高速破片沖擊豬下頜骨對(duì)顳下頜關(guān)節(jié)損傷機(jī)制的研究

賈駿麒 王敬夫 趙銥民 田磊 馬秦

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中高能爆炸武器的大量應(yīng)用使得破片取代槍彈成為造成作戰(zhàn)人員和戰(zhàn)區(qū)平民傷亡最主要的致傷因素[1-2]。頜面部因其相對(duì)暴露的解剖位置、復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和對(duì)功能、美觀的重要作用，已經(jīng)成為戰(zhàn)創(chuàng)傷研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)[2-4]。在下頜骨受到外力沖擊時(shí)，顳下頜關(guān)節(jié)(tempromandibular joint, TMJ)極易受到損傷，約占下頜骨骨折的26%～57%[5]，關(guān)節(jié)區(qū)的骨折和軟組織損傷可引起疼痛、咬合錯(cuò)亂、張口受限、面部偏斜等癥狀，甚至可導(dǎo)致關(guān)節(jié)強(qiáng)直的發(fā)生[6]，繼而對(duì)傷員的容貌和頜面部功能造成嚴(yán)重影響。髁突頸部因其較細(xì)的解剖特點(diǎn)是TMJ最易發(fā)生骨折的部位，此外，由于顳下頜關(guān)節(jié)窩骨質(zhì)極薄，在某些情況下沖擊力可沿髁突傳導(dǎo)至此導(dǎo)致關(guān)節(jié)窩骨折造成顱腦損傷[7-8]。本研究基于二級(jí)輕氣炮和相關(guān)測(cè)量系統(tǒng)建立了高速破片傷生物力學(xué)研究模型，分析破片在不同速度沖擊豬下頜骨時(shí)其顳下頜關(guān)節(jié)區(qū)的受力特點(diǎn)，對(duì)高速?zèng)_擊引起TMJ損傷的機(jī)制進(jìn)行探討，從而為此類損傷的診斷和救治提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料和設(shè)備

新鮮離體長(zhǎng)白豬頭12 只(宰殺后用保鮮膜包裹以防脫水，并在8 h內(nèi)完成實(shí)驗(yàn))；30CrMnSi合金圓柱體破片(質(zhì)量1.0 g，尺寸Φ5.5 mm×5.5 mm)；二級(jí)輕氣炮；V711型高速攝影機(jī)(Phantom，美國(guó))； DPO4034型示波器(Tektronix，美國(guó))；CA- YD- 111A加速度傳感器、CA- YD- 126加速度傳感器(江蘇聯(lián)能電子技術(shù)有限公司);350 Ω應(yīng)變片(中航工業(yè)電測(cè)儀器股份有限公司)等。

1.2 實(shí)驗(yàn)分組

低速組(900 m/s)4 只；中速組(1 200 m/s)4 只；高速組(1 500 m/s)4 只。

1.3 豬頭的預(yù)備

在豬頭額部正中去除4 cm×4 cm的軟組織，暴露骨面后用沾透無(wú)水酒精的紗布覆蓋在骨面進(jìn)行脫水，每3 min更換紗布；解剖分離下頜角頰側(cè)軟組織直達(dá)骨面，上界至顴弓和關(guān)節(jié)囊，前界至磨牙后區(qū)，同樣采用上述方法脫水。40 min后用電熱吹風(fēng)機(jī)吹干骨面至發(fā)白并打磨平整，在處理好的骨面周圍用凡士林和干紗布隔水。

1.4 傳感器的布置

用電鉆在豬頭右側(cè)和左側(cè)下頜角部相同位置打孔，并用螺絲底座分別將1 枚加速度傳感器固定，定義右側(cè)為1#、左側(cè)為2#傳感器。將調(diào)好的302膠均勻涂抹在額部骨面，加速度傳感器測(cè)量面向右布置在膠上并壓緊，定義為3#傳感器；至膠徹底變成乳白色，用魚口鉗驗(yàn)證粘結(jié)是否牢固。保持應(yīng)變片的零線和火線至少4 mm的間距并用透明膠帶固定，將其測(cè)量面緊貼骨面布置在雙側(cè)髁突頸部，并保證其測(cè)量長(zhǎng)軸與髁突頸部長(zhǎng)軸一致。定義右側(cè)為1#、左側(cè)為2#應(yīng)變片，用502膠水粘接并大力緊壓至少2 min，后用透明膠帶覆蓋以起到保護(hù)和隔水的作用。將所有的傳感器通過(guò)電荷放大器與示波器相連(圖 1)。

