Beknopte anatomische beschrijving van het menselijk c hoofd

Beknopte anatomische beschrijving van het menselijk c hoofd A. Sauren 12-10-1992 I Inleiding Dit verslag bevat een beknopte beschrijving van de anatomie van het menselijk hoofd. In hoofdstuk 2 wordt de anatomie sec beschreven. In hoofdstuk 3 wordt de zaak vanuit mechanisch oogpunt bekeken. Hoofdstuk 3 kan in principe los van hoofdstuk 2 gelezen worden. De illustraties, waarnaar in de tekst verwezen wordt, zijn los bijgevoegd. Dit verslag is een gewijzigde versie van het rapport d.d. 7-5-1992. 2 Anatomie van het hoofd 2.1 De schedel De schedel bestaat uit twee delen, de hersenschedel en de gezichtsschedel (zie Fig. 1). Een lijn, getrokken van de ene uitwendige gehoorgang naar de andere via neuswortel en wenkbrauwen, vormt de scheiding tussen beide delen. De gezichtsschedel blijft in deze beschrijving buit en beschouwing. De hersenschedel ( (neuro)cranium) kan worden onderverdeeld in het schedeldak en de schedelbasis. Het schedeldak (catvaria) is op te vatten als een schaal. Het bestaat uit acht, door naden verbonden, beenderen (zie Fig. 1): Het voorhoofdsbeen (os frontaie), twee wand- of kruinbeenderen (ossa parietalia), twee slaapbeenderen ( ossa temporalia)) het achterhoofdsbeen (os occipitale), het vleugel- of wiggebeen (os sphenoidale) en het zeefbeen (os ethmoidale, wordt ook wel tot de schedelbasis gerekend). De naden tussen de beenderen zijn bij volwassenen geheel vergroeid. Het achterhoofdsbeen vormt met de achterhoofdsknobbels een gewricht met de eerste halswervel, de atlas. De dikte van de schedelbeenderen varieert van ongeveer 4 tot 7 mm. Zij hebben een sandwichstructuur, bestaande uit een compacte binnen- en buitenlaag (lamina interna en ezterna) met daartussen een spongieuze of poreuze laag (diploë), die het dikste is. Het schedeldak is aan de buitenkant bekleed met een 5 à 7 mm dikke, zachte weefsellaag die weer onderverdeeld kan worden in vijf lagen en wel, van buiten naar binnen, huid, bindweefsel, (?) aponeurose, 1

