一种评估追尾汽车碰撞中脑震荡潜力的算法:元分析

摘要

脑震荡给社会带来了越来越大的经济负担。机动车碰撞(MVCs)是造成脑震荡的主要原因，可能是由于头部的高加速度。速度变化量(即delta- )在MVC中，对车辆的影响是一个既定的衡量影响严重程度的指标。因此，本文的目的是通过对前人研究结果的分析，来确定delta-之间的关系和线性头部加速度，包括乘员参数。数据收集自先前的研究论文，包括线性头部加速度和δ-在事件发生时，乘员的头部位置，在撞击前的患者的认识，以及性别，年龄，身高和体重。统计分析揭示了三角洲之间的大大重大电力关系和头部加速度: ( , ）。进一步分析表明，沿着三角洲- ,碰撞前乘员的性别和头部位置是头部加速度的重要预测因素( 和 ,分别)。本文提出的最强模型被认为在生理学上是不可信的对应的理论冲击阈值80g超过-与死亡概率有关。未来的研究应该旨在提供MVCS中乘员头动力学的更全面的数据集，以帮助为三角洲之间的关系开发更强烈的预测模型头部的直线加速度和角加速度。

1.介绍

每年，超过200万美国人维持创伤性脑损伤（TBI）[1.]. 2010年，美国TBI患者的经济负担约为765亿美元[2.］.这不仅是经济上的负担，因为估计20%的患者将经历长期的损害和残疾，症状包括记忆丧失、抑郁和/或认知困难，造成巨大的和无法量化的人力成本[3.,4.］.根据疾病控制和预防中心的数据，导致脑外伤的第三大原因(14%)是机动车碰撞(MVCs)。追尾是最常见的mvc类型，占所有事故的40% [5.］.根据事故发生时所经历的一系列标准，tbi被分为轻度到重度。超过75%的持续性tbi被归类为轻度，也被称为脑震荡[6.］.

脑震荡被认为可能是头部高线性和/或角加速度的结果。研究表明，头部的线性加速与大脑所经历的压力密切相关[7.］.进一步的研究证实，大脑压力的增加会导致神经功能障碍，而神经功能障碍的水平与受到侮辱时所经历的峰值压力相关[8.］.另一方面，头部的快速角加速度导致剪切力的产生，导致脑组织损伤的可能性很大[9］.虽然关于脑震荡的线性阈值一直存在争论，但已经有人提出，头部经历的加速度超过80至90克将导致健康的年轻男性运动员脑震荡[10,11］.关于角加速度，已经发现当角头加速度低至1200 rad/s时，会发生脑震荡^2.[12］.

在追尾MVCs的案例中，头部经历的加速度似乎与碰撞过程中车辆的速度变化有关(也称为delta-)或）。δ-传统上被用作影响严重程度和程度的指标，是MVCs中乘员损伤的关键预测指标[13］.尽管科学界已经意识到头部加速度和δ -之间的关系 ,这种关系在数量上没有得到很好的理解。其他参数，例如住户职位[14,15或体重指数[16，也有报道会影响给定的delta-的头部加速度 ,但这些参数的影响还没有进行量化。对上述关系的定量理解很差，这可以解释为收集这些数据的测试具有挑战性。虽然已经使用ATD(拟人化测试设备)进行了一些测试，该设备旨在模拟人对MVCs中撞击的反应，但这些测试有一些局限性。为了用影响意识等参数来真正评估人类对mvc的反应，志愿者测试是必不可少的。然而，这项任务是一个具有挑战性的任务，因为这些测试只能在高度控制的环境中进行，以确保不会对受试者造成伤害，将测试限制在亚伤害速度。

本元分析的目的是确定线性头部加速度与delta-之间的关系并研究其他乘员参数对这种关系的影响程度。

2.材料和方法

2．1.搜索方法

在以下数据库中执行在线搜索：Science，PubMed和Google Scholar网络。在2018年6月完成的最后一次搜索中搜索所有数据库。搜索策略是基于以下关键词的组合：头部加速，脑震荡，脑损伤，头部运动学，三角洲 ,速度变化、机动车事故、机动车碰撞和追尾。该领域进一步缩小，仅包括以英语、法语或德语撰写的已发表文章。如果论文满足以下标准，则对其进行评估：调查人类对撞击反应的研究报告了测量的峰值头部加速度和增量-目标车辆/雪橇。因为自1969年以来，汽车制造商就被要求在车辆上配备头枕，此前的研究表明头枕是颈部扭伤时头部缩回的一个限制因素[17，任何不包括头枕的研究都被删除了。此外，研究表明，撞击前通过收缩颈部和上半身肌肉来支撑乘员，造成僵硬的“弹簧”，可能会限制头部运动[18］.因此，只包括了报道活人反应的研究。同样值得注意的是，虽然已经发现高线性和角加速度与脑震荡的可能性有关，但文献中关于角加速度的报道非常有限。因此，本研究只考虑考察线性加速度的论文。