1.5 加載與數(shù)據(jù)采集

將豬頭放置到二級(jí)輕氣炮的靶室內(nèi)，以右側(cè)為迎彈面，調(diào)整位置使氣炮的激光準(zhǔn)星對(duì)準(zhǔn)豬頭下頜角部并保持其矢狀面與彈道垂直。驗(yàn)證連接無(wú)誤后關(guān)閉靶室，將輕氣炮各部件按要求裝入相應(yīng)裝置，完畢后用真空機(jī)對(duì)炮管和靶室抽真空，對(duì)輕氣炮的一級(jí)和二級(jí)氣室充入高壓氮?dú)猓{(diào)試激光測(cè)速儀和高速攝影機(jī)無(wú)誤后電引信觸發(fā)。

觀察豬頭大體形態(tài)和高速攝影錄像，將示波器中的數(shù)據(jù)導(dǎo)出并用Origin 8.0(OriginLab，美國(guó))進(jìn)行測(cè)量和分析。所有豬頭均進(jìn)行CT掃描(層厚2.5 mm)，將DICOM格式數(shù)據(jù)導(dǎo)入MIMICS 15.0(Materialize Inc. 荷蘭)進(jìn)行三維重建和分析。

圖 1 加速度傳感器及應(yīng)變片的布設(shè)

2 結(jié) 果

除高速組1 發(fā)破片從左側(cè)頰部穿出外，其余破片均最終停留在豬頭內(nèi)。破片在頰部皮膚形成直徑小于2.5 cm的圓形入口，穿透軟組織后造成下頜角部形成粉碎性骨折區(qū)。繼續(xù)向?qū)?cè)穿透，大多停留在對(duì)側(cè)下頜骨或顴骨內(nèi)側(cè)，少數(shù)停留在骨內(nèi)。

各組數(shù)據(jù)在示波器上顯示的原始波形如圖 2所示。經(jīng)換算并整理后結(jié)果見(jiàn)表 1。

2.1 各點(diǎn)加速度與破片速度之間的關(guān)系

所有組的1#加速度最大、2#次之、3#最小，它們之間的比值在低速組約為8∶1.9∶1，在中速組約為9.9∶2∶1，在高速組約為10.2∶2∶1。隨著破片速度的增加，各點(diǎn)加速度數(shù)值均有所增大，1#加速度增大比例約為1∶1.28∶1.38，2#加速度約為1∶1.11∶1.17，3#加速度約為1∶1.01∶1.04。

2.2 各點(diǎn)應(yīng)變與破片速度之間的關(guān)系

所有組的1#應(yīng)變均大于2#應(yīng)變，它們之間的比值在低速組約為2.87，在中速組約為2.43，在高速組約為1.70。隨著破片速度的增加，兩側(cè)髁突頸部應(yīng)變值均有所增大，1#應(yīng)變?cè)龃蟊壤s為1∶1.72∶1.43，2#應(yīng)變?cè)龃蟊壤s為1∶1.75∶2.88(圖 3)。

