羊和人颏部受钝物撞击时动载变化特征及颞颌关节的缓冲作用*
作者：郝卫亚 王美青 何杨举 元方
单位：郝卫亚 何杨举 第四军医大学航空生物动力学教研室，西安 710032；王美青 元 方 第四军医大学口腔解剖生理教研室，西安 710032)
关键词：颏；撞击；生物力学
航天医学与医学工程/990305摘要： 目的 研究钝物撞击下颏时,下颌骨—颞下颌关节—颅骨复合体动载荷的变化特征。 方法 12具羊头颅随机分为两组，进行交叉对照实验；第一组先以v1=1.1m/s速度撞击3次，然后v2=1.6 m/s速度撞击3次；第二组的实验顺序则相反。2具人头颅先后分别以v1，v2被撞击3次。所有实验均由同一撞击物沿下颏至两颞颌关节连线的垂直方向撞击。 结果 在本实验条件下，(1)羊头颅交叉撞击实验表明，重复撞击对实验结果无影响(P>0.05)。(2)人头颅v1撞击时间t(44.14±3.33 ms)大于v2(39.23±1.60ms)，但无显著差异(P>0.05)；但v1撞击力FP(169.20±23.58 N)和撞击力FS(105.37±20.96 N)均显著小于v2(319.42±35.7 N，155.67±25.67 N)(P<0.01)。(3)若撞击速度相同，人头颅t显著大于羊头颅(P<0.01)，但是FP小于羊头颅(P<0.01)；二者撞击力变化曲线明显不同。 结论 (1)实验获得人下颏受钝物撞击的动载荷。(2)人类的颞颌关节的解剖结构使其能较好地缓冲外界冲击。(3)对于同一撞击对象，当撞击速度增加时，撞击持续时间减小，但撞击力和滑动力增加。
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中图分类号：R689 文献标识码：A 文章编号：1002-0837(1999)03-0173-04
Characteristics of Dynamic Loading and the Cushioning Effect of
Tempormadibular Joints during Impact on Chins in Goat and Man.
HAO Wei-ya
Department of Aerospace Biodynamics,The Fourth Military Medical University,Xi'an 710032,China
WANG Mei-qing,HE Yang-ju,YUAN Fang.
, 百拇医药
Space Medicine & Medical Engineering,1999,12(3):173～176
Abstract： Objective To investigate the dynamic load characteristics of mandible-tempormadibular joints (TMJ)-skull during blunt impact on the chin.Method Twelve goat heads were randomly divided into two groups,and were employed in a cross-control trial.Group 1 was first impacted by a blunt mass with a velocity (v1=1.1 ms) for three times,and then with another velocity (v2=1.6 m/s) for three times;group 2 was impacted with v2 and then v1 for similar times too.Two fresh human heads were experimented in the same way as goat heads in group 1.The same impact mass was used in all the experiments.The impact was exerted along the chin and vertically to the junctional line of both sides of TMJs. Result (1)The cross-control trial of goat heads showed that repeated impact didn't make any difference (P>0.05) in the results of our experiment.(2)The impact time (t) in v1 of human heads (44.14±3.33 ms) was longer than that of v2 (39.23±1.60 ms) but without any statistical difference (P>0.05),while the peak values of impact forces (FP) and slide forces of v1 (169.20±23.58 N,105.37±20.96 N) were both significantly lower than those in v2 (319.42±35.7 N,155.67±25.67 N)(P<0.01).(3)With the same impact velocities,the human groups had longer t(P<0.01),but lower FP (P<0.01) as compared with the goat heads;furthermore,their force-time curves were different. Conclusion (1)The dynamic load curves of human heads during impact on chins were obtained.(2)The anatomy structure of human TMJs enable it to well cushion the impact forces.(3)The impact forces rise significantly with the increase of impact velocity with which the impact time decrease.
