Taustaartikkeli sivustolle impactfeaturespace.com. Kerronnallinen historia; lähteet ja tarkistuksen rajat esitetään näyttöä koskevissa huomautuksissa.
Jokainen päähän kohdistuva isku tuottaa pään painopisteen lineaarisen kiihtyvyyden ja sen ympäri tapahtuvan kulmakiihtyvyyden, eri suhteissa riippuen iskun suunnasta, paikasta ja pään kytkeytymisestä kaulaan ja vartaloon [1]. 1940-luvulta lähtien kysymys on ollut, kumpi näistä, jos kumpikaan, selittää minkäkin tyyppisiä aivovammoja. Vastaus muuttui kokeellisten menetelmien, neuropatologian, sääntelykäytännön ja mittausteknologian muuttuessa.
Tämä artikkeli seuraa tuota historiaa. Se on kerronnallinen katsaus, joka on kirjoitettu yleiselle tieteelliselle lukijakunnalle, ei systemaattinen katsaus. Useita vanhempia lähteitä tarkistettiin bibliografisten tietueiden ja tiivistelmien tasolla, ja muutamat yksityiskohdat ovat peräisin toissijaisista lähteistä. Loppuun sijoitetut näyttöä koskevat huomautukset kertovat, missä tämä pätee.
Tässä artikkelissa käytetyt termit
Päähän kohdistuva isku (head impact): mekaaninen tapahtuma, esimerkiksi anturin tallentama.
Kinemaattinen vakavuus: mitatun signaalin ominaisuus (huippukiihtyvyys, Severity Index, Head Injury Criterion). Se ei ole kliininen vakavuusaste.
Aivotärähdys: kliininen diagnoosi. Termin kehitystä käsitellään terminologiaa koskevassa seuralaisartikkelissa.
Kliininen vakavuus: Glasgow'n kooma-asteikko, tajuttomuuden kesto ja traumanjälkeinen amnesia.
Oxfordissa Denny-Brown ja Russell julkaisivat vuonna 1941 laajan kokeellisen tutkimuksen aivotärähdyksestä [2]. Samanaikainen yhteenveto erotti toisistaan "kiihtyvyysaivotärähdyksen" (acceleration concussion), joka liittyy suljettuun päävammaan, ja "puristusaivotärähdyksen" (compression concussion), joka vaati murskavamman tai kallon läpäisyn [3]. Tuo yhteenveto ei erota lineaarista kiihtyvyyttä rotaatiokiihtyvyydestä.
Rotaatioargumentin esitti vuonna 1943 tutkijafyysikko A. H. S. Holbourn The Lancet -lehdessä [4]. Kleivenin myöhemmin kuvaamalla tavalla Holbourn havaitsi leikkausvenymäkuvioita kaksiulotteisissa geelimalleissa ja väitti, ettei pään translaatio ole vahingollista, kun taas rotaatio voi selittää suurimman osan traumaattisista aivovammoista, koska aivokudos on lähes kokoonpuristumatonta [5]. Holbourn laajensi argumenttia British Medical Bulletin -lehdessä vuonna 1945 [6].
Pudenz ja Shelden asettivat makakeille läpinäkyvän lusiittikallon (lucite calvarium) ja tallensivat nopealla elokuvauksella aivojen liikettä iskujen ja päähän kohdistuneiden ampumahaavojen jälkeen [7].
Strich (1956) kuvasi isoaivojen valkean aineen diffuusia rappeumaa potilailla, jotka selvisivät vaikeasta päävammasta mutta dementoituneena [8]. Vuonna 1961 hän esitti hermosäikeiden leikkautumisen vaurion syyksi [9]. Peerless ja Rewcastle (1967) tutkivat 37 potilasta ja kuvasivat aksonaalisen ja pienten suonten vaurion keskittymistä väliaivoihin (diencephalon) ja keskiaivoihin (mesencephalon). He esittivät, että päähän kohdistuva isku antaa aivoille kiertonopeuden ja että syntyvät leikkausvenymät vääristävät ja repäisevät aksoneja ja suonia [10]. Adams työtovereineen analysoi myöhemmin 45 ei-läpäisevää päävammatapausta, joihin liittyi diffuusi aksonivaurio (DAI) [11].
