建模高血压作为滥用性头部创伤视网膜出血的贡献者

抽象的

视网膜出血(RH)是虐待性头部创伤(AHT)的指示性和普遍现象，但AHT导致RH的直接原因尚不清楚。我们的假设是，AHT中的RH是摇晃力和高血压的结合。这种综合效应解释了为什么RH在普通儿童事故中通常不被观察到，而在AHT中几乎完全被观察到。设计了一个使用猪眼的实验模型，以确定突然的RH所需的压力变化，并通过计算机模型，确定随后血管中的压力增加。猪眼经上颌动脉插管加压至灌注和RH。用计算机控制的连续流动注射器泵将流体注入头部;灌注时记录眼底录像;同时也记录了进入眼睛的液体的压力。在COMSOL中创建了一个计算机模型来模拟高血压、震动和各种力的组合所产生的负荷。通过猪模型收集的实验数据验证了该模型的有效性。 It was found that hypertension or shaking alone did not cause an increase in stress required to cause RH. But when the loading of shaking and hypertension was combined, as would occur in AHT, the stress increases were greater than those extrapolated from the porcine model and would cause RH.

1.介绍和审查

辱骂头部创伤（AHT）是一个令人痛苦的顽固，没有外部可见的创伤，但持久的脑伤。AHT，也称为摇摇婴儿综合征，当看护人抓住婴儿的婴儿并猛烈地摇晃婴儿时发生;扭转前后的头部的运动会导致脑和眼睛出血[1］．AHT中关于创伤性脑损伤(traumatic brain injury, TBI)机制的两种主流理论是:大脑接触颅骨造成挫伤和脑震荡，脑在颅骨内的运动导致硬脑膜和软脑膜之间的血管撕裂[2那3.］．这两种损伤机制都不需要对头部进行外部冲击，但在没有合理怀疑的情况下确定虐待是否发生是有问题的。每年约有1400名婴儿遭受这种虐待，死亡率约为30% [4.］．AHT发生的唯一可见迹象是视网膜出血(RH) [5.］．RH出现在85％的AHT确认病例的上升情况上发生[6.-8.］．眼睛的伤害可能需要更多的创伤，而不是需要对脑造成伤害的伤害 - 暗示如果存在RHS，那么大部分可能发生了软血动性出血[9.］．但AHT引起RH的机制尚未得到证实。我们认为，大出血是由震动力和高血压引起的血压升高共同作用的结果[10.］．

从AHT的TBI中，视网膜出血在TBI中普遍，并且脑损伤的严重程度与RH的程度呈正相关[6.那11.-13.］．在80％的AHT病例中观察到RH，而RH仅在不到12％的意外TBI中观察到[6.那11.-13.］．RH可以出现点或火焰的形状，这两种类型的出血在AHT中可见，我们在猪模型中观察到[14.那15.］．三分之一的AHT病例没有伤病的外部迹象表[11.那13.］．在意外和造成的TBI中，缺席脊髓损伤[13.］．区分意外TBI从AHT中存在外部损伤，如瘀伤，骨折和颅骨骨折;此外，对婴儿观察到的外部伤害与事故和证人和护理人员的见证符合[11.那13.］．AHT最严重的损伤是对大脑的损伤。

工程界推测，眼睛因颤抖而产生的紧张和压力会导致血管破裂[16.-18.］．有限元模型的结论是，滥用可能会对足够的力量引起RH。拟人模型已被用来从摇动，下降和其他活动，良性和恶毒的应用，适用于适用于婴儿的加速力。成人志愿者猛烈地震动了人类娃娃以模拟AHT;志愿者能够在1068.3 rad / s向上产生角度加速度²[19.-22.］．来自滥用的测量加速度大于正常活动的加速度，但少于所需的加速度导致脑损伤的单个丢弃事件。Prange的实验中的角速度曲线在本文的RH计算机模型中使用了[19.］．

身体对创伤的反应之一是高血压，即血液流动和压力增加，以帮助受伤的器官。如计算机模型所示，高血压会增加血管壁的压力负荷。钝挫伤儿童(0 - 15岁)的收缩压明显高于正常水平[23.那24.］．与健康儿童的心率相比，受伤儿童的心率增加了一点，但不会显着。对于婴儿（<1年），钝性损伤的平均收缩压为105mmHg，常量高于14mmHg [23.］．TBI病例的收缩压增加与钝性损伤的压力增加相似。具有TBI的婴儿平均血压为117 mmHg，上方的26mmHg增加了[24.］．CRA(视网膜中央动脉)的动脉血压与收缩压直接相关，因此收缩压升高也会使CRA的血压升高[25.］．