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Key words：chin;impact;biomechanics
在航空、航天、交通、体育、及各种意外事故中，下颌骨常受撞击力作用而致人体头颈、脑、下颌部创伤。下颌部创伤可能会导致颞颌关节通行性病变和机能障碍。傅开元等[1～3]人为造成家兔创伤，然后分别用X线、光镜、电镜和超微结构观察，证明创伤可导致颞颌关节退行性病变。人们认为，这些病变是由于下颌部创伤时关节受力过大引起的[4，5]。有关人体下颌撞击实验的报道很少。King[6]对人体头颈部和下颌骨进行了冲击力学模型分析，但结果不理想；王以进等[7]模拟航空救生中飞行员弹射时头部气流吹袭载荷曲线，对下颌骨进行了冲击实验研究。目前，仍未见有关意外伤害中下颌骨受到撞击时颞颌关节受力的报道。只有Hatcher等[4]在离体状态下测量在生理咬合时颞部肌肉和颞颌关节的受力；Fulbner等[5]通过建立三维数学模型探讨了颞颌关节在最大咬合时的受力；胡敏等[8]建立颞颌三维有限元模型研究功能咬合时髁状突受力分布状况。本文旨在探讨颏部在受到不同速度钝性撞击时动载荷变化特征，为进一步研究颞颌关节及其与周围组织力学关系提供必要实验数据。
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力学模型
从力学角度来看，下颌骨—颞颌关节—颅骨是一个杠杆系统；在这个杠杆系统中，下颌骨可以看作是以颞颌关节为轴心的杠杆。当下颌骨在颏部受到撞击时，如果撞击力方向在人体矢状面内侧这个力总可以分解为两个力：F1、F2(图1)。F1沿着下颏与左右颞颌关节连线的垂直方向；F2垂直于F1。很明显，F2使下颌骨与上颌骨相互作用，只有咬合效应。而F1通过颞颌关节传递到颅底的关节窝。因此，研究钝物撞击下颌骨—颞颌关节—颅骨间力学关系时，需要研究F1的动态变化特征。
图1 撞击下颏部时受力分析
Fig.1 Force analysis during impact on the chin
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基于以上分析，本实验撞击方向沿着下颏至两颞颌关节连线的垂直方向(F1方向)。
方 法
材料和仪器 湿润新鲜成年健康山羊头颅12具，雌雄不拘。湿润新鲜男性成人头颅2具，均无头部外伤。5122型石英力传感器(航天部702所)，频率0.2～40 kHz；3114型电荷放大器(航天部702所)工作频率0.2～50 kHz；A1021型磁带记录仪(日本，SONY公司)，工作频率0～100 kHz；SR54型阴极射级示波器(宁波无线电厂)；7T17型信号处理机(日本，三荣测试公司)；IBM PC计算机。
实验在摆锤式动物撞击装置上进行。该装置由摆锤式撞击台和万能支物夹具台组成。为了得到不同撞击速度摆锤可以提升至不同高度。摆锤释放后下落打击撞杆(质量约12 kg)，使其具有一定速度。撞杆通过撞击头撞击颏部。撞击头与实验标本下颏部接触面为曲面，撞击头质量200 g，力传感器固定于撞击杆与撞击头之间。
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羊头颅交叉撞击实验 剔除羊头颅顶部软组织，暴露颅骨，切除部分颌骨，锯掉头角，保留下颌骨及颞部软组织和骨组织。用石膏包裹颅顶。包裹的石膏形成一个面与F1方向垂直，作为撞击时的支撑面：另一面与F1平行，以便置于撞击台上固定加载。标本准备好后置入约-10℃的冰箱冷冻保存备用，存放时间最多5 d。
实验前24 h将标本从冰箱中取出，置室温环境解冻。标本随机分为A、B两组，每组6具。实验时，将羊头固于万能夹具台上，A组以v1=1.1 ms速度(撞击杆)撞击三次，然后以v2=1.6 ms速度撞击三次。B组以v2撞击三次，然后以v1撞击三次。被撞部位均为标本下颏，撞击方向沿着下颏至两颞颌关节连线的垂直方向。撞击时，以力传感器测量撞击力随时间变化曲线。力信号经放大录于磁带记录仪上，并以示波器监测信号。撞击结束后，将磁带机记录信号输入信号处理机，采样间隔9 μs，最后将数据传入IBM微机。
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人头颅撞击实验 剔除人头颅顶部软组织，暴露顶部颅骨，保留颞部和下颌部软组织和骨组织。与包裹羊头颅相同的方法，用石膏包裹颅顶以便加载固定。每具头颅先以1.1ms的速度撞击3次，然后再以1.6 ms的速度撞击3次，其他方面与羊头颅实验方法完全相同。
统计学处理 数据以
±s表示，用SPLM软件包中Student t检验。
结 果
羊头颅实验结果
交叉实验结果证明，在本实验撞击条件下，如果撞击物撞击速度相同，重复撞击对羊头颅撞击的撞击时间(t)、撞击力达峰值时间(Time of force reach its peak value,tp)和撞击力峰值(peak force,Fp)均无显著影响(P>0.05)，同时，撞击力随时间变化曲线均呈撞击形(impact profile)变化特征(图2)，撞击速度变化只引起波形幅值变化。表1为以撞击速度分别是v1和v2时，两组羊头统计结果：其中组1包括A组的一次和B组的二次实验结果，组2包括B组的一次和A组的二次实验结果。