Rinnakkain Wayne Staten yliopiston ryhmä (Gurdjian, Lissner, Patrick ja työtoverit) mittasi kiihtyvyyttä ja kallonsisäistä painetta kokeellisessa päävammassa, päähuomion kohteena kallonmurtuma ja vaikea vamma [12–14]. Tämän työn kiihtyvyys–kesto-siedettävyyssuhteisiin viitataan nimellä Wayne State -siedettävyyskäyrä. Myöhempi kirjallisuus kuvaa Severity Indexin (SI) ja sitten Head Injury Criterionin (HIC) kehittyneen tuon käyrän analyyseistä [15].
Gadd (1966) ehdotti painotettua impulssi-integrointia, joka otti huomioon sekä kiihtyvyyspulssin voimakkuuden että keston ja korvasi huippukiihtyvyys- tai pulssialakriteerit [16]. Severity Index lasketaan kaavalla SI = ∫ a(t)2,5 dt, jossa kiihtyvyys a on g:n monikertoina ja aika millisekunteina [16]. Versace (1971) tarkasteli Severity Indexiä, päätteli, että sen johtamisessa oli epäjohdonmukaisuuksia, ja suositteli kaavaa, joka seurasi siedettävyysrajoja koskevaa aineistoa kirjaimellisemmin. Hän kirjoitti myös, että sopivampi vakavuusmitta heijastaisi aivovamman todennäköistä astetta [17].
NHTSA:n oman kuvauksen mukaan vuonna 1972 julkaistiin ehdotus Gaddin Severity Indexin korvaamisesta Head Injury Criterionilla liittovaltion moottoriajoneuvojen turvallisuusstandardissa 208 [18]. HIC on maksimi mille tahansa aikaikkunalle t1:stä t2:een lausekkeesta (t2 − t1) kerrottuna ikkunan yli keskiarvoistetun resultanttikiihtyvyyden potenssilla 2,5 [18]. Ikkuna on nykyisessä standardissa rajattu 36 ms:iin (HIC36, raja 1 000) tai 15 ms:iin (HIC15, raja 700) [19]. Tarkkaa päivämäärää, jona HIC korvasi SI:n säädöksessä, ei saatu selvitettyä tätä artikkelia laadittaessa. Autojen säädöksissä ja testauksessa päämallin lineaarisesta kiihtyvyydestä laskettu HIC on säilynyt tärkeimpänä varmennusmittana [5].
Nämä kriteerit johdettiin pään lineaarisesta kiihtyvyydestä. Niitä ei suunniteltu edustamaan rotaatiokuormitusta.
Urheilussa NOCSAE:n uusien jalkapallokypärien määrittely (asiakirja ND002, versio 17m19a, voimassa marraskuusta 2019) edellyttää, että minkään pudotusiskun huippu-Severity Index ei ylitä arvoa 1200, että alhaisimman nopeuden (11,34 ft/s, 3,46 m/s) pudotusiskut eivät ylitä arvoa 300 ja että minkään pneumaattisen vasaraiskun huippu-Severity Index ei ylitä arvoa 1200. Se edellyttää myös, että rotaatiokiihtyvyyden huippuarvo missään vasaratestissä keskikokoisella päämallilla ei ylitä arvoa 6 000 rad/s². Vuoden 2017 tarkistus poisti rotaatiokiihtyvyyden hyväksytty/hylätty-kriteerin kahdelta muulta päämallikooltaan [20]. Asiakirja ei kerro rotaatiorajan perustetta. Jalkapallokypärän sertifiointi perustuu siksi pääasiassa Severity Indexiin, ja viime versioihin on lisätty rajallinen rotaatiokriteeri.
Ommaya ja työtoverit kehittivät kädellisten aivotärähdysmalleja 1960-luvulla [21, 22] ja tutkivat ruoskavammatyyppistä kuormitusta ja aivovauriota [23]. Ommaya ja Hirsch (1971) julkaisivat aivotärähdyksen siedettävyydet päähän kohdistuvasta iskusta ja ruoskavammasta kädellisillä [24]. Hirsch ja Ommaya (1970) vertasivat translaatio- ja rotaatioliikkeen merkitystä iskun jälkeen [25], ja Gennarelli, Thibault ja Ommaya (1972) tutkivat patofysiologisia vasteita pään rotaatio- ja translaatiokiihtyvyyksiin [26].
