撞击速度、撞击加速度、撞击能量、撞击位移与中耳损伤的关系。
    方法:选取捐赠的新鲜尸头12具,分别在800kPa、1200kPa、1400kPa的驱动压力进行撞击,借助64排CT 的三维立体结构图象,经计算机仿真模拟计算颞骨撞击过程生物应力的分布与传播。
    结果 (1)撞击压力的增加,使撞击速度、撞击加速度、撞击能量、撞击锤在颅骨颞部的位移幅度均增大。(2)撞击驱动压力为800kPa时,同侧线性骨折,未伤及中耳;以1200kPa撞击时,同侧均出现不同程度的骨折,鼓膜撕裂,1例对侧颞骨形成继发性骨折;以1400 kPa撞击颞骨时,双侧均发生骨折,对侧听骨损伤较轻。
    结论  颞骨撞击生物力学参数与中耳损伤程度相吻合。有效降解颞骨撞击生物力学参数对颞骨撞击伤的防护有重要的临床意义。

    颞骨骨折的临床病情复杂严重,处置棘手,常导致中耳并发症,影响患者生活质量[1-3]。目前对颞骨撞击伤的研究不多,特别是颞骨撞击应力分布与骨折间的关系探讨甚少。本研究在准静态下实施颞骨撞击,通过CT三维重建技术,探讨颞骨撞击应力分布、应力波传递及颞骨骨折的特点,为颞骨骨折的诊治提供理论依据。
    1材料与方法
    1.1 材料
    1.1.1 选用捐赠的新鲜尸头12具,男性,年龄26~38岁,平均31岁,重量4.0~5.2kg[(4.6±0.6)kg]。依撞击驱动压力分成三组,即800kPa撞击组、1200kPa撞击组、1400kPa撞击组,每组各4具尸头。
    1.1.2 BIM-Ⅱ型生物撞击机 :由高速气炮、撞击锤及其机座、万向动物固定台、轮轨系统、高压气源等构成。撞击锤重量1.88 kg,撞击面积1589.6mm2。
    1.1.3 高速摄像系统: 美国MotionPro 2000C。
    1.2 方法
    1.2.1 颞骨撞击伤模型的制备: 将尸头固定在试验架上,以左侧颞骨鳞部筛区、鼓部与乳突部交界处为撞击部位,将撞击部位暴露于撞击锤的正前方并与撞击锤的中线重合,侧位正向垂直撞击所选定的位置。
    1.2.2 高速摄像系统摄像: 将高速摄像头固定于撞击锤的正侧方,拍下实验中撞击锤的打击过程,并于高速摄像系统软件中分析撞击时的各种参数。
    1.2.3 中耳探察:在显微镜下,仔细探察颞骨撞击伤模型的双侧鼓膜、中耳腔及其内在结构。 
    2 结果
    2.1 撞击瞬时各项力学参数
    当撞击驱动压力为800 kPa时,撞击加速度为3.6×103 m/s2 , 其瞬时撞击速度为10.1 m/s,  对颞骨的撞击能量高达95.89J。整个撞击过程中,撞击锤的力学曲线详见图1。    

    当撞击驱动压力为1200 kPa时,撞击加速度为5.0×103 m/s2 , 其瞬时撞击速度为14.5 m/s,  对颞骨的撞击能量高达197.64J。整个撞击过程中,撞击锤的力学曲线详见图2。
       
                                                                                         

    当撞击驱动压力为1400 kPa时,撞击加速度为5.4×103 m/s2 , 其瞬时撞击速度为16 m/s,  对颞骨的撞击能量高达240.64J。整个撞击过程中,撞击锤的力学曲线详见图3。

