兔坠落式颅脑减速伤的实验研究
作者：赵辉，尹志勇，陈蓉，张伟国，董蕻，刘盛雄，张绍祥，王正国
【摘要】 目的 研究兔坠落式颅脑减速伤模型及探讨其损伤机制。方法 用自行设计的减速伤致伤装置复制兔坠落式颅脑减速性损伤。致伤装置由滑动导轨、动物固定台车、基座、撞砧及支架等部分组成。55只家兔分为对照组(10只)和致伤组(45只)，致伤组又根据坠落的高度不同随机平均分为3组,Ⅰ组2.5m，Ⅱ组3.5m，Ⅲ组7.0m。将兔仰卧固定于动物固定台车上从不同高度坠落，其颅顶部撞击基座上的撞砧，用高速摄像观察兔颅脑减速伤致伤过程。从动物伤后行为、CT影像、大体解剖观察和病理变化等四方面对兔颅脑损伤进行研究。结果 Ⅰ、Ⅱ组动物伤后4小时存活9只和6只，Ⅲ组动物致伤后即刻死亡。Ⅰ组CT影像观察和解剖未见颅脑损伤;Ⅱ组致伤后出现颅骨骨折、脑挫伤、硬膜下出血、对冲伤和轻微脑实质出血;Ⅲ组均出现了颅骨骨折、脑挫伤、硬膜下出血、脑实质出血和对冲伤。颅脑减速伤的病理改变主要为出血性脑挫伤。结论 坠落高度(减速度)对颅脑损伤的程度有影响，对冲伤在严重颅脑减速伤中尤为明显。
【关键词】 颅脑损伤;减速伤;生物力学;兔
Abstract： Objective To build the animal model of deceleration?induced brain injury due to falling and study its injury mechanism.Methods The deceleration?induced brain injury was produced in rabbits by utilizing an impactor setup consisting of four steels for sliding,a sled,a base,an impactor platform and a supporting frame.Ten of 55 rabbits were in the control group,while 45 rabbits in the experimental group were divided into 3 groups averagely at random according to the falling height： 2.5m in group Ⅰ,3.5m in group Ⅱ,7m in group Ⅲ.The rabbits were fixed backlying on the sled and fell from varying height.The process of injury?inducing was recorded with high speed camera.The characteristics of deceleration?induced brain injury was investigated from rabbits behavior after injury,CT image,gross anatomy and pathophysiological changes.Results Nine rabbits survived in group Ⅰ and 6 in group Ⅱ within 4 hours after injury,and all rabbits died at once after injury in group Ⅲ.No brain injury was observed in group Ⅰ.There was skull fracture,brain contusion,subdural hemorrhage,contrecoup injury and slight parenchyma hemorrhage in some rabbits in group Ⅱ.There was skull fracture,brain contusion,subdural hemorrhage,contrecoup injury and parenchyma hemorrhage in all rabbits in group Ⅲ.The main pathophysiological changes of deceleration?induced brain injury was hemorrhagic brain contusion.Conclusion The severity of injury was affected by the falling height.Contrecoup injury could be observed obviously in severe deceleration?induced brain injury.