当血压离开主动脉时是最大的，并随着血液在全身循环而降低。血液中由心脏跳动产生的脉动压力波被动脉的弹性特性所抑制，因此较小动脉中的血压被认为是恒定的[26.］．眼科动脉的血压直接对应于臂动脉压力，其比例为0.68 [27.］．在健康受试者中，血液的容积流速与这些血管的直径成正比。船只在72和185之间μ.在成年男性中的直径为眼睛;体积流量为38.1±6.2和43.4±8.9 μ.L / min和对应流量为模型部分找到[28.］．血液在15到20mmHg的静脉压力下留下了眼睛，略高于眼内压力[29.］．综上所述，AHT患者眼动脉血压在57 ~ 79.6 mmHg之间。

眼球内的足够高的血压已被显示为引起RH，有些人假设高血压可以引起RHT [13.那14.那30.那31.］．然而，由于来自AHT的RH的原因，静脉阻力增加的相应证据是观察中心视网膜静脉阻塞在AHT中没有观察到的可区分模式产生RH [6.那7.］．然而，促进直接相对湿度所需的直接压力还没有通过实验或经验来确定。

RH已在Bungee Jumpers中观察到，而Bungee跳跃是成人活动;来自Bungee跳跃的身体眼睛和生理反应的物理力量与AHT类似。倾向于蹦极跳跃病例的医生将RH归因于快速的DEACCELERATION和眼循环系统的压力增加[32.那33.］．因此，来自Bungee跳跃的Rh支持假设，即出血可以由加速和高血压组合而没有物理接触。

由于脑形态和解剖学对人类的相似性，为实验选择了猪眼[34.］．RH在猪遭受快速加速和头部撞击时进行了检测;然而，结果一直模棱两可。经过单次快速轴向旋转的仔猪没有表现出任何RH [35.］．然而，在一个非常相似的实验中，73％经受快速横向旋转的仔猪表现出RH [36.］．综述了血流眼血流和从猪眼的路径1．由于眼睛和脸部的血液来源相同，所以在其他身体活动中，血液流动会受到干扰[37.-39.］．在全球范围内，猪眼睛和人眼都表现出类似的全息特性，但在毛细血管和眼睛层的结构上有一些不同。与猪眼相比，人视网膜内的主要血管位于较深的地方，猪眼靠近界限膜并向玻璃体突出。猪的眼睛和婴儿的眼睛具有网状分布的毛细血管的重要特征，猪的毛细血管在视网膜的深度略低[37.］．这些特性使隔离的猪眼可用于实验模拟力和在视网膜上的载荷代替使用人眼。

2.猪体外高血压实验

为了模拟眼睛的高血压，开发了前体内模型。猪眼是插管的，并且整个眼睛灌注流体。液体的压力增加，直到通过插入缘线的内窥镜观察Rh。通过电脑界面进行控制和记录流体压力和流量，通过计算机界面进行后置分析。如概述中所述的模型的细节如下所述。

２.１.材料和方法

猪头是从德克萨斯州科技部门的动物和食品科学营养研究项目获得[40］．猪来自爱荷华州立大学的RFI群，大约6个月大，在牺牲时重达大约70公斤。每组致命的议定书，这些动物被安乐死。头部与C1椎骨的身体分离并储存在冰上。所有动物在死亡的40小时内使用，平均延迟19小时。

眼睛的插管通过上颌动脉完成。一个8到10厘米的窗户是在头部的眼睑下来的。除去任何可见的肌肉，特别是肌号。颧弓被靠近窗口的边缘切割并与任何新暴露的肉体一起移除。暴露的下颌骨被除去。暴露在颌骨下方的肉体下的蝶骨骨附近的眼科动脉和静脉。在上颌动脉中制造一个小狭缝。将硅塑料管（2.41mmOD，1.57mm ID）插入动脉中，推送到眼睛的底部，并用缝线固定到位[10.］．

与计算机接口一起配合使用注射器泵，压力传感器，侧孔孔和相机如图所示2并在记录眼底的同时向眼内注入液体。使用连续流注射器泵(Harvard PHD HA 2000 Push-Pull/ continuous flow Configuration, INSTECH, Plymouth Meeting, PA)将含有绿色荧光素盐的克雷布斯-林格碳酸氢盐溶液注入眼睛。注入的流量由LabVIEW中创建的自定义接口控制(National Instruments, Austin, Texas)。安装了一个压力传感器(PX309, Omega Engineering Inc.， Stamford CT)，记录流体进入井口之前的压力。在眼睛的晶状体上做了一个小的狭缝，通过这个狭缝将带摄像头的孔镜(1800内窥镜，Bradenton FL)插入眼球;在LabVIEW中压缩录制眼底视频。

