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.1144 北京科技大学学报 2006年第12期 的结构类似于工程中蜂窝状结构材料，但随着解 时头颈部达到危重度伤，即颅内压在正常值基础 剖部位的不同有着较大的变异，松质骨一般被认 上波动2.5kPa左右时，出现轻度异常；当波动值 为是骨小梁网状连接而构成半封闭蜂窝结构[)， 达到3.5kPa左右时，出现脑震荡的症状；而当波 粘弹性和各向异性是其两个力学特性，硬脑膜是 动值达到5kPa左右或更高时，人头颈部达到危 一厚而坚韧的双层膜，主要成分为胶原纤维，位于 重度伤，所以本文将颅内压增高量控制在(1.5 大脑镰区最厚，小脑幕区次之，额区最薄].硬 kPa,5kPa)范围内进行颅骨理论和实验分析. 脑膜额区平均厚度为0.25mm,顶区0.4mm,枕 1.1模型建立 区0.3mm,颞区0.35mm;据美国学者报 本文将颅腔看作内部有颅内压的空心球壳结 道1)，尸体的硬脑膜平均厚度会增厚，为0,7~ 构，球外径约为D=200mm·将颅顶骨当作一种 1.0mm.Galford等人曾从美国人尸体上取下样 复合材料，球壳厚度约为6=6mm,由颅骨外板密 本做蠕变测量，证实硬脑膜具有线性粘弹性山. 质骨（厚2.0mm)、板障松质骨（厚2.8mm)和内 经日本名古屋大学在硬脑膜外用超声波探测器对 板密质骨（厚1.2mm)组成三层层合模型（图1）， 12只被麻醉的狗所做的研究发现13)：颅内压从 而颅顶骨与硬脑膜当作四层层合模型（图2），球 0.7~10.67kPa范围内变化，狗硬脑膜厚度从 壳厚度约为6.4mm,由两层密实的密质骨、中间 265m变化至107m 夹着一层松质骨以及一层硬脑膜（厚0.4mm)构 临床的颅内压力通常以侧卧位时颅脑脊液压 成、动态和静态实验结果都表明，颅骨的顶骨属 力为代表，即穿刺小脑延髓池或侧脑室，以测压管 于横观各向同性材料16，即在与骨轴向垂直的各 或压力表测出的读数.这一压力与侧卧位腰椎穿 层平面内，材料力学性质具有转动对称性1).基 刺所测得的脑脊液压力接近，故临床上都用后一 于颅顶骨这种特殊的结构，本文在进行有限元建 压力为代表.正常颅内压，在侧卧位时，成人为 模时选用复合材料的层合壳理论进行分析，颅内 0.7~2.0kPa,儿童为0.5~1.0kPa,此压力比平 压增高量控制在(1.5kPa,5kPa)范围内，用有限 卧位时侧脑室的最高点要高4，坐位时腰穿压 元软件MSC-PATRAN/NASTRAN对人颅骨与 力可达3.3~4.0kPa41,但这压力比坐位时侧脑 硬脑膜四层层合板复合结构模型进行计算，分析 最高点的压力要低.因此，目前临床上几乎没有 随人体颅内压变化颅骨外表面发生的应力与 对人体颅内压数值的记录， 应变 猴的颅骨、下颌骨和颈部肌肉组织在几何形 状和结构上较其他动物更接近于人，本文选择猴 的颅内压数值作为人体的参照值，吴桂荣等时] 的实验研究表明：头部无损伤时，成年猴顶部的正 12 常颅内压平均值为3.62kPa,额部为2.46kPa;猴 顶部的颅内压增高到6.63kPa,额部达到6.29 图1颅骨三层结构示意图（单位：mm) Fig.I Sketch of a three-ply skull framework (unit:mm) kPa时，脑部由于脑干网状结构受损害而出现脑 震荡的症状，此时猴头颈部达到中度伤：猴顶部的 颅内压增高值达到或超过10.02kPa,额部达到或 超过8.2kPa时，猴发生脑器质性损伤，此时猴头 颈部达到危重度伤， 12 上04 1 理论研究 图2颅骨及硬脑膜四层复合结构示意图（单位：m) Fig.2 Sketch of a four-layer skull and duramater framework 人体的颅内压是波动的，随心脏搏动的波幅 (unit:mm) 为0.27~0.53kPa;随着呼吸动作改变，由于胸腔 内压力作用于上腔静脉引起静脉变动而导致颅内 在一定的应力作用下，弹性固体的应变为一 压亦有缓慢的波动，波幅约为0.7~1.33kPa·由 定值，不随时间而变；对于理想粘性流体，变形则 文献[15]可知：正常颅内压平均值为2.46~3.62 以等应变率随时间而增加，实际材料往往是在恒 kPa时头部无损伤，颅内压增高3.01~3.83kPa 定应力作用下，应变随时间而增加，即所谓蠕变. 