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图2 羊下颏撞击力随时间变化曲线
Fig.2 Representative force-time curve of impact against a goat's chin 表1 羊头颅撞击实验结果(n=36，±s)
Table 1 Results of impact on goat chins (n=36，±s) 组别
(groups)
速度
(velocity)(m/s)
时间
, 百拇医药
(time)(ms)
力峰值时间
(peak force duration)(ms)
力峰值
(peak force)(N)
1
1.1
33.57±4.67**
16.72±2.81**
333.45±56.92**
2
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1.6
30.31±2.73
14.59±2.38
493.94±65.25
注：n是统计数据数目，而非实验样本数 Note:n is the number of statistical data,but not number of samples
人头颅实验结果
撞击力随时间变化曲线 图3是撞击速度为v2时人头颅撞击力随时间变化曲线。速度为v1撞击力变化曲线波形与此相同，只是幅值不同而已。可以从波形看到，当撞击力达到一定值时撞击力有一回落，我们称这时的撞击力为滑动力(slide force,Fs)。
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图3 人下颏撞击力随时间变化曲线
Fig.3 Representative force-time curve of impact against a human chin
撞击持续时间、达峰值时间、撞击力峰值和滑动力 表3是两人头颅重复实验的统计结果。人头颅的滑动力Fs随速度的增加而显著增大(P<0.01)；而t和tp随速度增加而降低，但并不显著(P>0.05)。
人头颅与羊头颅结果比较 用统计方法分别比较人和羊头颅撞击时间t和tp均显著大于羊头颅(P<0.01),而Fp显著低于羊头颅(P<0.01)。撞击随时间变化曲线亦不相同，人头颅撞击力有一回落，而羊头颅没有(图2，3)。
讨论与结论
方法分析 本文首先通过羊头颅交叉实验，证明在本实验撞击力较小条件下，重复撞击对本实验观察指标(t,tp,Fp)和动载荷曲线无显著影响。然后，进行人头颅重复撞击实验，解决了标本缺乏引起的数据不足的矛盾。尽管如此，实验人头颅标本仍然偏少，很难反映出个体差异，这方面有待于继续探讨。
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本实验是从冲量定理出发进行实验设计，在文献[9]中已进行了详细讨论。
表2 人头颅撞击实验结果(n=6，±s)
Table 2 Results of impact on human chins (n=6，±s) 组别
(groups)
速度
(velocity)(m/s)
时间
(time)(ms)
, 百拇医药
力峰值时间
(peak force duration)(ms)
力峰值
(peak force)(N)
滑动力
(slide force)(N)
1
1.1
44.14±3.33
20.78±3.04
169.20±23.58**
, 百拇医药
105.37±20.96**
2
1.6
39.23±1.60
19.51±1.58
319.42±35.70
155.67±25.67
结果分析 人头颅与羊头颅撞击力峰值Fp和撞击时间t都有显著差别(P<0.01)。例如撞击速度为v1时，人头颅撞击时间相对羊头颅撞击时间增加了30%，而Fp减小了45%。这是因为人头颅撞击时间增加，使它意味着有较长缓冲时间，从而有效降低了撞击力峰值。
对于同样撞击对象，例如人头颅撞击速度由1.1m/s增加到1.6m/s后撞击时间减小约11%(并不显著)，而撞击力显著增加(约88%)，滑动力增加48%。该实验结果说明随着撞击速度增加，撞击力迅速增加，并可能呈非线性增长关系。
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比较人和羊下颏撞击力曲线可以看出二者显著不同，前者在撞击力达到一定时，有一明显波动。这一区别的原因可能在于二者的颞颌关节解剖结构有不同之处。人的颞颌关节窝比髁状突明显地大，关节囊较松驰，关节盘将关节囊分为上下两个腔，分别称为滑动关节和铰链关节[10]。当撞击力在人体正中矢状面时，这种结构使髁状突运动有两种运动，即转动运动和滑动运动[10]。本实验中，撞击力在正中矢状面内，而且撞击力沿着从下颏至左右两颞颌关节连线的垂直线内，基本上可避免下颌绕颞颌关节的转动运动，只有下颌骨在髁突处连同关节盘相对关节窝发生相对滑动。这种滑动运动具有缓冲作用使撞击时间增加，撞击力峰值降低。羊颞颌关节大体上与人的相同，但是羊颞颌关节窝与髁状突结合较紧密下颌只能绕关节开口、闭口和侧运动[11]。下颏受撞击时，髁状突无明显滑动，导致它受撞击时间明显短而撞击力峰值较高[9]。
