直线和旋转加速颅脑损伤模型

外界作用力使头颅迅即开始运动或使其运动突然受阻时，由于脑运动相对滞后于头颅的运动，除导致头皮、颅骨局限性损伤外，还可能引起脑着力部位、脑内及脑对冲部位出现挤压、撕裂及牵拉等力学效应，造成所谓颅脑加速或减速性损伤，即惯性伤。这也是临床最常见的颅脑外伤病人的致伤原因。因为加速与减速运动对颅脑的影响仅仅是方向有别而其机制相同，所以多年来对颅脑惯性伤的研究大多针对的是加速伤，迄今已建立了一些较为成熟的颅脑加速伤实验动物模型。根据外力作用的结果，又可将其分为脑质量中心呈线性运动的直线加速伤，以及脑绕其质量中心转动或脑质量中心呈弧形运动的旋转加速伤。本节综合上述两种分类法就颅脑加速伤动物模型予以介绍。

（一）直线加速伤模型

Marmarou和Foda等于1994年首先报道出一种大鼠打击直线加速性颅脑损伤模型。其方法是将大鼠麻醉后俯卧于一已知弹性度的海绵床上，纵行切开头皮，暴露颅骨穹顶。颅顶表面冠状缝与人字缝间用牙托水泥将一直径为10mm、厚度为3mm的不锈钢圆盘固定。圆盘底呈弯弧状，与颅顶均匀接触。将直径为19mm的有机玻璃管直立于圆盘之上，重物沿管腔落下，撞击圆盘，致头颅受力引起颅脑损伤。由于海绵床的存在，使头颅受力后能沿重力方向移动产生一定的缓冲性加速，以确保外力作用的瞬时性，这是该模型不同于自由落体模型的关键。而铁制圆盘又保证了外力作用的弥散性，因此减轻了外力打击对头颅局部的接触效应，较大范围地增强了外力打击对头颅的惯性效应。这种外力作用的瞬时性和弥散性特征，与一般意义上的自由落体打击模型致伤的力学机制有明显差异，它是一种垂直而上的打击直线加速颅脑损伤模型。对该模型的深入研究表明，在打击冲量为2．82N·s（即0．45kg的重物从2m高处坠落所产生的冲量）作用下，大鼠死亡率达59%；而伤前行机械通气控制呼吸组，病死率可降为0。两组病理改变基本一致，在内眼观察局部脑损伤都不明显；显微镜下则见脑内神经元胞体、神经轴索及微血管系统均出现明显损害，形成广泛脑水肿。该模型中轴索损伤涉及内囊、上下小脑脚及脑干传导束等广泛区域，大鼠能出现程度不同的意识丧失。因而该模型被认为是一种弥漫颅脑损伤模型。

1996年，Lewis等制作出另一种打击直线加速性颅脑损伤模型。他将羊麻醉后置于俯卧位，头颅不加固定放于支撑物上，在羊的眶上突及外耳道间作头皮纵向切口，暴露颞顶。颞顶表面安置1枚与颅骨外表相符的铁盘，铁盘中央部突出。将一头端为蘑菇状的铁栓从侧旁发射撞击铁盘中央突出部，导致颅脑直线加速损伤。病理学观察发现部分动物颅骨外板有骨折，约75%的动物出现蛛网膜下腔出血，而局灶性脑挫裂伤占50%～60%，其中约25%居于脑干内。神经轴索和微血管损伤则分布广泛。这种头颅打击直线加速颅脑损伤模型与临床常见的钝性、非穿透性打击后的脑内变化非常相似。

制作颅脑加速损伤模型的关键点是尽可能地保证外力在导致头颅加速的同时，引起的接触效应较轻，产生的惯性效应要强。因此，模型制作时通常不会让外力直接作用于头颅。除上述在颅顶表而放置铁盘以扩大受力面积外，目前还有其他措施。如有人将动物头颅置于坚硬的头盔中，头颅与头盔间充填牙齿粘固粉，让外力致伤物打击头盔致头颅加速运动。此间颅内形成的惯性力能引起脑弥漫性轴索损伤和急性硬膜下血肿，这两者均是临床常见的颅脑外伤后不可逆脑损害甚至死亡的原因。

（二）旋转加速伤模型

1974年Ommaya将机械性颅脑损伤分为两类：一是外力作用局部所造成的脑组织挫伤，即直接脑损伤；二是头部受外力作用后产生直线加速运动和旋转加速运动致脑实质产生剪应力和张力变化所造成的广泛而严重的脑组织损伤，即间接脑损伤。为验证其理论，1982年宾夕法尼亚大学的Gennarel1i设计了一种加速装置，由特制头盔、直线加速臂、旋转加速臂、电动马达和速度控制器构成，可对直线加速运动和旋转加速运动所造成的损伤分别进行研究。其方法是将狒狒麻醉后戴上头盔，通过调节直线加速臂和旋转加速臂，使头部做快速直线加速运动或45°旋转加速运动，头部重心位移1in（1in≈0．0254m），按加速度大小和持续时间长短可以复制分级脑损伤模型。结果发现旋转加速运动组均出现实验性脑震荡，表现为瘫痪性昏迷或外伤性意识丧失；直线加速运动组未见此种改变，其病理改变主要表现为皮质挫伤，损伤呈不对称性局灶分布，而旋转加速运动组损伤呈广泛对称性分布，灰白质交界处可见微小出血灶，即弥漫性轴索损伤（DAI）。由于灵长类动物颅脑结构在种间具有相似性，就有可能根据狒狒等实验动物DAI发病的剪力阈限值类推至人。1992年，Maxwell对狒狒头颅侧向旋转加速伤模型的脑血管反应进行了系统研究，证实瞬间侧向旋转引起颅内产生广泛的、非直接致断裂性的机械应力，由此造成脑微血管痉挛、微血栓形成、血管塌陷、微绒毛出现，终致血脑屏障破坏及血管不完全或完全断裂。以上结果与Christman1994年对人脑DAI的研究所见一致。

在颅脑损伤中，弥漫性脑损伤临床反应重，且预后差。而弥漫性轴索损伤又是其最主要的病理类型。临床上表现为持久性意识障碍、早期死亡和植物生存。随着人们对DAI病理生理概念认识的不断深化，近年来有倾向将脑震荡及原发脑干伤纳入DAI中，认为脑震荡是最轻的DAI，原发脑干伤为最重的DAI。这样，作为一种颅脑旋转加速损伤，DAI动物模型对于研究人类颅脑损伤有其更广阔的应用前景。