时头颈部达到中度伤，颅内压增高5.746.4kPa Galford]等人曾从美国人尸体上取下硬脑膜样的结构类似于工程中蜂窝状结构材料但随着解 剖部位的不同有着较大的变异．松质骨一般被认 为是骨小梁网状连接而构成半封闭蜂窝结构［9］ 粘弹性和各向异性是其两个力学特性．硬脑膜是 一厚而坚韧的双层膜主要成分为胶原纤维位于 大脑镰区最厚小脑幕区次之额区最薄［10］．硬 脑膜额区平均厚度为0∙25mm顶区0∙4mm枕 区0∙3mm颞 区 0∙35mm ［11］；据 美 国 学 者 报 道［12］尸体的硬脑膜平均厚度会增厚为0∙7～ 1∙0mm．Galford 等人曾从美国人尸体上取下样 本做蠕变测量证实硬脑膜具有线性粘弹性［11］． 经日本名古屋大学在硬脑膜外用超声波探测器对 12只被麻醉的狗所做的研究发现［13］：颅内压从 0∙7～10∙67kPa 范围内变化狗硬脑膜厚度从 265μm 变化至107μm． 临床的颅内压力通常以侧卧位时颅脑脊液压 力为代表即穿刺小脑延髓池或侧脑室以测压管 或压力表测出的读数．这一压力与侧卧位腰椎穿 刺所测得的脑脊液压力接近故临床上都用后一 压力为代表．正常颅内压在侧卧位时成人为 0∙7～2∙0kPa儿童为0∙5～1∙0kPa此压力比平 卧位时侧脑室的最高点要高［14］．坐位时腰穿压 力可达3∙3～4∙0kPa ［14］但这压力比坐位时侧脑 最高点的压力要低．因此目前临床上几乎没有 对人体颅内压数值的记录． 猴的颅骨、下颌骨和颈部肌肉组织在几何形 状和结构上较其他动物更接近于人本文选择猴 的颅内压数值作为人体的参照值．吴桂荣等［15］ 的实验研究表明：头部无损伤时成年猴顶部的正 常颅内压平均值为3∙62kPa额部为2∙46kPa；猴 顶部的颅内压增高到6∙63kPa额部达到6∙29 kPa 时脑部由于脑干网状结构受损害而出现脑 震荡的症状此时猴头颈部达到中度伤；猴顶部的 颅内压增高值达到或超过10∙02kPa额部达到或 超过8∙2kPa 时猴发生脑器质性损伤此时猴头 颈部达到危重度伤． 1 理论研究 人体的颅内压是波动的随心脏搏动的波幅 为0∙27～0∙53kPa；随着呼吸动作改变由于胸腔 内压力作用于上腔静脉引起静脉变动而导致颅内 压亦有缓慢的波动波幅约为0∙7～1∙33kPa．由 文献［15］可知：正常颅内压平均值为2∙46～3∙62 kPa 时头部无损伤颅内压增高3∙01～3∙83kPa 时头颈部达到中度伤颅内压增高5∙74～6∙4kPa 时头颈部达到危重度伤．即颅内压在正常值基础 上波动2∙5kPa 左右时出现轻度异常；当波动值 达到3∙5kPa 左右时出现脑震荡的症状；而当波 动值达到5kPa 左右或更高时人头颈部达到危 重度伤．所以本文将颅内压增高量控制在（1∙5 kPa5kPa）范围内进行颅骨理论和实验分析． 1∙1 模型建立 本文将颅腔看作内部有颅内压的空心球壳结 构球外径约为 D＝200mm．将颅顶骨当作一种 复合材料球壳厚度约为δ＝6mm由颅骨外板密 质骨（厚2∙0mm）、板障松质骨（厚2∙8mm）和内 板密质骨（厚1∙2mm）组成三层层合模型（图1） 而颅顶骨与硬脑膜当作四层层合模型（图2）球 壳厚度约为6∙4mm由两层密实的密质骨、中间 夹着一层松质骨以及一层硬脑膜（厚0∙4mm）构 成．动态和静态实验结果都表明颅骨的顶骨属 于横观各向同性材料［16］即在与骨轴向垂直的各 层平面内材料力学性质具有转动对称性［17］．基 于颅顶骨这种特殊的结构本文在进行有限元建 模时选用复合材料的层合壳理论进行分析．颅内 压增高量控制在（1∙5kPa5kPa）范围内用有限 元软件 MSC－PATRAN／NASTRAN 对人颅骨与 硬脑膜四层层合板复合结构模型进行计算分析 随人体颅内压变化颅骨外表面发生的应力与 应变． 图1 颅骨三层结构示意图（单位：mm） Fig．1 Sketch of a three-ply skull framework （unit： mm） 图2 颅骨及硬脑膜四层复合结构示意图（单位：mm） Fig．2 Sketch of a four-layer skull and duramater framework （unit： mm） 在一定的应力作用下弹性固体的应变为一 定值不随时间而变；对于理想粘性流体变形则 以等应变率随时间而增加．实际材料往往是在恒 定应力作用下应变随时间而增加即所谓蠕变． Galford ［11］等人曾从美国人尸体上取下硬脑膜样 ·1144· 北 京 科 技 大 学 学 报 2006年第12期