Ommaya ja Gennarelli (1974) korreloivat kokeellisia ja kliinisiä havaintoja tylpässä päävammassa [27]. Heidän hypoteesinsa, johon nykyään viitataan aivotärähdyksen sentripetaaliteoriana (centripetal theory of concussion) [28], esittää, että mekaanisesti aiheutettu häiriö etenee aivojen pinnalta kohti keskustaa vakavuuden lisääntyessä. Ommayan muotoilussa, Kleivenin tiivistämänä, rotaatio voi tuottaa sekä fokaalisia että diffuuseja vammoja, kun taas translaatio rajoittuu fokaalisiin vaikutuksiin [5].
Gennarelli ja työtoverit (1982) kiihdyttivät 45 apinan päätä ilman iskua yhteen kolmesta suunnasta. Kooman kesto, neurologinen vajaus ja DAI:n määrä olivat suoraan yhteydessä päänliikkeen koronaaliseen osuuteen. Yli kuusi tuntia kestänyt kooma esiintyi 20:llä 26 eläimestä, joilla oli lateraalinen liike ja joille kehittyi myös DAI, ja vain yhdellä eläimellä sagittaali- tai vinoryhmissä. Kirjoittajat päättelivät, että koronaalisen päänkiihtyvyyden aiheuttama aksonivaurio on merkittävä pitkittyneen traumaattisen kooman syy [29]. Tämä on eniten siteerattu näyttö siitä, että rotaation suunnalla on merkitystä.
Thibault ja Gennarelli (1985) tiivistivät siedettävyyskriteerit, jotka oli johdettu kädellisten kokeista, fysikaalisista korvikkeista ja eristetyistä kudoselementeistä. Impulsiivisen kulmakiihtyvyyden alla kädellisten vaste vaihteli lievästä aivotärähdyksestä massiiviseen diffuusiin valkean aineen vaurioon ja pitkittyneeseen koomaan [30]. Margulies ja Thibault (1992) ehdottivat siedettävyyskriteeriä DAI:lle ihmisellä [31].
Suure, joka vahingoittaa kudosta, on muodonmuutos, ei pään kiihtyvyys. Suoria in vivo -venymämittauksia on olemassa vain vahingoittamattomalle kuormitukselle, ja ne on tehty vapaaehtoisilla merkki-MRI:llä [32–34]. Rotaation suunnalla on merkitystä, mutta ei samalla tavalla kaikilla lajeilla. Kädellisillä koronaalitaso tuotti pisimmät koomat [29]. Sioilla aksiaalitason rotaatio tuotti välittömän pitkittyneen kooman ja koronaalinen rotaatio ei, kun taas diffuusi aksonivaurio esiintyi molemmissa tasoissa [35, 36]. Kudoksen muodonmuutoksen jälkeen seuraava solu- ja aineenvaihduntatapahtumien sarja on kuvattu seuralaisartikkelissa siitä, mitä pään sisällä tapahtuu urheiluaivotärähdyksessä.
Instrumentoidut kypärät tallensivat päähän kohdistuvia iskuja jalkapallossa 2000-luvun alusta lähtien. Pellman ja työtoverit rekonstruoivat ammattilaisjalkapallon iskuja ja vammoja [37]. King ja työtoverit (2003) kysyivät suoraan, aiheuttaako päävamman lineaarinen vai kulmakiihtyvyys. He totesivat, että kypärällinen pää koki saman kulmakiihtyvyyden kuin kypärätön pää, kun taas lineaarinen kiihtyvyys väheni huomattavasti. He päättelivät, että tämä oli vaikea sovittaa yhteen pelkän kulmakiihtyvyyshypoteesin kanssa, ja ehdottivat, että syötekiihtyvyysrajat korvattaisiin vastemuuttujilla [38, 39]. Zhang, Yang ja King (2004) raportoivat, että aivorungon alueen ympärillä oleva leikkausjännitys oli aivotärähdyksen ehdokasvammaennustaja kenttäonnettomuuksien rekonstruktioissa [39].