力学原因是颞颌关节软骨变性和功能紊乱的很重要原因[4，5，12]，它主要与承受应力和应力峰值总数有关。由于解剖和技术方面限制，目前仍无法用实验方法直接测量颞颌关节处应力，只能依靠数学模型计算。本实验证明：在同样撞击速度下，人受撞击力峰值较低，意味着颞颌关节及其周围组织器官受到应力作用较小，从而在一定程度上保护颞颌关节及相邻组织。因此，人体颞颌关节的缓冲作用对保护颞颌关节及其周围组织有重要意义。
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本实验获得的动载曲线为进一步研究颞颌关节在撞击作用下的瞬时响应和建立其数学模型提供了必要的实验数据。
*基金项目：国家自然科学基金资助(39370195)
参考文献
[1]傅开元，马绪臣，张震康.创伤对家兔颞下颌关节—扫描电镜观察[J].中华口腔医学杂志，1995，30(5)：277～279
[2]傅开元，马绪臣，张震康等.创伤对家兔颞下颌关节的影响—X线及光镜下观察[J].口腔颌面外科杂志，1996，6(2)：108～111
[3]傅开元，马绪臣，张震康等。创伤致家兔颞下颌关凶滑膜和软骨超微结构的改变[J].中华口腔医学杂志，1998，33(1)：18～20
[4]Hatcher DC,Faulkner MG,Hay A.Development of mechanical and mathematical models to study tempormandibular joint loading[J].Journal of Prosthetic Dentistry,1986,55(3):377～384
, 百拇医药
[5]Fuldner MG,Hatcher DC,Hay A.Atree-dimensional investigation of tempormandibular joint loading[J].Journal of Biomechanics,1987,20(10):997～1002
[6]King I.Mathematical modeling and experimental testing of biomechanical system crash response[J].Journal of Biomechanics,1976,9(4):301～317
[7]王以进，李 进，苏建良等.下颌骨冲击损伤的实验研究[J].中国生物医学工程学报，1993，12(4)；304～308
[8]胡 敏，周继林，洪 民等.髁突应力分布研究[J].中华口腔医学杂志，1996，31(4)：214～216
[9]郝卫亚，王美青，何杨举等.人和羊下颏受钝物撞击的实验研究[J].第四军医大学学报，1996，31(4)：214～216
[10]皮 昕主编.口腔解剖生理学[M].第3版，北京：人民卫生出版社，1994：72～80
[11]马仲华主编.家畜解剖学及组织胚胎学[M].北京：农业出版社，1981：92～93
[12]徐樱华主编.实用学[M].成都：四川大学出版社，1990：80～81
收稿日期：1998-08-10, 百拇医药
单位：郝卫亚 何杨举 第四军医大学航空生物动力学教研室，西安 710032；王美青 元 方 第四军医大学口腔解剖生理教研室，西安 710032)
关键词：颏；撞击；生物力学
航天医学与医学工程/990305摘要： 目的 研究钝物撞击下颏时,下颌骨—颞下颌关节—颅骨复合体动载荷的变化特征。 方法 12具羊头颅随机分为两组，进行交叉对照实验；第一组先以v1=1.1m/s速度撞击3次，然后v2=1.6 m/s速度撞击3次；第二组的实验顺序则相反。2具人头颅先后分别以v1，v2被撞击3次。所有实验均由同一撞击物沿下颏至两颞颌关节连线的垂直方向撞击。 结果 在本实验条件下，(1)羊头颅交叉撞击实验表明，重复撞击对实验结果无影响(P>0.05)。(2)人头颅v1撞击时间t(44.14±3.33 ms)大于v2(39.23±1.60ms)，但无显著差异(P>0.05)；但v1撞击力FP(169.20±23.58 N)和撞击力FS(105.37±20.96 N)均显著小于v2(319.42±35.7 N，155.67±25.67 N)(P<0.01)。(3)若撞击速度相同，人头颅t显著大于羊头颅(P<0.01)，但是FP小于羊头颅(P<0.01)；二者撞击力变化曲线明显不同。 结论 (1)实验获得人下颏受钝物撞击的动载荷。(2)人类的颞颌关节的解剖结构使其能较好地缓冲外界冲击。(3)对于同一撞击对象，当撞击速度增加时，撞击持续时间减小，但撞击力和滑动力增加。
