文摘
本研究的目的是探讨脑回和脑沟的影响在人类头上的瞬态载荷作用下的响应。为此,两个详细的旁矢状面的片模型和无脑回沟已经开发出来。头骨模型不仅包括大脑和小脑,脑干,CSF和胼胝体。此外,白色和灰色的分离问题。从文学和材料属性采用分配给模型的不同部分。那鸿书和Trosseille相关文献中报道的实验是模拟和仿真结果与测试数据。结果表明,没有明显区别的颅内压模型和模拟条件下无脑回和脑沟。模型中的等效应力低于脑回和脑沟与脑回沟略高于无脑回和脑沟的对应模型。最大的原则在脑组织低应变模型和脑回沟。应力、应变分布变化是由于脑回和脑沟的存在。 These findings highlight the necessity to include gyri and sulci in the finite element head modeling.
1。介绍
脑损伤的发病率和死亡率的主要原因是道路交通事故,带来了许多社会和经济问题。在美国,每年大约有200000例创伤性脑损伤发生,和高达90到100亿美元花在治疗(1]。在欧洲,发病率和死亡率约为235和15.4每100000人口,每年分别(2]。类似的利率已被证明在法国和中国3,4]。由于大量的交通伤害与头部创伤,是至关重要的详细调查此类损伤的机制,更好的待遇。一般来说,有三种方法损伤研究,即物理测试,分析建模和数值模拟。由于成本低,精度高,数值模拟被广泛接受的最佳方法和部分替代物理测试。借助数值模型,通常有限元(FE)模型,生物力学响应,如颅内压力,压力,和紧张的大脑组织,可以计算出,头部创伤性脑损伤的机制可以进一步研究。
尽管人类头部的三维结构,二维模型还可以用来研究人类的损伤机制,使一个有效的评估脑损伤。在过去的几十年里,各种有限元模型为研究头动态响应瞬态加载已报告(5- - - - - -11),有些是二维模型(5- - - - - -7,11]。然而,脑回沟通常被忽略或大致描述,在这些模型由均匀的几何表示。脑回和脑沟形成由于大脑皮层的卷积和覆盖大脑表面,它创建一个复杂的神经元网络(12,13]。因此,有必要研究脑回和脑沟的影响在头的影响。
在最近的研究也有许多努力脑回和脑沟的影响进行调查。布拉德肖和Morfey14)开发的二维模型,没有裂缝调查总值沟在大脑运动的影响。结果表明,裂缝没有显著影响颅骨和脑之间的位移。
偶蹄et al。15]做了一个对比的本地部分皮层不同裂缝几何配置文件和无脑回和脑沟一个同质的部分。两个加载条件模拟,导致不同的等效应力场。预测强调根据不同的几何形状也不同。建议应考虑脑回和脑沟的有限元模型进行更精确的损伤评估。
劳瑞特et al。16)测量应变场与高分辨率的矢状部分脑组织沟和模拟大脑在平移加速度响应。从新鲜猪脑组织切片获得,高·冯·米塞斯菌株被发现之间的裂缝。
何鸿燊和Kleiven17]相比菌株使用两个模型使用和不影响模拟下沟。这是暗示,脑组织中的应变分布改变由于沟,这应该被包括在未来的有限元模型。然而,它没有显示脑回和脑沟是否有相同的不同影响下对颅内压的影响和压力条件。
尽管上述研究为调查提供了令人鼓舞的结果在头部损伤脑回和脑沟的影响,只有应变或应力在一个模拟的病情观察和比较。脑回和脑沟在颅内压的影响并不是全面调查了不同加载条件下在以前的文献。此外,脑回和脑沟的特点在以前的模型显然没有详细描述。
摘要旁矢状面的平面瞬态载荷作用下的动力响应研究。两个旁矢状面的片有限元模型和无脑回沟旁矢状面的片的人头已经开发出来,然后被验证使用那鸿书中的实验数据等。24)和Trosseille et al。25]。加载条件符合物理测试和材料参数是基于文献发表。
2。方法
2.1。模型描述