losmazig bindweefsel en tenslotte het periosteum, een vezelig membraan dat de schedelbeenderen direct bedekt. Wat betreft de schedelbasis bekijken we alleen het achterste gedeelte dat de hersenen omsluit. Dit deel is samengesteld uit het wiggebeen, de slaapbeenderen en het achterhoofdsbeen. De schedelbasis is feitelijk een dikke onregelmatig gevormde plaat, voorzien van verschillende kleine openingen (fonzmilza), die dienen voor het doorlaten van vaten en zenuwen, en een grote centrale opening in het achterhoofdsbeen, het achterhoofdsgat (foramen (occipitale) magnum), dat als doorvoer dient voor het verlengde merg (zie par. 2.2) en een aantal aders en venen. 2.2 De hersenen Het hoofd van een volwassen mens heeft een massa van ongeveer 4,5 kg waarvan 1,5 kg voor rekening komt van de hersenen. Zij bestaan uit de hersenstam en de kleine hersenen. De hersenstam is samengesteld uit de grote hersenen, de middenhersenen, de brug van Varol en het verlengde merg (zie Fig. 2). De grote hersenen zijn opgebouwd uit twee halfronden of hemisferen. In de hemisferen worden, van buiten naar binnen, onderscheiden de hersenschors (cerebrale cortex), die uit grijze stof bestaat, en het merg of witte stof. De grijze stof is een 1,5 tot 4,5 mm dikke laag, samengesteld uit zenuwcellen en steuncellen (glia). Het daaronder gelegen merg (medulla) daarentegen bevat geen cellen maar alleen zenuwvezels in de vorm van uitlopers van de zenuwcellen. De vezels zijn omhuld door een vetachtige stof die de zogenaamde myelineschede vormt. DiMasi et al. (1991) opperen de mogelijkheid van anisotrope materiaaleigenschappen van de mergstructuren tengevolge van voorkeursoriëntaties van de vezels. In het merg bevindt zich ook de zogenaamde hersenbalk (corpus callosum, zie Fig. 3) die de hemisferen van de grote hersenen met elkaar verbindt. De hersenschors heeft plooien (gyri) gescheiden door groeven (sulci). Op grond van zeer diepe groeven (fissuren) worden aan de schors zowel links als rechts vijf hersenkwabben onderscheiden: aan het oppervlak de voorhoofdskwab, pariëtaal- of wandbeenkwab, achterhoofdskwab en slaapbeenkwab en binnenin de vijfde kwab of schorseiland. De middenhersenen vormen een vezelige verbinding tussen de halfronden van de grote hersenen en de brug van Varol. De brug van Varol is een brede band van zenuwvezels die een verbinding vormt tussen de grote en de kleine hersenen en het verlengde merg. Het verlengde merg (medulla oblongata) op zijn beurt bestaat ook uit witte stof en vormt de verbinding tussen de brug van Varol en het ruggemerg en daarmee dus de verbinding tussen de totale hersenmassa en het ruggemerg. De kleine hersenen liggen achter de hersenstam en bestaan evenals de grote hersenen uit twee halfronden, verbonden door de zogenaamde vermis of worm. Ook de kleine hersenen bezitten een kern van witte materie omgeven door een laag grijze materie. In de hersenen bevinden zich vier met hersenvocht gevulde holten, ook wel hersenkamers of ventrikels genoemd. In elke hemisfeer van de grote hersenen zit een zogenaamde zijventrikel. De beide zijventrikels staan met elkaar in verbinding via de derde ventrikel. De vierde ventrikel bevindt zich in de kleine hersenen. De derde en de vierde ventrikel zijn 2

verbonden door de "waterleiding van Sylvius". De vierde ventrikel zet zich voort in het centrale kanaal van het ruggemerg. Figuur 4 geeft een indruk van de ingewikkelde vorm van de hersenholtes en hun onderlinge verbindingen. 2.3 De hersenvliezen De mens heeft drie hersenvliezen (meninges) waartussen zich met hersenvocht gevulde ruimten bevinden (zie Fig. 5). De hersenvliezen zijn bindweefselmembranen (ik heb nog niets gevonden over eventuele voorkeursoriëntaties van vezels en daaruit voortvloeiende unisotropie) die de hersenen bekleden en een geheel vormen met de ruggemergsvliezen die het ruggemerg omhullen. De vliezen zijn van belang voor de stofwisseling van de hersenen. Bovendien wordt de combinatie vliezen/hersenvocht verdacht van een schokdempende werking. Het buitenste of harde hersenvlies (dura mater) is nauw met het beenvlies aan de binnenkant van de schedel vergroeid. Vooral bij heel jonge en heel oude mensen is de dura stevig verbonden met de binnenkant van de schedel (Holbourn, 1943). Blijkbaar is er bij volwassenen toch nog een beetje ruimte tussen schedel en dura, de zogenaamde epidurale ruimte. Het harde hersenvlies vormt een dubbelblad tussen de beide helften van zowel de grote als de kleine hersenen, de zogeheten faz. (of preciezer de fuh cerebri en de fuzz cerebelli). Deze falx ligt dus in het midsagittale vlak. Bovendien vormt het een dubbelblad als scheiding tussen de grote en de kleine hersenen, het tentorium cerebelli of kortweg tentorium (zie Fig. 5). Op enkele plaatsen bevinden zich tussen de lagen van de dubbelbladen aderlijke afvoerwegen voor bloed uit de hersenen. De subdurale ruimte scheidt het harde hersenvlies van het daaronder liggende spinnewebvlies (arachnoidea). Dit vlies is rijk aan bloedvaten en bestaat uit twee delen: een dun buitenste membraan en een gedeelte opgebouwd uit dunne netvormige bindweefselbalkjes, die het buitenste deel verbinden met het onder het spinnewebvlies gelegen zachte hersenvlies. Doordat het spinnewebvlies de grote en de kleine groeven van de hersenoppervlakken overbrugt zijn er op verschillende plaatsen onder dit vlies met hersenvocht gevulde holten (cisternae). De subarachnoïdale ruimte, waarvan de zojuist genoemde holten deel uitmaken, scheidt het spinnewebvlies van het binnenste of zachte hersenvlies (pia mater). Dit zeer dunne vlies, dat rijk is aan bloedvaten, ligt direct tegen de hersenmassa aan en volgt alle groeven, ook de diepste, van het hersenoppervlak. Het is het vaatvlies van de hersenen. 2.4 Het hersenvocht In de ventrikels en de ruimten tussen de hersenvliezen en de ruggemergsvliezen bevindt zich het hersenvocht of cerebrospinaalvocht. Het is een waterige(?) vloeistof en het volume bij een volwassene bedraagt ongeveer 150 ml. Het hersenvocht wordt aangemaakt in de ventrikels. Door het zeer dunne dak van de vierde ventrikel communiceert het hersenvocht met het vocht in de ruimte daarbuiten die wordt gevormd door de hersen- en ruggemergsvliezen. 3