如图所示，通过观察视网膜动脉中的染料，证实了眼睛的灌注3.．如果在眼底中没有观察到染料，则拒绝眼睛。在实验期间始终记录压力和流量，而视频记录被选择性地激活以节省计算机存储器。将校正因子应用于数据以考虑换能器和插管点之间的压力。校正因子是通过尽可能近端切割到眼睛并记录开放管中的流速的压力来确定校正因子。

2.2。结果

在Microsoft Excel 2007（Microsoft，Redmond，WA）和Minitab 17（Minitab，州立学院，PA）中分析了实验结果。所有统计测试使用0.05的α置信度水平。在灌注压力下观察到正常性（ ），沉降压力（ ），脉络膜灌注（ ），和rh压力（ ）。各组的方差相似（ ）。单侧T.- 最低用于比较具有视网膜灌注压力和RH压力的沉降压力。

对11头猪17只眼进行了眼灌注观察。如图所示，绿色的Krebs溶液在视网膜内灌注3.．该泵以100的流速将凝血血液的平均压力（SD = 15.73）的平均压力克服克雷德血液的电阻 μl / min（模式，N = 11). The pressure dropped after overcoming the initial resistance to an average steady pressure (m= 28.61 mmHg, SD = 15.40，T. = 2.00, ）。在平均压力32.14 mmHg (SD = 14.11)的情况下，8只眼脉络膜发生灌注，视网膜浅部可见暗绿色染色。

随着眼睛的压力增加，rh被观察为亮绿点 - 通常出现在动脉的分叉附近，如图所示4.．在平均压力39.45 mmHg (SD = 11.43)时首次观察到RH。破裂压力大于沉降压力，平均差为10.84 mmHg (T. = 2.01, ）。裂断的次数增加，如图所示5.，随着时间的推移和压力在AHT中观察到的类似图案中的眼睛增加。

3. AHT计算机模型

为了计算震动和高血压均隔离和结合的压力增加，在COMSOL Multiphysics（V4.4，Burlington，MA）中创建了一种计算机模型。从动物实验的图片中创建了相同的模型。创建了五种主要模型以计算视网膜中的应力：使用压力和流量的模型来自猪实验;一种控制模型，使用健康婴儿的血压;使用高血压的模型TBI;单独使用模拟摇动的模型;和结合摇动和高血压的模型。验证应力位置和增加并与动物实验的结果进行比较。

选择眼底图像以进入计算模型，因为RH是可见的，允许在有限元分析（FEAS）和实验模型结果之间进行比较。由于观察到血管的出血以泄漏到视网膜中而不是玻璃体幽默或视网膜和脉络膜层之间，所以计算机模型利用视网膜的薄2D部分进行分析。图像首次从绘图岛（V1R4，Dassault Systemes，Velizy-Villacoublay，法国）导入到起草软件中。如图所示，手动追踪眼底的血管边缘6.，为视网膜（R），血管壁（W）和血液（B）产生9个不同的结构域。域文件在COMSOL Multiphysics中导入并扩展到人眼比例。用于流体 - 结构相互作用（FSI）的COMSOL包装用于根据高血压来计算眼底内的位移和应力。为了比较来自所有装载条件的仿真结果，在近分叉和弯曲的模型中心选择了4个兴趣点（POI）。

3.1。眼睛材料特性

在文献中描述了视网膜，动脉壁和血液组织的材料特性，并在表格中给出1[41.-44.］．在少数情况下，物质性质不适用于人体组织，牛或猪组织性能的值被取代。牛视网膜密度用于视网膜材料[41.］．猪泊松比和杨氏模量用于模型中的血管壁[44.］．使用脉冲数据确定血液的动态粘度，并在以下等式中给出[45.]： 在哪里为粘度是剪切速率。

3.2。血液速度出口

出口条件在所有婴儿模型上保持恒定。通过插值来自Grunwald论文的值来确定血液的正常流速[28.］．测量每个出口的长度，并且在表中给出了相应的出口速度和出口O1，O2和O3的流速2．假设出口是圆柱形的，因此COMSOL计算正常速度和速度曲线。

3.3。血压输入

来自健康婴儿的正常血压和由于TBI引起的高血压增加。如上所述，对于健康的6个月大婴儿的63mmHg的眼科动脉血压用于基线模型。对于TBI和AHT计算机型号，使用79.6mmHg的眼科动脉压力的折磨高血压。