表 1 不同速度下各測(cè)量點(diǎn)加速度和應(yīng)變值

圖 2 應(yīng)變(A)和加速度(B)測(cè)量原始波形示意圖

圖 3 不同速度下各點(diǎn)力學(xué)參數(shù)均值比較

3 討 論

加速度和應(yīng)變是表征物體運(yùn)動(dòng)和受力的重要力學(xué)參數(shù)，其中加速度是物體在單位時(shí)間內(nèi)速度的增加量，其數(shù)值與物體所受到的力和物體的質(zhì)量相關(guān)；應(yīng)變是物體在受力過(guò)程中單位長(zhǎng)度上的形變量，其數(shù)值與物體的受力和其材料學(xué)特點(diǎn)相關(guān)。在本研究中，為減小因材料學(xué)性能不同導(dǎo)致的誤差，我們將傳感器布設(shè)在左右對(duì)稱的位置以保證雙側(cè)應(yīng)變測(cè)量點(diǎn)的材料學(xué)性能一致；下頜骨本身是一個(gè)整體，故迎彈側(cè)和對(duì)側(cè)的加速度關(guān)系不受質(zhì)量的影響，對(duì)于下頜骨與顱部之間質(zhì)量的差異，就本研究的目的而言，加速度作為表征物體受力后運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的物理量，對(duì)解釋我們所關(guān)注的下頜骨與顱部的相對(duì)運(yùn)動(dòng)造成的顳下頜關(guān)節(jié)損傷機(jī)制更具說(shuō)服力。

當(dāng)下頜骨受到來(lái)自側(cè)方的沖擊時(shí)，破片在彈著點(diǎn)沿其彈道方向?qū)ο骂M骨產(chǎn)生力的作用，并沿下頜骨的馬蹄形結(jié)構(gòu)以及下頜骨與顱骨之間的軟連接(主要是顳下頜關(guān)節(jié))分別向?qū)?cè)和顱部傳播。這種應(yīng)力傳導(dǎo)可分解為2 種形式：一種是與彈道方向平行的導(dǎo)致下頜骨甚至是整個(gè)頭部的側(cè)向力；另一種是沿下頜骨馬蹄形結(jié)構(gòu)使下頜髁突沿其長(zhǎng)軸向關(guān)節(jié)窩及顱內(nèi)沖擊的軸向力。側(cè)向力是造成下頜骨髁突頸部等薄弱部位發(fā)生線性骨折最主要的致傷因素，其主要機(jī)制是產(chǎn)生髁頸骨質(zhì)的剪切性破壞，也是造成髁頸側(cè)向移位最主要的因素[9]；軸向力是造成髁突頸部粉碎性骨折的重要因素，其主要引起髁頸壓縮性形變、驅(qū)使髁突向顱內(nèi)沖擊，導(dǎo)致關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的挫傷甚至穿透關(guān)節(jié)窩突入顱內(nèi)造成顱腦損傷，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)骨質(zhì)的材料學(xué)極限后即發(fā)生粉碎性骨折[10]。

