角加速度决定轻度创伤性脑损伤中脑应变的理论与数值分析

由头部撞击引起的轻度创伤性脑损伤（mTBI，亦称脑震荡）是一个重要的全球公共卫生问题，但 mTBI 的物理机制仍不清楚。撞击过程中头部的快速运动损伤大脑，因此研究者一直致力于探究头部运动学参数（如线加速度、角速度、角加速度）与脑应变（与脑组织的损伤相关）之间的关系。尽管先前研究表明线加速度对脑应变的贡献有限，但由于角速度与角加速度相互依赖（加速度为速度对时间的导数），究竟是角速度还是角加速度引起脑应变仍不明确。通过惯性力的视角重构该问题，我们提出采用颅骨参考系而非地面参考系来描述头部撞击过程中的脑变形。基于大脑的刚体旋转，我们给出了关于惯性力如何引起脑应变的力学分析理论框架。由此，我们从理论上证明角加速度决定脑应变，并利用有限元头部模型通过数值仿真加以验证。我们也解释了为何先前基于峰值的研究得出相反结论：在特定情形下角速度决定脑应变。此外，我们利用同一框架表明线加速度以不同于角加速度的机制引起脑应变。然而，由于大脑对压缩和剪切的抵抗不同，线加速度引起的脑应变相较于角加速度而言较小。