3.4。辱骂加速

从拟人模型，Prange等人。能够测量头部的角速度从模拟滥用摇动[19.］．从角速度，使用等式计算正常加速并转换为每个元件的体重（2） 在哪里是力量，是密度,是距离胸部到眼睛的距离，还有是角速度。在有限元模型中，将计算得到的载荷分别施加于固体域和流体域，使容器内的应力增加最大:

3.5。计算机模型验证

在FEA模型中的应力和应变浓度和猪模型中的RH的位置具有正空间相关性。可以在图中观察到7.，应变的位置在应力浓度的相同位置发生在与在猪视网膜中观察到的出血的相同区域中，这与箭头表示。这种相关性使信任成为FEA模型的空间准确性。空间验证支持计算，虽然不直接测量，但是通过FEA模型预测的压力的增加。

3.6。exvivo Rh实验模型

利用猪实验结果建立了基线有限元模型，并建立了促进RH的应激增加。实验中使用的进入眼睛的流量除以6，以说明进入眼底的动脉数量，并应用于有限元模型的入口。整个模型域的压降可以忽略不计，因此将测量到的压力施加到模型中的每个出口，以满足计算需求。产生RH所需的应力变化是通过找出沉降压力和观测到的RH压力之间的差值来确定的。沉降压力入口流速为2.46 cm/s，出口压力为28.61 mmHg。表中给出了poi的von Mises应力值3.以及位移和体积应变。观察到的RH压力模型的平均流速为14.73cm / s，比观察到的沉降压力模型大50％;在流体出口处使用39.46mmHg的压力，其增加38％以上沉降压力出口。表中给出了poi的von Mises应力值4.，它们在沉降压力下平均增加了40％。RH模型POI位移比沉降模型更多为48％。

3.7。健康婴儿基线模型

使用健康六个月幼儿的参数进行基线控制模型。63mmHg的血压用于计算视网膜中的初始内应力。与出口相比，计算的流体压力从入口下降1.6mmHg，这减少1.6％。还确定组织的初始位移以供参考。表中介绍了兴趣点的压力值的von5.随着流离失所。

3.8。TBI婴儿模型

由于滥用，TBI最佳地模拟了从高血压的眼睛中的压力。使用Loizou的伤害数据，高血压眼科血压计算为TBI的受伤婴儿79.6 mmHg [24.］．动脉墙内的von误区近7000 pa，对基线墙压力增加了30％。视网膜中心的von误解压力在500 pa和1000 pa之间。von误认为表中的pois的压力值6.平均比基准模型高出20%poi组的位移比健康婴儿多34%。最大位移比健康婴儿模型大19%，且发生在与其他模型相同的位置。

正如预期的那样，眼睛压力的增加与血压的升高有很强的相关性。POI应力作为血压的函数的结果将在下面讨论。线性关系非常强(R.² ≈ 0.99) for the average von Mises stress as a function of blood pressure. For a change in pressure, the stress increased the most for the TBI infant models with the greatest numerical increase of 283 Pa at POI4 and the greatest percentage increase of 28% occurred at POI2 as compared to the healthy infant eye. The least numerical increase in the von Mises stress compared to the baseline model was 29.1 Pa which occurred at POI1. The von Mises stress increased by the least of 2.9% at POI3. The preliminary results establish that the model was behaving as expected and properly constrained. The stress increase from hypertension alone was not significant enough to cause failure when compared to the failure stress increase in the porcine model. The maximum displacement occurred in the same location for all models near POI3. The maximum displacement for the POI, like the other models, occurred for the TBI infant models, at POI3 which was 4.7 μ.M比基线模型增加了36%。

3.9。辱骂摇晃TBI模型

来自滥用摇动的身体力量适用于AHT模型以及79.6 mmHg的高血压眼压血压[24.］．由于TBI从AHT的TBI，这种模型最好地模拟来自孤立的高血压的压力。表格中给出了应力和位移的平均值和最大值7.．与基线模型相比，最大von Mises应力增加了28%。POI2的von Mises应力最大百分比增加50%发生在1秒的震动后。POI1和POI4的von Mises应力增幅分别为37%和26%，二者同时发生。

3.10。无高血压震动模型

使用63mmHg的健康血压，还将摇动加速应用于非高压模型。仅摇动的压力小于高血压引起的应力。最大位移为17.7 μ.m表示poi发生在POI3。其余poi的应力和位移值如表所示8.．

与婴儿创伤性脑损伤模型相比，仅由震动加速度引起的压力增加是最小的。与TBI模型相比，加速度场的平均位移增加了24%，von Mises应力平均增加了12%。与TBI相比，颤抖时POI位移的最大差异为67%，发生在POI4。虽然振动模型和TBI模型的平均应力相似，但振动模型的最大位移和最大应力明显更大。