在研究中我們發(fā)現(xiàn)：①當(dāng)高速破片沖擊下頜骨時(shí)，在選取的幾個(gè)測(cè)量點(diǎn)中，迎彈側(cè)受到的側(cè)向力和軸向力數(shù)值均是最大的，據(jù)此可認(rèn)為迎彈側(cè)在受到?jīng)_擊后發(fā)生損傷的幾率和嚴(yán)重程度也是最大的，這提示我們?cè)谶@類創(chuàng)傷的救治中應(yīng)著重檢查受打擊側(cè)顳下頜關(guān)節(jié)的損傷情況；②對(duì)側(cè)所受的側(cè)向力和軸向力僅次于迎彈側(cè)，其中側(cè)向力大約為后者的1/5～1/4，軸向力約為后者的1/2～2/3。側(cè)向力在下頜骨兩側(cè)之間衰減較為明顯的原因可能為應(yīng)力在馬蹄形結(jié)構(gòu)的傳播過(guò)程中因骨質(zhì)具有一定彈性而形成了一定的緩沖。應(yīng)注意的是，雖然其所受的側(cè)向力較迎彈側(cè)衰減較為明顯，但應(yīng)力并沒(méi)有消失，而是在傳播過(guò)程中發(fā)生了能量的吸收，鑒于下頜骨正中聯(lián)合和頦孔區(qū)同樣是其解剖薄弱部位和骨折好發(fā)部位，故對(duì)此類傷員在臨床救治過(guò)程中切不可忽視對(duì)下頜骨對(duì)側(cè)和幾個(gè)薄弱部位的檢查；③相對(duì)于側(cè)向力而言，對(duì)側(cè)髁突頸部所受軸向力的衰減僅不足50%可能是由于軸向的應(yīng)力波在沿下頜骨馬蹄形傳播過(guò)程中其方向始終與下頜骨形態(tài)向一致，衰減僅由沿骨面切線方向的骨質(zhì)壓縮吸能引起[11]。而軸向力作用于顳下頜關(guān)節(jié)區(qū)時(shí)可造成骨質(zhì)的壓縮進(jìn)而發(fā)生骨折，繼續(xù)傳播作用于顳下頜關(guān)節(jié)盤和關(guān)節(jié)窩，嚴(yán)重的可沖破關(guān)節(jié)窩造成顱內(nèi)損傷。這提示對(duì)于此類傷員在診治時(shí)應(yīng)對(duì)迎彈側(cè)和對(duì)側(cè)顳下頜關(guān)節(jié)受傷情況同樣重視，切不可簡(jiǎn)單根據(jù)X線片上未見(jiàn)明顯骨折段移位就判斷對(duì)側(cè)關(guān)節(jié)區(qū)未受嚴(yán)重創(chuàng)傷，而是應(yīng)結(jié)合高分辨率的CT和臨床查體結(jié)果綜合判斷關(guān)節(jié)區(qū)軟硬組織損傷情況，對(duì)于關(guān)節(jié)窩骨折的傷員應(yīng)請(qǐng)神經(jīng)外科會(huì)診，避免貽誤搶救時(shí)機(jī)；④與下頜骨迎彈側(cè)和對(duì)側(cè)相比，側(cè)向力在顱部衰減較為明顯，僅為迎彈側(cè)的1/10～1/8，這可能是由于下頜骨與顱骨之間的連接結(jié)構(gòu)為顳下頜關(guān)節(jié)和一些軟組織，應(yīng)力波在這些軟連接部位發(fā)生了大量的能量吸收。但恰恰是這些被吸收的能量導(dǎo)致這些結(jié)構(gòu)在整個(gè)致傷過(guò)程中可能受到嚴(yán)重的損傷，在臨床救治中對(duì)關(guān)節(jié)附屬結(jié)構(gòu)以及周圍肌肉韌帶的檢查應(yīng)作為此類傷情的常規(guī)檢查項(xiàng)目。

綜合以上研究結(jié)果，可以得出結(jié)論：在下頜骨受到來(lái)自側(cè)向的高速破片沖擊時(shí)，引起髁突頸部線性骨折的側(cè)向力主要作用在迎彈側(cè)，故對(duì)于髁頸線性骨折的救治重心應(yīng)放在迎彈側(cè)，但同時(shí)不能忽略對(duì)下頜骨對(duì)側(cè)和幾個(gè)薄弱部位的檢查；引起髁突粉碎性骨折和關(guān)節(jié)窩損傷的軸向力除在迎彈側(cè)作用明顯外，在對(duì)側(cè)也未大量衰減，故對(duì)于髁頸粉碎性骨折和關(guān)節(jié)窩骨折的檢查應(yīng)雙側(cè)并重；除此之外，因顳下頜關(guān)節(jié)及其周圍軟組織在受傷過(guò)程中吸收了大量能量，對(duì)關(guān)節(jié)附屬結(jié)構(gòu)和肌肉韌帶損傷的檢查與治療同樣重要。

本研究通過(guò)采用目前國(guó)內(nèi)外最先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)加載和測(cè)量手段在下頜骨和顱部選取的幾個(gè)部位測(cè)量加速度、應(yīng)變等力學(xué)參數(shù)分析了在下頜骨受到來(lái)自側(cè)向的高速破片沖擊時(shí)顳下頜關(guān)節(jié)部位受到創(chuàng)傷的特點(diǎn)，其準(zhǔn)確性、科學(xué)性和實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性都較以往研究有了較大提高。本研究所建立的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂梢詫?duì)頜面部多組織器官高速破片傷的致傷機(jī)制進(jìn)行研究，并可以在此模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造實(shí)現(xiàn)對(duì)高速?zèng)_擊下生物組織材料力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步深入探索，是頜面部戰(zhàn)創(chuàng)傷研究的優(yōu)良實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。