3 Beknopte beschrijving en discussie van de anatomie van het hoofd vanuit het oogpunt van mechanische rno delvor ming 3.1 De schedel De schedel bestaat uit twee delen, de hersenschedel en de gezichtsschedel (zie Fig. i). De hersenschedel, dat wil zeggen het gedeelte van de schedel dat de hersenen omhult, kan worden onderverdeeld in het schedeldak en de schedelbasis. Het schedeldak is op te vatten als een schaal, samengesteld uit acht door naden verbonden beenderen. Bij volwassenen zijn de naden geheel vergroeid zodat ze dan geen verzwakking in de schedelconstructie vormen (Shugar, 1977). De naden hebben meestal een vertande vorm. Sterk vertande naden hebben bij quasi-statische belasting dezelfde buigsterkte als bot. Bij schokbelastingen die tot breuk leiden, nemen de naden 16% tot 100% meer vervormingsenergie op dan bot (Jaslow, 1991). De dikte van de schedelbeenderen varieert van 4 tot 7 mm. Zij hebben een sandwichstructuur bestaande uit twee compacte lagen met daartussen een spongieuze laag. De buitenkant van het schedeldak is bekleed met een 5 tot 7 mm dikke, zachte weefsellaag. De schedelbasis is op te vatten als een dikke onregelmatig gevormde plaat waarin, naast een aantal kleine openingen voor het doorlaten van vaten en zenuwen, het achterhoofdsgat zit dat als doorvoer dient voor het verlengde merg (zie Fig.2). In ons onderzoekproject zal niet gekeken worden naar belastingen die via de gezichtsschedel worden ingeleid. Bij de modelvorming van het hoofd hoeft de gezichtsschedel daarom alleen te worden meegenomen om zijn effect op de massaverdeling en de traagheidseigenschappen van het hoofd te verdisconteren. 3.2 De hersenen In de hersenen zijn een aantal deelstructuren te onderscheiden. De grootste deelstructuur vormen de grote hersenen die zijn opgebouwd uit twee halfronden aan weerszijden van het midsagittale vlak (dat wil zeggen het "symmetrievlak" van het lichaam). Van de andere deelstructuren verdient hier alleen het verlengde merg vermelding omdat het de verbinding vormt tussen de hersenmassa en het ruggemerg. Hersenmassa en ruggemerg vormen dus een continuüm. De hemisferen van de grote hersenen bestaan uit een kern van witte materie of merg, omgeven door een laag grijze materie. De laag grijze materie is 1,5 tot 4,5 mm dik en bestaat uit cellen (zenuwcellen en steuncellen). Het merg bevat alleen vezels en geen cellen. In het merggebied bevindt zich de hersenbalk die de hemisferen verbindt. Speciale vermelding verdienen vier met hersenvocht gevulde holten die zich in de hersenen bevinden. Twee van die holten, de zogenaamde zijventrikels, bevinden zich in de grote hersenen en wel één in elke hemisfeer (Fig. 4). De hersenen zijn in wezen een meer-fasenmateriaal, samengesteld uit hersenweefsel, bloedvaten, bloed en hersenvocht (Sorek et al. (1989); 4

