韦恩州立大学

为人脑脑震荡制定伤害阈值

密歇根州德国德国德国大学的生物工程系,拥有美国最大的不断积极的生物医学研究课程之一。超过70年,通过部门和WSU医学院之间密切合​​作,教师和研究人员取得了重大的生物医学进步。

该部的生物工程中心王阳博士指导,该部的生物工程中心是一家专注于研究冲击创伤,腰痛和运动损伤生物力学的领先实验室。目前的项目包括车辆侧和后冲击耐火性分析,头部损伤建模和下肢损伤模拟。1998年,生物工程中心教师和学生开发的脑损伤的计算模型被史密森机构与计算机世界史密森尼奖牌的认可。


轻度创伤性脑损伤:患有残疾和死亡率的主要原因

钝头撞击引起的创伤性脑损伤(TBI)是美国残疾和死亡率的主要原因。每年发生约200万件TBI病例。这些伤害的大部分均被归类为轻度创伤性脑损伤(MTBI)或脑震荡。尽管使用保护头盔,对体育相关的MTBI有意识的认识,作为影响大量人群的重要公共卫生问题。作为一种治疗不可用,唯一的替代方案是制定干预策略。确定运动员的头部损伤介入阈值标准,专门为美式足球,是该中心的主要研究领域。

生物工程中心基于群体震动试验加速度结果和由平面撞击源的耐受性曲线产生的头部损伤保护标准。然而,这些标准不能考虑大脑在可变形的头骨内的复杂运动。此外,它们忽略了角头加速度与伤害原因的贡献。此外,没有考虑头部的方向灵敏度。

目前的足球头盔有一个填充系统,以防止严重的头部损伤,但没有有效预防脑震荡。防止MTBI的运动头盔的足球和其他运动的发展需要更加了解伤害机制和门槛。

“HyperMesh有限元建模和变形工具一直是韦恩州立大学脑损伤模型的发展基础”

- H. H. Yang博士

韦恩州立大学生物医学工程教授和生物工程中心主任教授

需要对局部脑组织变形,压力和应力/应变反应相关的人力脑震动的生物医学研究是正确评估脑损伤的脑损伤。有意义的头部损伤标准必须识别下面的阈值,没有出现函数的损失,并且天花板超出了对脑功能的不可逆转变化发生的天花板。这些信息对于设计有效的头保护系统至关重要。能够模拟影响事件的计算机模型对MTBI的阈值标准开发的研究人员提供了重大援助。基于有限元(FE)人头的计算模型现在能够模拟细微的解剖细节和组织级特征,用于导致受伤的影响。韦恩州立大学头部伤害模型(WSUHIM)是为头部伤害评估开发的几种FE模型中最复杂的。1993年介绍,WSUHIM使用Altair的HyperMesh作为其独家建模平台的发展历史悠久。


从足球场事件建模创伤性脑损伤数据的方法

每个赛季,NFL球员都在举行四个季前赛,十六季度和额外的季后赛游戏。每年约有150名球员被诊断出现明显或疑似MTBI。在2003 - 04年期间,研究研究确定了几个从对待受伤球员的团队医生收集的确认脑震荡案件。然后使用确认病例的游戏视频来确定头部运动学,包括冲击速度和位置。

通过使用类似于受伤球员佩戴的那些相似的杂交III人拟人测试假性头来进行基于实验室的影响事件的重建。两个杂交III头各自用九个线性加速度计仪表,并且头部附着在有六轴称重传感器的杂交III颈部。受伤(通常是撞击)播放器被表示为固定头盔头形式,而非损伤(通常引人注目的)播放器由头盔头形式表示,该头盔头形式表示,该头盔头形式以来自游戏视频的相对速度移动(图1)。

使用Wayne State University Resp伤害模型(WSUHIM)完成了实验室衍生的头部运动学数据,逐案FE的模拟完成。该模型具有颅骨和大脑的细微解剖细节,具有超过300,000个高度元素(图2)。

WSUHIM模拟了第50百分位的男性头部的所有基本特征,包括脑和周围组织的15种不同的材料特性。该模型包括粘弹性灰白和白色脑材料,膜,心室,颅骨和面部骨骼,软组织和脑和硬脑膜之间的滑动界面条件。本研究中使用的WSUHIM由李盈博士修改,提高网格质量和材料定义。HyperMesh使这些更改能够有效准确地进行。通过从24个实验室头部冲击重建测量的翻译和谐加速来装载改性Fe模型的颅骨。“HyperMesh有限元建模和变形工具一直是Wayne State University大学伤害模型的发展的基础”杨博士说


仿真结果和提出的头部损伤标准

Fe模拟允许预测颅内压力分布和颅内机械响应的局部应力/菌株,对与脑震荡或非伤害事件相关的给定输入。

对于该研究,选择颅内压力和脑剪切应力的机械响应参数,两者都被模拟模型预测为MTBI最有前途的指标。完成统计分析以评估伤害结果与头部运动学之间的关系。以下结论是由仿真研究产生的:

  1. 结论是,颅内压可以作为MTBI的全球响应指标。
  2. 发现高转化剪切应力浓度在上部脑干和丘脑区域局部地定位。诱导的剪切应力可以改变脑功能,导致轻度脑损伤。
  3. 模拟结果的线性回归分析表明,与旋转加速度相比,平移头加速度对颅内压应答有更大的影响(图3)。
  4. 基于线性逻辑回归分析(图4),上脑系统中的预测剪切应力响应是其他脑响应参数的最佳损伤预测器。

还提出了一种基于头部运动学的伤害耐受性,适用于足球和广泛的活动。Altair Hypermesh在为这些研究提供准确的有限元建模能力方面发挥了关键作用,并且自1993年成立以来是WSUHIM的独家网格建模工具。

图。1静态测试,位移轮廓的仿真

图。图2是显示头部各种部件的WSUHIM

图。颅内压和最大翻译加速度(a)之间的关系和剪切应力之间的头脑和最大旋转加速度(b)

图4基于模型预测的脑干的剪切应力的预测损伤概率的物流图和输入头旋转加速度