２.２.数据收集

从选定的研究中收集了以下数据：(1)头部加速度:头部经历的峰值线性加速度(G)(2)δ- :碰撞时的速度变化（km/h）(3)碰撞前乘员的头部位置：空档或错位(4)乘员在撞击前的意识:是或否(5)居住者性别:男性或女性(6)居住者的年龄（年）（7）居住者身高(厘米)（8）乘员的重量（kg）

最终，检查了53项研究，其中14项被发现满足所选择的纳入和排斥标准，报告共139项碰撞。有时，由于研究专注于后端碰撞的其他方面，在论文中没有明确报告碰撞的兴趣参数。即，在Anderson等人之前没有报告患者在影响前的位置。[18， McConnell等人[19， Scott等[20.]，Szabo等人[21， Tencer等[22］.在这些情况下，除非作者另有说明，最初的头部位置被认为是中立的。Scott等人没有报告撞击前乘员的意识[20.]和Tencer等人。[22];Matsushita等未报道乘员的身高和体重[15]和Tencer等人。[22］.通过对三种不同的imputation方法的结果进行平均，进行多数据imputation来填补缺失的变量:该变量的观测值的平均值，从在其他变量上有相似值的个体中随机选择的值(热甲板法)，以及从在其他变量上有相似值的个体中系统选择的值(冷甲板法)[23］.

２.３.统计分析

采用SPSS (SPSS Inc.， Chicago, IL)和R (R Project, Auckland NZ)软件进行统计分析。采用SPSS软件进行最佳拟合线和多元回归分析。最佳拟合线使作者能够理解头部加速度与delta-之间的基本关系并建立初始模型(模型1)。为了了解所选参数对经验头部加速度的影响，进行了多元回归。基于这些发现，我们开发了一个二次模型(模型2)，通过执行另一个回归，只包括显著的预测因子( ）。最后，拟合完整的线性混合模型（型号3）在那些重要的预测因子上。

3.结果

从14个符合选定标准的研究中，139个碰撞被分析。确定的数据集显示头部加速度范围为0.6 - 17.2 g和delta-范围从1.3至11.1公里/小时。

初始曲线拟合分析了delta-之间的关系和头部加速度表明，最佳拟合线为功率曲线(模型1)，其定义方程如下(图1.）：

对于此模型发现该值为0.5913( ）。

相应地，变量delta-是发达国家。多元回归结果显示，在所有参数中，δ - ,撞击前乘员的位置和乘员的性别是头部加速度的唯一重要预测因素( , ,和 ,分别)。

因此，我们利用上述显著预测因子建立了一个二次模型(模型2)，得到如下方程:

对于此模型值被发现为0.5929（）。

为了进一步提高模型对所收集数据的拟合程度，我们开发了另一个模型(模型3)，得到如下方程，其中a值0.8215 ( ）：

4.讨论

这个分析的目的是确定线性头加速度和delta-之间的关系并研究其他乘员参数对这种关系的影响程度。重要的预测参数是性别(男性vs女性)和乘员在撞击前的位置(中立位置vs错位位置)。在此基础上，建立模型来预测给定三角洲的头部加速度 ,考虑撞击前乘员的性别和头部位置。

尽管相对较低在第一个和第二个模型中发现的值，他们关于头部加速度的预测与国家公路交通安全管理局(NHTSA)报告的数字是一致的，该报告指出，对于分布式影响，delta-的范围所有脑损伤的居住者的特征是14.5至136公里/小时，平均50.5公里/小时[24]. 然而，值得注意的是，本文所述的是轻度TBI。因此，这类损伤的阈值预计在该范围的低端。事实上，Viano和Parenteau[25]使用了NASS从1994年到2011年收集的数据，报告称35%的脑震荡发生在delta-在16 - 24公里/小时范围内，16%的脑震荡是由delta-引起的低于16公里/小时。对于居住者遭受轻度创伤性脑损伤，基于现有文献，理论的80克脑震荡阈值被使用。根据模型的预测(表1.)，雌性在低三角洲时头部会加速80克比男性。类似地，在位置之外的居住者与在位置的居住者相比，会经历较低的delta-V冲击。


头部加速度80克	性别	头位置	δ-(公里/小时)

模式1	NA	NA	47.69

模式2	女	就位	28.42
	男性	就位	28.64
	女	不在适当的位置	27.95
	男性	不在适当的位置	28.17

模式3	女	就位	204.60
	男性	就位	206.08
	女	不在适当的位置	199.14
	男性	不在适当的位置	200.61

虽然前两个模型给出的预测与NHTSA提供的数据一致，但第三个模型给出的预测在生理学上似乎不合理。这个模型表明，一个delta-的头部加速度可以达到80克高于-在文献中报道的有100%的机会持续严重至致命的伤害[26,27］.