Greenwald ja työtoverit (2008) tutkivat lineaarista kiihtyvyyttä, rotaatiokiihtyvyyttä, iskun kestoa ja iskun paikkaa jalkapelaajilla. He muodostivat yhdistelmäpistemäärän (painotettu pääkomponenttipistemäärä) pääkomponenttianalyysilla ja vertasivat sen ROC-käyriä klassisiin mittoihin [40]. Tässä työssä käytetty head impact telemetry -järjestelmä arvioi kulmakiihtyvyyden epäsuorasti lineaaristen kiihtyvyysanturien datasta [41].
Rowson ja Duma (2011) kuvasivat STAR-kypäräarviointijärjestelmän, joka perustuu aivotärähdyksen riskifunktioon ja mitattuun kenttäaltistukseen [42]. Rowson ja työtoverit (2012) johtivat vammariskifunktioita jalkapallon rotaatiokinematiikasta [15]. Rowson ja Duma (2013) esittelivät aivotärähdyksen yhdistetyn todennäköisyyden, joka perustuu lineaarisen ja rotaatiokiihtyvyyden huippuarvoihin. Kenttäaineistossa yhdistetty todennäköisyys ja pelkkä lineaarinen kiihtyvyys olivat merkitsevästi parempia ennustajia kuin pelkkä rotaatiokiihtyvyys, eivätkä eronneet toisistaan. Rekonstruoitujen ammattilaisiskujen aineistossa mikään parametri ei eronnut merkitsevästi toisesta [43]. Kirjoittajat totesivat myös, ettei mikään liittovaltion tai teollisuuden päävammastandardi ottanut tuolloin huomioon rotaatiokiihtyvyyttä [43].
Takhounts ja työtoverit (2013) ehdottivat BrIC:ia, kulmanopeudesta johdettua kinemaattista kriteeriä, joka on kalibroitu aivomallin venymämittoja vasten. He raportoivat, että BrIC korreloi parhaiten venymäpohjaisten mittojen CSDM ja MPS kanssa, päättelivät, että rotaationopeus eikä rotaatiokiihtyvyys oli merkityksellinen kinemaattinen mekanismi heidän analyysissaan, ja totesivat, että BrIC voisi tavoittaa vammoja tilanteissa, joissa translaatiokiihtyvyyskriteerit kuten HIC ovat riittämättömiä [44].
Kleiven (2013) väitti näkökulma-artikkelissaan äärellisten alkioiden analyysin pohjalta, että aivokudoksen puristusmoduuli (bulk modulus) on noin viidestä kuuteen kertaluokkaa suurempi kuin sen leikkausmoduuli, joten aivot muuttavat muotoaan pääasiassa repeämällä. Hän päätteli, että rotaatiokinematiikan pitäisi osoittaa aivovamman riskiä paremmin kuin lineaarisen kiihtyvyyden, ja että radiaaliset iskut aiheuttavat lähinnä kallonmurtumia [5]. Urheilu- ja autokypäriä, hän totesi, testattiin tuolloin pääasiassa radiaalisilla iskuilla, lukuun ottamatta moottoripyöräkypärien vinoiskutestiä, joka arvioi ulkoisia ulkonemia ja pintakitkaa [5].
Vammariskifunktioiden riippuvainen muuttuja on kliininen luokka. Lievän aivovamman tapausmääritelmät vaihtelivat tutkimusten välillä (WHO:n työryhmän katsauksessa joissakin ei vaadittu tajuttomuutta eikä amnesiaa ja joissakin suljettiin pois kuvantamispoikkeavuudet) [45], toipumisen päätetapahtumat vaihtelevat tutkimusten välillä [46], ja alidiagnosointi vaati tilastollista korjausta kenttäaineistossa [43]. Osa kinemaattisten kynnysarvojen rajallisesta erottelukyvystä saattaa siksi heijastaa päätetapahtuman heterogeenisuutta eikä vain kinemaattisen signaalin sisältämää informaatiota. Tämä on tämän artikkelin kirjoittajien tulkinta eikä siteerattujen tutkimusten löydös.