Key words：brain injury;deceleration?induced injury;biomechanics;rabbits
颅脑减速伤是运动着的头颅突然碰撞在外物上，迫使其瞬间由动态转为静态，因此而造成的脑损伤[1]。颅脑减速伤在事故、坠落事故中较常见[2-4]，且损伤重。近年来，虽然也有关于颅脑减速伤的临床报道[5，6]和实验研究[7，8]，但关于颅脑减速伤的实验研究鲜有报道，对于颅脑减速伤的伤情特点及生物力学致伤机制还不十分清楚。本文拟研制减速伤致伤装置，并复制兔颅脑减速伤的动物模型，以此来探讨其损伤生物力学机制。
材料与方法
1 致伤装置设计
减速伤致伤实验首先必须使实验对象获得足够高的初速度。本文所研制的减速伤致伤装置根据势能与动能转化原理来获得初速度，实验对象的初速度由坠落高度来进行控制。本装置由滑动导轨、动物固定台车、基座、撞砧及支架等部分组成(图1)。滑动导轨安装于固定的上下基座之间，由4根钢丝组成，其松紧程度由下方基座处的钢丝预紧拉索调节。动物固定台车沿导轨滑动的自由行程为7.0m，行程高度由标尺标示。台车四周安装的滚动轴承使台车沿滑动导轨自由上下滑动。动物固定在动物台车上，头部由支架托起，使其预定位置正对撞砧。动物固定台车和基座之间放置缓冲块，根据缓冲块特性如弹性系数、厚度来对台车与基座之间撞击产生的减速度进行调节，也起到保护台车的作用。
2 实验动物及分组
健康家兔55只，雌雄不拘，体重(2.0±0.5)kg(大坪野战外科研究所实验动物中心提供)，分为对照组(10只)和致伤组(45只)。致伤组又按坠落高度随机平均分为3组，Ⅰ组(2.5m)，Ⅱ组(3.5m)，Ⅲ组(7.0m)。动物一般状况良好，实验前4小时禁饮、禁食。3%戊巴比妥钠行耳缘静脉麻醉(剂量30mg/kg)进行气管插管。
3 动物致伤
兔以仰卧姿态被固定在台车上，用支架托起头部，使兔颅顶部对准撞砧，将台车分别从标尺处的2.5、3.5和7.0m位置坠落，对家兔进行致伤。用高速摄像对动物致伤过程进行观察[9]。
4 伤情观察
4.1 一般观察 观察动物致伤后4小时内的意识状况、生命体征和存活情况。
4.2 CT影像观察[10] 每组动物致伤后3～4小时之内，随机抽样(对照组6只，Ⅰ组9只、Ⅱ组10只、Ⅲ组11只)进行64排CT扫描。
4.3 光镜观察 致伤后4小时活杀动物(致伤后即刻死亡的动物4小时后再行解剖)，切开头部皮肤，检查致伤局部有无皮下血肿及颅骨骨折等情况，然后剥开颅骨，观察脑组织的挫裂伤分布范围。
在损伤边缘部位取材做光镜检查。光镜标本置于10%中性甲醛溶液中固定，常规乙醇脱水、二甲苯透明、石蜡包埋、切片观察(苏木精?伊红染色)。
4.4 电镜观察 本文重点观察了兔颅脑撞击部位和对冲部位伤后4小时电镜下的变化。实验过程：取损伤部位边缘，用2.5%戊二醛固定，0.1m磷酸缓冲液(MPBS)漂洗2次(10min/次)，1%锇酸后固定2小时，丙酮梯度脱水，环氧树脂618包埋，半薄切片定位，超薄(70nm)，铀染，铅染，荷兰飞利浦TECNAI10电镜观察。
结 果
1 减速伤致伤高速摄像观察
兔从预设高度坠落，台车撞击缓冲块缓冲停止。兔头部保持惯性继续运动，兔颅顶部撞击突起撞砧，头颅停止运动，兔头部因惯性作用保持向下运动趋势，兔头颅向下挤压变形，最后停止运动。致伤过程颈部基本保持平衡状态，头颅没有产生旋转加速。头颅变形程度Ⅲ组最强，Ⅱ组次之，Ⅰ组最弱。
2 伤情观察
2.1 一般观察 兔致伤后即刻呼吸急促，心率加快，有呼吸暂停现象。Ⅰ、Ⅱ组动物伤后4小时存活9只和6只，Ⅲ组伤后即刻死亡。Ⅰ组存活家兔伤后3小时清醒，能自由行走;Ⅱ组1只兔子出现角弓反张，存活家兔对外界刺激反应迟钝;Ⅲ组6只家兔致伤后出现口鼻、耳朵出血，5只家兔出现粪便排泄。
2.2 颅脑减速伤的CT影像观察 颅脑减速伤伤情的CT影像可见颅骨骨折、硬膜下血肿、蛛网膜下腔出血、脑挫裂伤和颅内积气等[10]。Ⅰ组所有动物、Ⅱ组3只动物CT影像呈阴性。