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中图分类号：R689 文献标识码：A 文章编号：1002-0837(1999)03-0173-04
Characteristics of Dynamic Loading and the Cushioning Effect of
Tempormadibular Joints during Impact on Chins in Goat and Man.
HAO Wei-ya
Department of Aerospace Biodynamics,The Fourth Military Medical University,Xi'an 710032,China
WANG Mei-qing,HE Yang-ju,YUAN Fang.
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Space Medicine & Medical Engineering,1999,12(3):173～176
Abstract： Objective To investigate the dynamic load characteristics of mandible-tempormadibular joints (TMJ)-skull during blunt impact on the chin.Method Twelve goat heads were randomly divided into two groups,and were employed in a cross-control trial.Group 1 was first impacted by a blunt mass with a velocity (v1=1.1 ms) for three times,and then with another velocity (v2=1.6 m/s) for three times;group 2 was impacted with v2 and then v1 for similar times too.Two fresh human heads were experimented in the same way as goat heads in group 1.The same impact mass was used in all the experiments.The impact was exerted along the chin and vertically to the junctional line of both sides of TMJs. Result (1)The cross-control trial of goat heads showed that repeated impact didn't make any difference (P>0.05) in the results of our experiment.(2)The impact time (t) in v1 of human heads (44.14±3.33 ms) was longer than that of v2 (39.23±1.60 ms) but without any statistical difference (P>0.05),while the peak values of impact forces (FP) and slide forces of v1 (169.20±23.58 N,105.37±20.96 N) were both significantly lower than those in v2 (319.42±35.7 N,155.67±25.67 N)(P<0.01).(3)With the same impact velocities,the human groups had longer t(P<0.01),but lower FP (P<0.01) as compared with the goat heads;furthermore,their force-time curves were different. Conclusion (1)The dynamic load curves of human heads during impact on chins were obtained.(2)The anatomy structure of human TMJs enable it to well cushion the impact forces.(3)The impact forces rise significantly with the increase of impact velocity with which the impact time decrease.