有关性别对头部加速的显著影响的研究结果与之前的研究报告一致，即与男性相比，女性的头部加速峰值明显更大、更早[28］.可以假设，性别在节段几何形状、体型和质量分布(皮下脂肪vs.内脏脂肪;腰围和臀围)也可能对乘员的定位和对冲击的惯性反应起作用。关于这个话题，Viano [29]发现女性头部和躯干之间的相对加速度比男性高30%，并表明女性经历的较大的颈部运动是由于座位刚度和躯干质量之间的差异。

同样，在碰撞前的头部位置的影响已经被评估过，并且在追尾碰撞中，头部和头枕之间水平距离的增加被发现会增加头部速度[30.]，峰值头部运动学的大小和时间[31］.其中一种解释是，在撞击的时候，躯干会撞击座椅靠背，当躯干向前移动时，头部会向后落下。然而，关于这一主题的研究有限，因为大多数针对不同冲击前姿势的颈部和头部运动学的研究都集中在颈椎压缩而不是头部经历的加速度上[15］.

尽管统计分析未发现撞击前的身高、体重、年龄和颈部张力是头部加速度的显著预测因子，但性别之间的差异可以通过身高、体重、体重分布的总体差异以及肌肉差异来解释。此外，影响能量吸收能力的脂肪组织将影响头部和躯干之间的载荷和运动学传递机制。本研究中未发现的另一个重要预测参数是碰撞前乘员意识和相关颈部肌肉张力。亨德勒等人[32]研究表明，肌肉张力使受试者能够承受更高的雪橇加速度，而不会出现明显的颈部疼痛或颈部扭伤。此外，Kumar等人[33]显示出对撞击有预期的受试者的头部加速度显著下降。然而，在审查研究碰撞前意识效应的论文时必须非常小心，因为测试设计可能不能准确地代表在现实碰撞中没有准备的个体的反应[34］.最后，识别了座椅刚度对追尾碰撞中乘员运动学的影响，并发现了影响头部加速度[30.,35］.努力增加后端冲击保护，Melvin和Mcelhaney [36表示为了减少伤害占用潜力，座椅靠背应通过使用能量耗散材料为弹性能量进行最小的储存。

值得注意的是，虽然在该稿件中使用了80克的理论阈值，但该阈值仅代表了研究的群体。在接触运动，即足球和拳击，已经进行了大部分可用文献调查脑震荡阈值。在这些实例中研究的人口由年轻，运动，健康的男性组成。研究表明，其他群体如诸如偏头痛史，之前的脑震荡或脊柱病症的历史，之前的脑震荡或脊柱病症的群体可能具有更高的脑震荡的风险，因此可能对脑的阈值较低受伤 [37–39］.

考虑到提出的结果，重要的是要解决本文的局限性。尽管作者尽了最大努力来审查和选择用于本分析的论文，但所选研究在研究方法上是异质的。由于与控制上述参数的复杂性相关的无数困难，这些实验的重复性相对较低。此外，为了防止严重伤害，所有记录乘员运动学和头部碰撞反应的研究通常都要进行delta测试-根据14.5公里/小时的规定[15,21,40］.可以说，用于这些测试的假人和尸体的使用将使更多的数据集合更高的δ- ,但值得注意的是，这些选择并不总是能够完美地模仿人类对影响的反应。最后，在进行冲击研究和报告乘员运动学时，目前的文献没有报告角头加速度，而角头加速度被认为是比线性头加速度更好的TBI指标[41］.

未来的研究应该旨在提供一个全面的数据集头部运动学，包括头部角加速度分析。其他可能预测头部加速度和脑震荡的参数，如受试者意识、颈部和座椅刚度以及几何形状，也应进行前瞻性分析。要获得这一全面的数据集，有许多选项可用。首先，逆向工程可以从真实碰撞的数据中进行[42］.另一种选择是在志愿者身上进行模拟测试，并使用有限元模型分析，以研究高δ -时人类头部的反应 .然而，虽然数学模型和计算机模拟为准确分析乘员对碰撞模拟的响应提供了真正的潜力，但仍需要一个全面和准确的数据库，该数据库来自使用标准化方法进行的试验测试，以优化上述参数的控制。

5.结论

本文为定量认识三角洲与三角洲之间的关系提供了初步的尝试通过提出三种不同的模型来加速头部。潜在预测因素的影响也进行了调查，并揭示了性别和撞击前乘员头部位置对经历的头部加速度有显著影响。作者认为，潜在的因素，如身高、重量、乘员意识和座椅刚度，也可能是观察到的影响因素。这项研究的结果可能提供了与脑损伤相关的因素的见解，从而有助于改进安全措施的发展。

信息披露

这项研究是国家生物力学研究所的作者雇佣的一部分。

的利益冲突

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

致谢

作者谨对Felix Lee先生的贡献表示感谢。

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应用仿生学和生物力学

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