【摘 要】
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目的:通过颅骨形态结构及材料力学参数检测,探讨不同年龄、不同部位、不同层次颅骨及不同分区顶骨形态结构及材料力学性能差异,为建立精细化头颅有限元模型提供参考依据,为法医鉴定工作中年龄推断、颅脑损伤生物力学机制分析提供新的思路。方法:（1）截取不同年龄段（共49例尸体样本,分为0-1岁、2-12岁、31-50岁、51-70岁、71-90岁5组）人尸体不同部位（左额骨（Left frontal bone
【基金项目】
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国家自然科学基金（81660309）,题目:基于材料属性检测的儿童头颅有限元模型构建及损伤实验研究； 贵州省科技厅基金项目[黔科合平台人才（2018）5779-3],题目:NLRP3介导的神经元焦亡在弥漫性轴索损伤继发神经功能障碍中的作用机制研究； 贵州省科技支撑项目（黔科合支撑[2022]一般280）,题目:骨骼种属智慧法医鉴定
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目的:通过颅骨形态结构及材料力学参数检测,探讨不同年龄、不同部位、不同层次颅骨及不同分区顶骨形态结构及材料力学性能差异,为建立精细化头颅有限元模型提供参考依据,为法医鉴定工作中年龄推断、颅脑损伤生物力学机制分析提供新的思路。方法:（1）截取不同年龄段（共49例尸体样本,分为0-1岁、2-12岁、31-50岁、51-70岁、71-90岁5组）人尸体不同部位（左额骨（Left frontal bone,LF）、左顶骨（Left parietal bone,LP）和冠状缝（Coronal suture,CS））颅骨及不同分区（共11例尸体样本,分别选取左侧上顶、侧顶和后顶）顶骨骨片,利用游标卡尺对上述骨片厚度进行测量,利用电子万能材料试验机进行三点弯曲实验后检测/计算其极限载荷、极限载荷作用下的形变、弯曲强度和弹性模量等材料力学参数,分析不同年龄、不同部位人尸体颅骨及不同分区顶骨骨片厚度与材料力学参数差异并探讨二者变化相关性;截取不同年龄段人尸体（共5例,年龄分别为17天、3岁、8岁、51岁及77岁）不同部位（LF和CS）颅骨骨片,利用环氧树脂包埋分别制备不同层次（内板、板障及外板）的实验样本,利用纳米压痕仪检测各样本压缩硬度（Indentation hardness,HIT）和弹性模量（Elastic modulus,E）,并分析上述骨片样本材料力学参数差异。（2）制备不同年龄段（2、4、6、8、17、26、52和104周龄共8组,每组6只,共48只）大鼠头颅压缩模具,利用电子万能材料试验机对其颅骨进行单轴纵向压缩实验,检测/计算极限载荷、压缩强度及压缩模量各材料力学参数,进一步分析颅骨材料力学参数与年龄变化相关性,利用微型CT（Microfocus computed tomography,Micro-CT）对其进行扫描并检测未破坏侧骨密度、骨体积、骨小梁厚度等骨质参数,并分析其与材料力学参数变化相关性。结果:（1）人尸体颅骨LF、LP和CS的厚度随着年龄的增长先增大后减小。成年组LF、LP和CS的极限载荷均高于未成年组。LF、LP和CS在厚度、极限载荷、极限载荷作用下的形变、极限载荷作用下的应变和弹性模量上差异有统计学意义（P＜0.05）,LP和CS的颅骨厚度均低于LF,LP的极限载荷作用下的形变最高,极限载荷和弹性模量表现为LF＞LP＞CS。LF、LP和CS均表现为极限载荷、弯曲强度与厚度呈正相关,而极限载荷作用下的形变与厚度呈负相关（P＜0.05）。极限载荷作用下的应变与厚度仅在LF存在相关性,且为正相关（P＜0.05）。弹性模量与厚度仅在CS存在相关性（P＜0.05）,表现为正相关,其余各部位不存在相关性（P＞0.05）。人顶骨各分区实验检测结果显示上顶、侧顶及后顶的厚度依次为上顶＞后顶＞侧顶,极限载荷依次为上顶＞后顶＞侧顶,弯曲强度与弹性模量均为侧顶＞后顶＞上顶,极限载荷作用下的形变为侧顶＞上顶（P＜0.05）。顶骨各分区骨片极限载荷与厚度呈正相关,弯曲强度和弹性模量均与厚度呈负相关（P＜0.05）。纳米压痕实验结果显示,不同年龄组间的人尸体颅骨HIT和E差异均有统计学意义（P＜0.01）,HIT、E在51岁前呈上升趋势,51岁后呈略有下降趋势。板障E高于内板和外板（P＜0.05）,而HIT在不同层次间无显著统计学差异。就部位而言,LF的HIT和E均明显高于CS。（2）不同年龄组大鼠颅骨极限载荷、压缩强度和压缩模量组间差异均具有统计学意义（P＜0.05）,极限载荷、压缩强度和压缩模量在26周前均呈增大趋势,与年龄呈明显正相关（P＜0.05）。不同年龄组大鼠颅骨厚度、骨密度、骨体积和骨小梁厚度组间差异均具有统计学意义（P＜0.05）,随年龄增长,骨密度、骨体积和骨小梁厚度在2-52周组均随年龄呈增大趋势（骨小梁厚度26周组稍降低）,52周后稍降低,各骨质参数在52周内与年龄均呈正相关（P＜0.05）,不同年龄组大鼠颅骨骨折类型及形态存在差异,2-4周组仅见颅缝分离,6-104周组则出现粉碎性骨折。所有大鼠极限载荷、压缩强度、压缩模量均与骨密度、骨体积、骨小梁厚度、颅骨厚度呈正相关。结论:（1）年龄差异方面,婴幼儿颅骨厚度及极限载荷、弯曲强度和弹性模量明显小于成人,不同年龄大鼠颅骨微观结构及材料力学参数均呈增龄性变化规律,且二者存在相关性,提示颅骨的结构参数及材料力学参数可用于年龄推断,同时亦提示在建立不同年龄人群颅脑/颅骨有限元模型时材料参数应分别赋值;（2）部位差异方面,顶骨和冠状缝的颅骨厚度均低于额骨,顶骨极限载荷作用下的形变高于额骨和冠状缝,极限载荷和弹性模量表现为:额骨＞顶骨＞冠状缝;顶骨不同分区极限载荷大小为:左上顶＞左后顶＞左侧顶,弯曲强度与弹性模量均为:左侧顶＞左后顶＞左上顶;颅骨不同层次弹性模量大小为:板障＞外板＞内板;提示在构建人体颅骨有限元模型时应针对颅骨不同部位和不同层次以及顶骨不同分区进行分别赋值,且在进行颅骨骨折生物力学机制分析时应考虑部位及层次力学性能差异对骨折的的影响。
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