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Key words：chin;impact;biomechanics
在航空、航天、交通、体育、及各种意外事故中，下颌骨常受撞击力作用而致人体头颈、脑、下颌部创伤。下颌部创伤可能会导致颞颌关节通行性病变和机能障碍。傅开元等[1～3]人为造成家兔创伤，然后分别用X线、光镜、电镜和超微结构观察，证明创伤可导致颞颌关节退行性病变。人们认为，这些病变是由于下颌部创伤时关节受力过大引起的[4，5]。有关人体下颌撞击实验的报道很少。King[6]对人体头颈部和下颌骨进行了冲击力学模型分析，但结果不理想；王以进等[7]模拟航空救生中飞行员弹射时头部气流吹袭载荷曲线，对下颌骨进行了冲击实验研究。目前，仍未见有关意外伤害中下颌骨受到撞击时颞颌关节受力的报道。只有Hatcher等[4]在离体状态下测量在生理咬合时颞部肌肉和颞颌关节的受力；Fulbner等[5]通过建立三维数学模型探讨了颞颌关节在最大咬合时的受力；胡敏等[8]建立颞颌三维有限元模型研究功能咬合时髁状突受力分布状况。本文旨在探讨颏部在受到不同速度钝性撞击时动载荷变化特征，为进一步研究颞颌关节及其与周围组织力学关系提供必要实验数据。
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力学模型
从力学角度来看，下颌骨—颞颌关节—颅骨是一个杠杆系统；在这个杠杆系统中，下颌骨可以看作是以颞颌关节为轴心的杠杆。当下颌骨在颏部受到撞击时，如果撞击力方向在人体矢状面内侧这个力总可以分解为两个力：F1、F2(图1)。F1沿着下颏与左右颞颌关节连线的垂直方向；F2垂直于F1。很明显，F2使下颌骨与上颌骨相互作用，只有咬合效应。而F1通过颞颌关节传递到颅底的关节窝。因此，研究钝物撞击下颌骨—颞颌关节—颅骨间力学关系时，需要研究F1的动态变化特征。
图1 撞击下颏部时受力分析
Fig.1 Force analysis during impact on the chin
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基于以上分析，本实验撞击方向沿着下颏至两颞颌关节连线的垂直方向(F1方向)。
方 法
材料和仪器 湿润新鲜成年健康山羊头颅12具，雌雄不拘。湿润新鲜男性成人头颅2具，均无头部外伤。5122型石英力传感器(航天部702所)，频率0.2～40 kHz；3114型电荷放大器(航天部702所)工作频率0.2～50 kHz；A1021型磁带记录仪(日本，SONY公司)，工作频率0～100 kHz；SR54型阴极射级示波器(宁波无线电厂)；7T17型信号处理机(日本，三荣测试公司)；IBM PC计算机。
实验在摆锤式动物撞击装置上进行。该装置由摆锤式撞击台和万能支物夹具台组成。为了得到不同撞击速度摆锤可以提升至不同高度。摆锤释放后下落打击撞杆(质量约12 kg)，使其具有一定速度。撞杆通过撞击头撞击颏部。撞击头与实验标本下颏部接触面为曲面，撞击头质量200 g，力传感器固定于撞击杆与撞击头之间。
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羊头颅交叉撞击实验 剔除羊头颅顶部软组织，暴露颅骨，切除部分颌骨，锯掉头角，保留下颌骨及颞部软组织和骨组织。用石膏包裹颅顶。包裹的石膏形成一个面与F1方向垂直，作为撞击时的支撑面：另一面与F1平行，以便置于撞击台上固定加载。标本准备好后置入约-10℃的冰箱冷冻保存备用，存放时间最多5 d。
实验前24 h将标本从冰箱中取出，置室温环境解冻。标本随机分为A、B两组，每组6具。实验时，将羊头固于万能夹具台上，A组以v1=1.1 ms速度(撞击杆)撞击三次，然后以v2=1.6 ms速度撞击三次。B组以v2撞击三次，然后以v1撞击三次。被撞部位均为标本下颏，撞击方向沿着下颏至两颞颌关节连线的垂直方向。撞击时，以力传感器测量撞击力随时间变化曲线。力信号经放大录于磁带记录仪上，并以示波器监测信号。撞击结束后，将磁带机记录信号输入信号处理机，采样间隔9 μs，最后将数据传入IBM微机。