Itkis en Mchedlishvili (1979)). 3.3 De hersenvliezen Het buitenoppervlak van de hersenmassa wordt gekenmerkt door de aanwezigheid van een groot aantal grotere en kleinere groeven. Dit buitenoppervlak is bekleed met het bloedvatrij ke binnenste of zachte hersenvlies dat alle groeven volgt (zie Fig.5). Daarovefheen zit het zogenaamde spinnewebvlies waarin zich ook veel bloedvaten bevinden. Dit vlies bestaat uit een dun buitenste membraan en een laag opgebouwd uit dunne netvormige bindweefselbalkjes die het membraan verbinden met het binnenste hersenvlies. Doordat het spinnewebvlies de grote en kleine groeven van het hersenoppervlak overbrugt, zijn er op verschillende plaatsen onder dit vlies met hersenvocht gevulde ruimten die samen de subarachnoïdale ruimte vormen. Ik heb (nog) niet kunnen achterhalen of het hersenvocht alleen in die holten of ook ter plaatse van de netvormige bindweefselstructuur zit. Ik veronderstel dat het laatste wel het geval is. Over het spinnewebvlies heen en daarvan gescheiden door een (kleine?) tussenruimte bevindt zich tenslotte het buitenste of harde hersenvlies. Dit vlies is nauw vergroeid met het beenvlies aan de binnenkant van de schedel. Toch schijnt er hier en daar nog wat ruimte, de zogenaamde epidurale ruimte, te zijn tussen het beenvlies en het harde hersenvlies. Ik heb (nog) niets gevonden over verbindingen tussen het buitenste hersenvlies en het spinnewebvlies. Als die er zijn dan zullen ze waarschijnlijk alleen bestaan uit venen en aders. Het buitenste hersenvlies volgt de groeven en plooien van het hersenoppervlak niet. Wel vormt dit vlies een dubbelblad tussen de beide helften van zowel de grote als de kleine hersenen. Deze laatste liggen achter de grote hersenen en vormen als het ware een verkleinde uitgave hiervan. Dit dubbelblad ligt dus in het midsagittale vlak en heet falx. Bovendien vormt het harde hersenvlies een dubbelblad als afscheiding tussen de grote en de kleine hersenen. Dit dubbelblad heet tentorium. Over verbindingen tussen enerzijds de bladen van falx en tentorium in het algemeen en hun "vouwranden" in het bijzonder en anderzijds het spinnewebvlies heb ik nog geen expliciete gegevens gevonden. Wel wordt melding gemaakt van de aanwezigheid tussen de dubbelbladen van aderlijke afvoerwegen voor bloed uit de hersenen. Ik ga er vanuit dat deze bloedvaten weliswaar een structurele verbinding tussen de hersenvliezen onderling alsmede tussen de vliezen en de hersenmassa vormen, maar dat ze geen krachtdoorleidende functie van betekenis hebben. Ze lijken me in elk geval niet als zodanig bedoeld. Ik kan me voorstellen dat ze een rol spelen bij het ontstaan van letsels doordat ze kunnen bezwijken tengevolge van grote relatieve bewegingen van de structuren waar ze tussen zitten. Shugar (1977) merkt op dat falx en tentorium de hersenen ondersteunen. Ik zie nog niet goed waarop die ondersteunende functie is gebaseerd. Dat komt ook doordat ik nog niet precies weet waar de begrenzingen van falx en tentorium liggen. Daarvoor moet nog eens goed in anatomieboeken en eventueel naar preparaten gekeken worden. De hersenvliezen vormen een geheel met de ruggemergsvliezen die het ruggemerg omhullen. 5

