高速破片沖擊豬下頜骨對顳下頜關節損傷機制的研究

賈駿麒 王敬夫 趙銥民 田磊 馬秦

現代戰爭中高能爆炸武器的大量應用使得破片取代槍彈成為造成作戰人員和戰區平民傷亡最主要的致傷因素[1-2]。頜面部因其相對暴露的解剖位置、復雜的結構特點和對功能、美觀的重要作用，已經成為戰創傷研究的重點和難點[2-4]。在下頜骨受到外力沖擊時，顳下頜關節(tempromandibular joint, TMJ)極易受到損傷，約占下頜骨骨折的26%～57%[5]，關節區的骨折和軟組織損傷可引起疼痛、咬合錯亂、張口受限、面部偏斜等癥狀，甚至可導致關節強直的發生[6]，繼而對傷員的容貌和頜面部功能造成嚴重影響。髁突頸部因其較細的解剖特點是TMJ最易發生骨折的部位，此外，由于顳下頜關節窩骨質極薄，在某些情況下沖擊力可沿髁突傳導至此導致關節窩骨折造成顱腦損傷[7-8]。本研究基于二級輕氣炮和相關測量系統建立了高速破片傷生物力學研究模型，分析破片在不同速度沖擊豬下頜骨時其顳下頜關節區的受力特點，對高速沖擊引起TMJ損傷的機制進行探討，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 材料和設備

新鮮離體長白豬頭12 只(宰殺后用保鮮膜包裹以防脫水，并在8 h內完成實驗)；30CrMnSi合金圓柱體破片(質量1.0 g，尺寸Φ5.5 mm×5.5 mm)；二級輕氣炮；V711型高速攝影機(Phantom，美國)； DPO4034型示波器(Tektronix，美國)；CA- YD- 111A加速度傳感器、CA- YD- 126加速度傳感器(江蘇聯能電子技術有限公司);350 Ω應變片(中航工業電測儀器股份有限公司)等。

1.2 實驗分組

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水酒精的紗布覆蓋在骨面進行脫水，每3 min更換紗布；解剖分離下頜角頰側軟組織直達骨面，上界至顴弓和關節囊，前界至磨牙后區，同樣采用上述方法脫水。40 min后用電熱吹風機吹干骨面至發白并打磨平整，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

用電鉆在豬頭右側和左側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，定義右側為1#、左側為2#傳感器。將調好的302膠均勻涂抹在額部骨面，加速度傳感器測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，用魚口鉗驗證粘結是否牢固。保持應變片的零線和火線至少4 mm的間距并用透明膠帶固定，將其測量面緊貼骨面布置在雙側髁突頸部，并保證其測量長軸與髁突頸部長軸一致。定義右側為1#、左側為2#應變片，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和隔水的作用。將所有的傳感器通過電荷放大器與示波器相連(圖 1)。

1.5 加載與數據采集

將豬頭放置到二級輕氣炮的靶室內，以右側為迎彈面，調整位置使氣炮的激光準星對準豬頭下頜角部并保持其矢狀面與彈道垂直。驗證連接無誤后關閉靶室，將輕氣炮各部件按要求裝入相應裝置，完畢后用真空機對炮管和靶室抽真空，對輕氣炮的一級和二級氣室充入高壓氮氣，調試激光測速儀和高速攝影機無誤后電引信觸發。

觀察豬頭大體形態和高速攝影錄像，將示波器中的數據導出并用Origin 8.0(OriginLab，美國)進行測量和分析。所有豬頭均進行CT掃描(層厚2.5 mm)，將DICOM格式數據導入MIMICS 15.0(Materialize Inc. 荷蘭)進行三維重建和分析。

圖 1 加速度傳感器及應變片的布設

2 結 果

除高速組1 發破片從左側頰部穿出外，其余破片均最終停留在豬頭內。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。繼續向對側穿透，大多停留在對側下頜骨或顴骨內側，少數停留在骨內。

各組數據在示波器上顯示的原始波形如圖 2所示。經換算并整理后結果見表 1。

2.1 各點加速度與破片速度之間的關系

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，各點加速度數值均有所增大，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 各點應變與破片速度之間的關系

所有組的1#應變均大于2#應變，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，兩側髁突頸部應變值均有所增大，1#應變增大比例約為1∶1.72∶1.43，2#應變增大比例約為1∶1.75∶2.88(圖 3)。

表 1 不同速度下各測量點加速度和應變值

圖 2 應變(A)和加速度(B)測量原始波形示意圖

圖 3 不同速度下各點力學參數均值比較

3 討 論

加速度和應變是表征物體運動和受力的重要力學參數，其中加速度是物體在單位時間內速度的增加量，其數值與物體所受到的力和物體的質量相關；應變是物體在受力過程中單位長度上的形變量，其數值與物體的受力和其材料學特點相關。在本研究中，為減小因材料學性能不同導致的誤差，我們將傳感器布設在左右對稱的位置以保證雙側應變測量點的材料學性能一致；下頜骨本身是一個整體，故迎彈側和對側的加速度關系不受質量的影響，對于下頜骨與顱部之間質量的差異，就本研究的目的而言，加速度作為表征物體受力后運動趨勢的物理量，對解釋我們所關注的下頜骨與顱部的相對運動造成的顳下頜關節損傷機制更具說服力。