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人头颅撞击实验 剔除人头颅顶部软组织，暴露顶部颅骨，保留颞部和下颌部软组织和骨组织。与包裹羊头颅相同的方法，用石膏包裹颅顶以便加载固定。每具头颅先以1.1ms的速度撞击3次，然后再以1.6 ms的速度撞击3次，其他方面与羊头颅实验方法完全相同。
统计学处理 数据以
±s表示，用SPLM软件包中Student t检验。结 果
羊头颅实验结果
交叉实验结果证明，在本实验撞击条件下，如果撞击物撞击速度相同，重复撞击对羊头颅撞击的撞击时间(t)、撞击力达峰值时间(Time of force reach its peak value,tp)和撞击力峰值(peak force,Fp)均无显著影响(P>0.05)，同时，撞击力随时间变化曲线均呈撞击形(impact profile)变化特征(图2)，撞击速度变化只引起波形幅值变化。表1为以撞击速度分别是v1和v2时，两组羊头统计结果：其中组1包括A组的一次和B组的二次实验结果，组2包括B组的一次和A组的二次实验结果。
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图2 羊下颏撞击力随时间变化曲线
Fig.2 Representative force-time curve of impact against a goat's chin 表1 羊头颅撞击实验结果(n=36，
±s)Table 1 Results of impact on goat chins (n=36，
±s) 组别(groups)
速度
(velocity)(m/s)
时间
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(time)(ms)
力峰值时间
(peak force duration)(ms)
力峰值
(peak force)(N)
1
1.1
33.57±4.67**
16.72±2.81**
333.45±56.92**
2
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1.6
30.31±2.73
14.59±2.38
493.94±65.25
注：n是统计数据数目，而非实验样本数 Note:n is the number of statistical data,but not number of samples
人头颅实验结果
撞击力随时间变化曲线 图3是撞击速度为v2时人头颅撞击力随时间变化曲线。速度为v1撞击力变化曲线波形与此相同，只是幅值不同而已。可以从波形看到，当撞击力达到一定值时撞击力有一回落，我们称这时的撞击力为滑动力(slide force,Fs)。
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图3 人下颏撞击力随时间变化曲线
Fig.3 Representative force-time curve of impact against a human chin
撞击持续时间、达峰值时间、撞击力峰值和滑动力 表3是两人头颅重复实验的统计结果。人头颅的滑动力Fs随速度的增加而显著增大(P<0.01)；而t和tp随速度增加而降低，但并不显著(P>0.05)。
人头颅与羊头颅结果比较 用统计方法分别比较人和羊头颅撞击时间t和tp均显著大于羊头颅(P<0.01),而Fp显著低于羊头颅(P<0.01)。撞击随时间变化曲线亦不相同，人头颅撞击力有一回落，而羊头颅没有(图2，3)。
讨论与结论
方法分析 本文首先通过羊头颅交叉实验，证明在本实验撞击力较小条件下，重复撞击对本实验观察指标(t,tp,Fp)和动载荷曲线无显著影响。然后，进行人头颅重复撞击实验，解决了标本缺乏引起的数据不足的矛盾。尽管如此，实验人头颅标本仍然偏少，很难反映出个体差异，这方面有待于继续探讨。