Lineaarista ja rotaatioselitystä ei enää pidetä toisensa poissulkevina vaihtoehtoina. Lineaarinen kiihtyvyys on edelleen useimpien autojen ja monien kypärien kriteerien perusta, ja se liittyy kallonmurtumaan ja paineeseen liittyvään fokaaliseen vammaan. Rotaatiokinematiikka liittyy aivokudoksen venymään ja diffuusiin vammaan. Jalkapallon kenttäaineistossa lineaarisen kiihtyvyyden huippuarvo on suoriutunut vertailukelpoisesti yhdistelmämittoihin nähden [43], eikä pelkkien lineaaristen tai kulmahuippujen ole osoitettu muodostavan diagnostista kynnysarvoa.
Sääntelykäytäntö on alkanut muuttua. YK:n sääntö nro 22 (06-sarja) moottoripyöräkypärille hyväksyttiin YK:n ajoneuvosäännösten yhdenmukaistamisen maailmanfoorumissa kesäkuussa 2020 ja se tuli voimaan 3. tammikuuta 2021. Se lisäsi vinoiskutestin [47]. Uuden säännön mukaisia kypäriä arvioivien konferenssiartikkelien mukaan vinoiskutestit käyttävät viittä iskukokoonpanoa nopeudella 8,0 m/s ja rajoittavat rotaatiokiihtyvyyden huippuarvon 10,4 krad/s²:iin ja BrIC:in 0,78:aan. Lineaarisen kiihtyvyyden huippuarvoa ja HIC:iä ei arvioida vinoiskutestissä [48, 49]. Kynnysarvot on lainattu näistä artikkeleista, ei säädöstekstistä. Tämä tekee BrIC:istä esimerkin rotaatiokriteeristä, joka on tullut säädökseen.
Instrumentoidut suojat mittaavat nykyään kuusivapausasteisen kinematiikan suoraan sen sijaan, että arvioisivat kulmakiihtyvyyden lineaarisista antureista [41].
Nämä huomautukset kirjaavat tämän artikkelin taustalla olevan tarkistuksen rajat, jotta lukijat voivat punnita väitteitä niiden mukaisesti.
Lehti-, osa-, sivu- ja DOI-tiedot tarkistettiin indeksoituja tietueita vasten useimpien lähteiden osalta. Monien vanhempien teosten (1950–1970-lukujen kädellis-, Wayne State- ja valkean aineen artikkelit sekä Stapp Car Crash -konferenssiartikkelit) osalta tarkistus kattoi tietueen ja tiivistelmän, ei kokotekstiä. Väitteet näistä teoksista on pidetty sillä tasolla, mitä ne kuvaavat tai tutkivat.
Holbournin argumentti on kuvattu Kleivenin tiivistämänä, ei Holbournin tekstistä.
Pudenz ja Shelden tallensivat aivojen liikettä iskujen ja ampumahaavojen jälkeen. Tiivistelmä ei kuvaa kuormitusta rotaatiokuormitukseksi.
Sitä päivämäärää, jona HIC korvasi Severity Indexin FMVSS 208 -säädöksessä, ei saatu selvitettyä. Vain vuoden 1972 ehdotus on dokumentoitu tässä.
YK:n säännön 22.06 hyväksytty/hylätty-arvot ovat peräisin kahdesta IRCOBI-konferenssiartikkelista, ei säädöstekstistä. Hyväksymis- ja voimaantulopäivämäärät ovat peräisin UNECE:n asiakirjoista.
NOCSAE:n arvot ovat suoraan standardista (ND002-17m19a). Uudempia versioita voi olla olemassa; ajantasainen versio tulee tarkistaa osoitteesta nocsae.org.
Instrumentoidun suojan artikkelin kirjoittajaluetteloa ei tarkistettu bibliografista tietuetta vasten.
Väite, että myöhempi kirjallisuus kuvaa SI:n ja HIC:n johdetuiksi Wayne State -käyrästä, perustuu toissijaiseen lähteeseen.
Moniulotteinen esitys puettavien anturien tallentamista pään liikkeen aaltomuodoista. Menetelmä on kehitetty Helsingin yliopiston lääketieteellisen tiedekunnan psykologian osastolla.