3.4 Slotopmerkingen Van belang voor de mechanische modelvorming lijkt mij het gegeven dat zowel de hersenmassa en het ruggemerg als de hen omringende vliezen een continuüm vormen. De ruimten tussen de verschillende structuren is gevuld met dezelfde vloeistof, het hersenvocht of cerebrospinaalvocht. Er lijkt dus sprake te zijn van een gelaagde, membraanachtige kous. I. (de vliezen) waarin zich het cûntmüüm hersenen 8~ mggemerg bevindt en.v~aari:: de ze" ruimte is gevuld met cerebrospinaalvocht. Het gedeelte van de kous dat de hersenen bevat ligt opgesloten in een container, de hersenschedel. De bewegingsmogelij kheden van de hersenen ten opzichte van de containerwand worden bepaald door koppelingen tussen, achtereenvolgens, hersenen en kous, tussen de lagen van de kous en tussen de kous en de containerwand. Uit beschrijvingen in de literatuur (Shugar (1977); Khalil en Viano (1982)) blijkt dat er wel degelijk sprake is van beweeglijkheid van de hersenen ten opzichte van de schedelwand. Alleen ter plaatse van het achterhoofdsgat zijn de vliezen verbonden met het schedelbot (Shugar, 1977). Het hersenvocht wordt in het algemeen omschreven als een waterige vloeistof. De enige concrete aanwijzing daarvoor op basis van experimenten heb ik gevonden bij McElhaney et al(1972) en bij Ommaya (1968). De laatste verwijst daarbij naar een publicatie van Levinson uit 1919. 4 Literatuur Beusenberg, M. (1992) Head injury biomechanics. In: Injury Biomechanics, Chapter 4. Eindhoven University of Technology. DiMasi, F., Eppinger, R.H., Gabler 111, H.C., Marcus, J.H. (1991) Simulated head impacts with upper interior structures using rigid and anatomic brain models. Auto & Traffic Safety, Summer 1991, pp. 20-31. Holbourn, A.H.S. (1943) Mechanics of head injuries. The Lancet, V01.2, pp. 438-441. Itkis, M.L., Mchedlishvili, G.I. (1979) Method of determining the mechanical properties of the brain in vivo. Mechanics of Composite Materials, Vo1.15, pp. 762-766. Jaslûw, C.R. (1990) Mechanical properties of cranial sutures. J. Biomech., Vo1.23, No.4, pp. 313-321. Khalil, T.B., Viano, D.C. (1982) Critical issues in finite element modeling of head impact. Proc. 26th Stapp Car Crash Conf., pp. 87-102, SAE Paper 821150. Levinson, A. (1919) Cerebrospinal fluid in health and disease. C.V. Mosby, St. Louis. McElhaney, J.H., Melvin, J.W., Roberts, V.L., Portnoy, H.D. (1972) Dynamic characteristics of the tissues of the head. In: Uncorrected preprints of papers to be presented at the 6

Symposium on Perspectives in Biomedical Engineering. Ed. : R.M. Kenedi. Nieuwenhuys, R., Voogd, J., Huijzen, Chr. van (1979) The human central nervous system. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York. Ommaya, A.K. (1968) Mechanical properties of tissues of the nervous system. J. Biomech., bl.1, pp 127-138. Platzer, W. (1982) Sesam Atlas van de anatomie. Deel 1: Bewegingsapparaat. Bosch & Meuning NV, Baarn. Shugar, T.A. (1977) A finite element head injury model. Technical Report R-854-1, Civil. Eng. Lab., Port Hueneme, Ca. US. Sorek, S., Bear, J., Karni, Z. (1989) Resistances and compliances of a compartmental model of the cerebrovascular system. Annals of Biomedical Engineering, Vo1.17, pp. 1-12. Fons Sauren 7

harsen- stam

16

/-.......................... subarachnoid spac2 pia maier 4bio~neerfe sp2~ehik brain hersen vires)