4.实验数据的相关性与计算的研究与讨论

如上所述，猪与FEA模型之间的空间相关性很强。在图中7.，该模型与创建它的猪模型基底的相同部分配对。在该图中，可以在两个正确图像中的猪模型眼底中的相应RH与相应的RH相对，在FEA模型中的动脉中的应力浓度。在顶部图像中看到的初始RH继续开发，因为在右下图像中可以观察到压力。猪模型动脉在FEA模型预测的同一位置破裂，RH的位置与图中箭头表示的应力增加的位置相匹配7.．

模型和基线计算机模型之间的增加在表中列出9.．在猪FEA模型中引起Rh的压力增加平均为von误解压力的39％。高血压模型和稳态滥用模型的计算最大压力增加显着小于猪模型中的应力增加。经受摇动的非高压模型中的应力也小于基于计算机的破裂应力。摇动模拟中的体积菌株和位移大于在猪模型中引起RH所需的菌株。

当FEA模型的底部受到创伤性脑损伤(TBI)引起的高血压时，压力和应变的增加明显小于引起RH所需的增加。当模型仅仅受到摇晃的力量(没有高血压)时，压力也没有增加到足以引起RH。但在每种情况下，应力增加的位置都与猪模型中观察到的RH相对应。

当有限元模型同时受到高压和震动的作用时，应力的增加是复合的。综合加载产生的应力和应变大于从基准猪有限元模型计算的增量。在几种情况下，如表中斜体所示9.，增加显着大于猪模型中的增加。因此，模型仿真支持高血压与摇动力相结合的假设是AHT中RH的贡献者。

鉴于压力变化与动物模型中rH所需的压力增加相当，RH由于高血压引起的RH机制是可行的。另外，眼睛受到滥用期间持续运动的压力，这与来自高血压的应力提供了可能的原因，为什么Rh几乎完全在AHT中发生。事故中的力和应力随损伤后发生的高血压的时间分离。在AHT中，来自加速度和高血压的应力同时导致RH。

导致血管破裂所需的压力变化是在高血压引起的血压变化范围内。钝挫伤导致婴儿收缩压升高22毫米汞柱[23.那24.］．眼科动脉中的压力与肱动脉压力的压力成比例地对应[25.那27.］．因此，视网膜动脉损害由创伤引起的高血压的血压大幅增加。猪模型表明RH可以单独压力引起。猪眼只需要增加10.84mmHg的压力，导致Rh比高血压婴儿增加的RH;考虑到猪视网膜中的脉管系统与人类相比浅，预计较低的压力会促进破裂[37.］．系统性恶性高血压单独可导致RH，在高血压发病数天至数周后出现[13.那14.那30.那31.］．但是容器中的应力将瞬间发生高血压，这使得随着摇动的应力混合可以使血管瞬间破裂。因此，应考虑血压高血压增加，在引起眼睛中的出血中具有显着作用。

捕获杂志中，猪的猪FEA模型中的应力增加是von误解的平均值39％。高血压模型的计算最大应力增加显着低于猪模型的压力增加。经受摇动的非高压模型中的应力小于基于计算机的破裂应力。如在FEA模型中所观察到的，高血压导致视网膜内的显着压力增加。摇动SAN高血压的压力小于单独的高血压的压力。既不是其他情况一样的情况超过了猪眼的计算应力增加。

在AHT中，婴儿的眼睛将受到摇晃和高血压的压力。随着婴儿正在摇晃，身体具有伤害适应性反应和高血压发生。来自两种负载条件，摇动和高血压的组合应力超过了基线猪模型中的增加导致RH。压力的组合为什么在普通童年事故中未观察到Rh的原因，但在AHT中观察到[10.］．在秋季或相似的常见事故中，由于损伤事件的持续时间短，损伤机制终止后发生身体的生理响应，从身体损伤的应力及时分离出来。在AHT中，对婴儿的伤害具有较长的持续时间，高血压的反射适应性响应，结合振荡应力，导致视网膜的额外应力;摇动和高血压的两个同时应力导致视网膜中的血管到出血。因此，为了引起血管破裂，需要存在条件，摇动和高血压，以超过眼睛的应力耐受性。

数据可用性

用于支持本研究结果的实验​​和计算数据包括在文章中。全套可以在作者的论文中找到（https://ttu-ir.tdl.org/handle/2346/66108）在论文中引用。

的利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

作者想对这项研究的种子授权表示感谢，Gordon Brake博士允许访问TTUHSC LARC和他的建议，以及来自TTU部门的动物和粮食科学院的德尔塔·彼得··彼得··彼得从她自己的研究。

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