2.3 颅脑减速伤的大体解剖观察 Ⅰ组3只动物在颅顶撞击位置处有皮下出血区和骨膜出血，1只动物颅底充血，未发现肉眼可见颅脑损伤。Ⅱ组动物中5只出现颅骨骨折、6只蛛网膜下出血、13只硬膜下出血，9只脑挫伤等。Ⅲ组动物损伤最为严重，均出现了颅骨骨折、脑挫裂伤、硬膜下出血。骨折部位主要位于撞击位置和颅底，颅脑撞击位置有挫伤区，颅底部位的颅脑挫伤更严重。Ⅱ、Ⅲ组中均发现了对冲伤，在颅脑挫裂伤区的脑实质有针尖状的弥漫性出血点。Ⅲ组动物脑挫伤范围较Ⅱ组动物广，损伤程度也最重，Ⅰ组损伤程度最轻。同一组别动物中，颅底损伤较颅顶更严重(图2)。
2.4 颅脑减速伤的光镜观察 光镜下可见颅脑减速伤的病理改变为出血性脑挫伤。Ⅰ组动物的撞击部位和颅底部位在镜下可见脑膜充血。Ⅱ组动物在撞击部位及颅底挫伤区镜下有充血、出血、水肿现象。Ⅲ组动物在撞击部位及颅底挫伤区镜下可见脑出血和脑室出血(图3)。
2.5 颅脑减速伤的电镜观察 电镜下对Ⅰ、Ⅱ组实验动物进行超微病理观察(Ⅲ组致伤即刻死亡，未进行后续超微病理观察)。Ⅰ、Ⅱ组伤后4小时电镜下显示，血管周围明显水肿，轴突轻度肿胀，神经元核不规则，线粒体明显肿胀，空泡化，脊断裂，内质网明显扩张(图4)。
讨 论
目前己知的创伤性颅脑损伤的力学机制主要包括加速伤、减速伤、旋转剪切力伤和挤压伤等,其中减速性颅脑损伤又被认为是最为严重的致伤机制。沈勇[7]用新鲜动物脑组织填充尸体颅骨以模拟新鲜“头颅”，然后在头颅上安装加速度、应力和压力传感器，并通过这些传感器的输出来研究颅脑损伤，结果表明，颅脑在受到加速或减速冲击载荷时损伤情况有显著差异。Yanagida等[11]曾使用防腐尸体从一定高度落下，碰撞一固定的撞击头,以研究人体头部减速伤发生时的情况,尽管整个实验非常逼真,但因组织降解,未能反映颅脑减速伤病理改变。
研制减速伤模型并进行减速伤研究，首先需要解决的问题是让实验对象获得初速度。有多种方法可以让实验对象运动起来，如用重力加速[10]、电机钢缆牵引[9]和橡筋收缩加速[8]，就实验精度和可重复性上看，电机钢缆牵引无疑是一种较好的选择，但其试验成本高。因橡筋的材料属性随疲劳程度、温度变化有较大差异，用该方法可能会面临着实验的稳定重复性问题。由此可见要研制真正意义上的减速伤动物模型非常困难，这可能也是减速伤生物实验研究鲜有报道的原因。从本研究的试验结果看，作者所研制的致伤装置通过动物坠落高度来调节动物坠落速度，实验原理简单，操作方便，可重复性强，能够复制多种损伤程度的动物减速伤模型，有利于颅脑减速伤的后续研究。
从损伤生物力学机制上看，头?颈部的生理解剖方式使头颈部在遭受加速和减速冲击载荷时头部动力学有所区别。头部在遭受加速度载荷时，因空间上的缓冲降低了加速度，且损伤主要发生在受击打部位，其预后相对较好。颅脑减速伤则不然，头部由运动状态撞击于静止的物体或地面突然停止运动，颅骨虽已处于静止状态，但颅内脑组织因惯性继续向撞击部位运动，漂浮于脑脊液中的脑组织撞击颅骨后又向对侧部位运动[12]，当脑组织撞击对侧颅骨后，脑组织又反向运动，如此往复直至静止。发生事故和坠落时，因头部撞击物体硬度高、质量大，头颅缓冲空间小，单位时间内颅脑吸收的能量多，出现严重损伤的概率也就越大，这可能也是减速性颅脑损伤在颅脑损伤中占很大比例且损伤重的原因。另外，颅脑减速伤除着力部位有直接损伤外，在暴力延续方向及其反方向的脑组织都可能因受到反复多次的冲击而受伤，这可以从本实验中的颅脑对冲伤得到证实。
从模拟的“新鲜”头颅撞击实验上看，头颅在遭受减速冲击载荷时撞击位置处的损伤比撞击位置对侧部位的损伤更严重[7]，然而在本实验却发现同一组别动物对冲部位颅脑损伤更严重。存在以上分歧的主要原因可能存在两方面的问题：首先是“新鲜”头颅没有完全模拟真实的头颅，例如没有考虑到脑脊液对颅脑损伤的影响，而脑脊液对创伤性颅脑损伤有着重要影响[11];其次，家兔额顶处呈三角形，颅顶撞击部位颅骨内表面平滑，但颅底结构不规则，因此颅脑在颅脑减速伤致伤过程中的反复运动使颅底部位颅脑发生损伤的可能性大，且颅底骨折更加重了这种损伤。
脑外伤预后的因素受颅脑原发伤的严重程度和早期救治措施是否及时、妥当的影响，因此探讨颅脑减速伤的伤情特点对提高颅脑减速伤的诊治水平有极大意义。本文用自行研制的减速伤致伤装置研究了不同程度损伤的兔颅脑减速伤伤情特点，发现兔颅脑减速伤致伤后出现呼吸急促甚至暂停、速度(减速度)达到一定水平后将出现颅骨骨折、脑挫伤(冲击伤和对冲伤)、硬膜下血肿以及出血性脑挫伤的病理改变，以上实验结果与谭源福等[8]的生物实验研究结果和临床报道[5，6]一致。虽然在轻度损伤组和部分中度损伤组的CT影像[10]和解剖未见明显损伤，但却显示了超微病理改变，提示对于中轻度颅脑减速伤的诊断还应进一步加强。
【】
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