當下頜骨受到來自側方的沖擊時，破片在彈著點沿其彈道方向對下頜骨產生力的作用，并沿下頜骨的馬蹄形結構以及下頜骨與顱骨之間的軟連接(主要是顳下頜關節)分別向對側和顱部傳播。這種應力傳導可分解為2 種形式：一種是與彈道方向平行的導致下頜骨甚至是整個頭部的側向力；另一種是沿下頜骨馬蹄形結構使下頜髁突沿其長軸向關節窩及顱內沖擊的軸向力。側向力是造成下頜骨髁突頸部等薄弱部位發生線性骨折最主要的致傷因素，其主要機制是產生髁頸骨質的剪切性破壞，也是造成髁頸側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、驅使髁突向顱內沖擊，導致關節結構的挫傷甚至穿透關節窩突入顱內造成顱腦損傷，當應力超過骨質的材料學極限后即發生粉碎性骨折[10]。

在研究中我們發現：①當高速破片沖擊下頜骨時，在選取的幾個測量點中，迎彈側受到的側向力和軸向力數值均是最大的，據此可認為迎彈側在受到沖擊后發生損傷的幾率和嚴重程度也是最大的，這提示我們在這類創傷的救治中應著重檢查受打擊側顳下頜關節的損傷情況；②對側所受的側向力和軸向力僅次于迎彈側，其中側向力大約為后者的1/5～1/4，軸向力約為后者的1/2～2/3。側向力在下頜骨兩側之間衰減較為明顯的原因可能為應力在馬蹄形結構的傳播過程中因骨質具有一定彈性而形成了一定的緩沖。應注意的是，雖然其所受的側向力較迎彈側衰減較為明顯，但應力并沒有消失，而是在傳播過程中發生了能量的吸收，鑒于下頜骨正中聯合和頦孔區同樣是其解剖薄弱部位和骨折好發部位，故對此類傷員在臨床救治過程中切不可忽視對下頜骨對側和幾個薄弱部位的檢查；③相對于側向力而言，對側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力波在沿下頜骨馬蹄形傳播過程中其方向始終與下頜骨形態向一致，衰減僅由沿骨面切線方向的骨質壓縮吸能引起[11]。而軸向力作用于顳下頜關節區時可造成骨質的壓縮進而發生骨折，繼續傳播作用于顳下頜關節盤和關節窩，嚴重的可沖破關節窩造成顱內損傷。這提示對于此類傷員在診治時應對迎彈側和對側顳下頜關節受傷情況同樣重視，切不可簡單根據X線片上未見明顯骨折段移位就判斷對側關節區未受嚴重創傷，而是應結合高分辨率的CT和臨床查體結果綜合判斷關節區軟硬組織損傷情況，對于關節窩骨折的傷員應請神經外科會診，避免貽誤搶救時機；④與下頜骨迎彈側和對側相比，側向力在顱部衰減較為明顯，僅為迎彈側的1/10～1/8，這可能是由于下頜骨與顱骨之間的連接結構為顳下頜關節和一些軟組織，應力波在這些軟連接部位發生了大量的能量吸收。但恰恰是這些被吸收的能量導致這些結構在整個致傷過程中可能受到嚴重的損傷，在臨床救治中對關節附屬結構以及周圍肌肉韌帶的檢查應作為此類傷情的常規檢查項目。

綜合以上研究結果，可以得出結論：在下頜骨受到來自側向的高速破片沖擊時，引起髁突頸部線性骨折的側向力主要作用在迎彈側，故對于髁頸線性骨折的救治重心應放在迎彈側，但同時不能忽略對下頜骨對側和幾個薄弱部位的檢查；引起髁突粉碎性骨折和關節窩損傷的軸向力除在迎彈側作用明顯外，在對側也未大量衰減，故對于髁頸粉碎性骨折和關節窩骨折的檢查應雙側并重；除此之外，因顳下頜關節及其周圍軟組織在受傷過程中吸收了大量能量，對關節附屬結構和肌肉韌帶損傷的檢查與治療同樣重要。

本研究通過采用目前國內外最先進的實驗加載和測量手段在下頜骨和顱部選取的幾個部位測量加速度、應變等力學參數分析了在下頜骨受到來自側向的高速破片沖擊時顳下頜關節部位受到創傷的特點，其準確性、科學性和實驗的可重復性都較以往研究有了較大提高。本研究所建立的實驗模型可以對頜面部多組織器官高速破片傷的致傷機制進行研究，并可以在此模型的基礎上進行改造實現對高速沖擊下生物組織材料力學響應進行進一步深入探索，是頜面部戰創傷研究的優良實驗平臺。