    2.2颞骨撞击后中耳损伤
    当撞击驱动压力为800kPa时,骨折局限在撞击点层面的线性骨折,未伤及中耳;当以1200kPa撞击颞骨时,同侧均出现不同程度的凹陷性骨折及错位,鼓膜撕裂,只有1例波及到对侧颞骨形成继发性骨折;当以1400kPa撞击颞骨时,同侧发生复杂混合型骨折,同侧中耳损伤严重。撞击应力向内传导,均在对侧颞骨形成继发性骨折,并造成颅底骨折,但对侧听骨损伤较轻。
    3  讨论
    3.1颞骨撞击过程撞击参数与骨折的关系
    颞骨结构精细,中耳位于其内,参与组成侧颅底。实验证实,颅骨的不同部位其生物力学特性不同,其抗骨折的能力依次为枕骨、顶骨、额骨和颞骨,颞骨骨折常并发严重的中耳损伤[1,2,3]。本实验采用BIM-Ⅱ型水平生物撞击机在准静态下撞击新鲜尸头颞骨,记录撞击过程的各项生物力学参数并分析发现:随着撞击驱动压力的增加,对颞骨的瞬时撞击速度、撞击加速度和撞击能量均逐步增加;在时间-位移曲线上也反映出随着驱动压力的增加,撞击锤在颅骨颞部的位移幅度增大。与此相呼应的颞骨骨折则通过显微镜检查发现:800kPa组撞击侧颞骨为局部线性骨折,未伤及中耳;当以1200kPa撞击颞骨时,同侧均出现不同程度的凹陷性骨折及错位,多为纵行骨折,鼓膜撕裂,只有1例波及到对侧颞骨形成继发性骨折;1400kPa组撞击侧颞骨为混合型骨折或粉碎性骨折,对侧均有继发性骨折发生,中耳损伤严重。这些结果说明撞击驱动压力愈大,撞击速度就越快,产生的动能就越大,所造成的颞骨损伤程度就越重,骨折的可能性就越大。同时也从侧面反映出颞骨骨折损伤与撞击的能量、速度密切相关,当撞击的速度和能量较小时,只出现局部细小的线性骨折;当撞击的速度和能量较大时,出现较大范围的纵行骨折,亦可出现混合型骨折;当撞击的速度和能量很大时,就会发生混合型骨折,甚至粉碎性骨折。
    3.2颞骨撞击过程生物力学变化与骨折的关系
    颅骨撞击应力的分布与受击点的曲率和颅型有关,颅骨上部解剖结构似工程学上的“薄壳结构”,能分散外力,比同材料、同厚度、同跨度的薄板能承受更大的载荷,而颞骨骨质薄,骨形不规则、不连续,无薄壳结构的优势,在相同的外力作用下,较其它部位容易骨折。无论是正面撞击还是侧向撞击,颞骨较其它颅骨产生的应变更大,且在相同峰值冲击力的作用下,侧向撞击比正面撞击更容易产生骨折[3]。在交通事故伤中,颞骨作为颅骨的一部分,与头部作为一个整体裸露体外,容易受到损伤。为更客观、真实地反映颞骨撞击应力分布与骨折损伤间关系,实验采用人体颞骨撞击,实验发现在颞骨撞击瞬间,即刻形成以撞击点为中心的应力集中区,随后应力波逐渐向周围扩展,直至撞击能量最终消失。在800kpa、1200 kpa和1400 kpa三种驱动压力下,所不同的是各组应力峰值的大小,相同的是应力波均在骨组织传导过程中,骨结构的横截面积陡然减小的区域出现应力集中,而此处即为损害较严重的区域。这说明颞骨损伤与撞击应力的分布相吻合,与撞击点、撞击驱动力、撞击能量、撞击速度等密切相关。若能有效降解颞骨撞击生物力学参数对颞骨撞击伤的防护有重要的临床意义。。

    参考文献
    1. Chen J, Ji C, Yang C, et al. Temporal bone fracture and its complications. Chin J Traumatol,  2001, 4(2): 106-109.
    2. Kinney SE. Violence and the ear and temporal bone. Arch Otolaryngol Head Neck Surg, 1992,118(6):581~583
    3. 陈继川, 杨成, 姬长友,等,颞骨撞击生物力学变化与骨折特点. 中华创伤杂志, 2008,24(11).926-929

 
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