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本实验是从冲量定理出发进行实验设计，在文献[9]中已进行了详细讨论。
表2 人头颅撞击实验结果(n=6，
±s)Table 2 Results of impact on human chins (n=6，
±s) 组别(groups)
速度
(velocity)(m/s)
时间
(time)(ms)
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力峰值时间
(peak force duration)(ms)
力峰值
(peak force)(N)
滑动力
(slide force)(N)
1
1.1
44.14±3.33
20.78±3.04
169.20±23.58**
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105.37±20.96**
2
1.6
39.23±1.60
19.51±1.58
319.42±35.70
155.67±25.67
结果分析 人头颅与羊头颅撞击力峰值Fp和撞击时间t都有显著差别(P<0.01)。例如撞击速度为v1时，人头颅撞击时间相对羊头颅撞击时间增加了30%，而Fp减小了45%。这是因为人头颅撞击时间增加，使它意味着有较长缓冲时间，从而有效降低了撞击力峰值。
对于同样撞击对象，例如人头颅撞击速度由1.1m/s增加到1.6m/s后撞击时间减小约11%(并不显著)，而撞击力显著增加(约88%)，滑动力增加48%。该实验结果说明随着撞击速度增加，撞击力迅速增加，并可能呈非线性增长关系。
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比较人和羊下颏撞击力曲线可以看出二者显著不同，前者在撞击力达到一定时，有一明显波动。这一区别的原因可能在于二者的颞颌关节解剖结构有不同之处。人的颞颌关节窝比髁状突明显地大，关节囊较松驰，关节盘将关节囊分为上下两个腔，分别称为滑动关节和铰链关节[10]。当撞击力在人体正中矢状面时，这种结构使髁状突运动有两种运动，即转动运动和滑动运动[10]。本实验中，撞击力在正中矢状面内，而且撞击力沿着从下颏至左右两颞颌关节连线的垂直线内，基本上可避免下颌绕颞颌关节的转动运动，只有下颌骨在髁突处连同关节盘相对关节窝发生相对滑动。这种滑动运动具有缓冲作用使撞击时间增加，撞击力峰值降低。羊颞颌关节大体上与人的相同，但是羊颞颌关节窝与髁状突结合较紧密下颌只能绕关节开口、闭口和侧运动[11]。下颏受撞击时，髁状突无明显滑动，导致它受撞击时间明显短而撞击力峰值较高[9]。
力学原因是颞颌关节软骨变性和功能紊乱的很重要原因[4，5，12]，它主要与承受应力和应力峰值总数有关。由于解剖和技术方面限制，目前仍无法用实验方法直接测量颞颌关节处应力，只能依靠数学模型计算。本实验证明：在同样撞击速度下，人受撞击力峰值较低，意味着颞颌关节及其周围组织器官受到应力作用较小，从而在一定程度上保护颞颌关节及相邻组织。因此，人体颞颌关节的缓冲作用对保护颞颌关节及其周围组织有重要意义。
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本实验获得的动载曲线为进一步研究颞颌关节在撞击作用下的瞬时响应和建立其数学模型提供了必要的实验数据。
*基金项目：国家自然科学基金资助(39370195)
参考文献
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[11]马仲华主编.家畜解剖学及组织胚胎学[M].北京：农业出版社，1981：92～93
[12]徐樱华主编.实用学[M].成都：四川大学出版社，1990：80～81
收稿日期：1998-08-10, 百拇医药