人类头骨的几何数据和大脑在这项研究中获得了核磁共振扫描170厘米高的健康的中国男性从吉林大学第一医院。核磁共振成像分辨率是256×256像素像素大小为0.997毫米。旁矢状面的MRI图像的偏移2毫米从矢平面被选中,如图1(一),选中的纵向可以代表详细的大脑功能更加全面和清楚。脑与脑回和脑沟的边界特征描述在CATIA V5软件基于核磁共振数据,选择和脑回和脑沟的边界线是根据灰度值描述核磁共振数据的边界。然后平滑的边界特征模型的脑与脑回和脑沟的模型没有脑回和脑沟,如图1 (b)((A)和(B))。模型几何数据导入Hypermesh v11.0转化为有限元网格,所以两个二维模型如图2(一个)((A)和(B),也就是说,一个脑回沟和其他没有)。网格的平均尺寸是2毫米。两片模型被挤压的二维模型方向,分别。每个切片模型包括5个部分,如图2 (b)((A)、(B)、(C), (D)或(E), (F))。(A)部分主体结构的模型,代表了头部的截面,和一个2毫米厚度被分配。部分(B) (D)和(E) (A)部分的支持结构,给予相同的条件和位置截面在整个人类头上。2毫米的厚度梯度,6毫米,(B)和10毫米被分配部分部件(D)和(E),分别。部分(F)描述头骨结构,分配7毫米的厚度。(A)部分的厚度是一个薄层,表示截面。部分的厚度(B)也有类似的大小(A)部分的仿真,以避免应力集中,和厚度梯度(B)部分分配给部分(D)和(E),以减少整个模型的元素数量。的厚度(F)被分配根据实际的平均头骨厚度。整个模型质量达到人类头上的平均质量,即4.75公斤(23]。应该注意的是,在图2 (b),(A)部分并不位于模型的中心,因为选择了片在旁矢状面的位置,而不是矢平面。这导致部分的不同层次(D)和(E)一部分。模型的最外层是固体表示头骨结构。恒定应力固体元素集成点之一是用于所有的部件和元素的平均尺寸是2毫米。切片模型和脑回沟(模式1)由239169个节点和236940个元素,和模型无脑回沟(模型2)由139629个节点和137220个元素。两种模型包括颅骨、脑脊液层和大脑进一步包括小脑、脑干、胼胝体。灰质和白质分离。
(一)
(b)
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2.2。材料特性
大量的脑组织材料特性已经在文献报道[20.,26]。建议在大多数出版物,脑组织与粘弹性行为建模。粘弹性剪切模量的大脑已在以下表达式: 在哪里短期内剪切模量,是长期的剪切模量,衰减系数。短期内的灰质定义剪切模量的10 kPa和长期2 kPa的剪切模量。白质是假定为25%硬度比灰质占其纤维结构(23]。CSF是建模为粘弹性固体,被认为是10倍比大脑灰质(柔软20.]。材料属性指定用于胼胝体白质。脑干是建模短期剪切模量为22.5 kPa和长期2.5 kPa的剪切模量。头骨被建模为一个弹性固体。杨氏模量(),泊松比()和密度(头骨15 GPa), 0.20, 2070公斤/米3,分别。表中列出的材料常数的值1。
2.3。界面条件
的头部有限元模型,如何在不同组件之间的接口模型边界条件的头部是至关重要的。模型建立与大脑之间共享节点和脑脊液。这些约束可以防止脑脊液之间的差距的形成和大脑。这个边界条件符合的模型在文献[9,27- - - - - -29日),CSF与低刚度建模和低剪切模量材料允许在头颅骨和大脑之间的相对运动的影响。其他组件之间的接口的头也已经实现节点连接(18]。一地对地是头骨和撞击器之间的联系,并使用摩擦系数为0.2。
2.4。元素的大小
本文选择的元素大小2毫米,网片模型可以描述脑回沟和其他大脑特征明显。更详细的讨论元素大小对模拟结果的影响阐述了在讨论。
2.5。影响的模拟
显式有限元代码执行的分析常用的ls - dyna (LSTC, 2006),生物力学和汽车碰撞模拟的影响。这个显式有限元代码,时间步长计算每一步的函数最小的网格大小和刚度。
由于模型没有脖子,成立头颈结一个自由边界来模拟那鸿书的影响实验。这意味着没有约束头颈结的。阮等人,愿意等。28,30.)指出,颈部的头没有显著影响反应在短时间的影响。模拟那鸿书的测试中,两种模型的影响额的撞击器的初始速度3.6米/秒。影响的时间是0.008秒。自从那鸿书垫的材料特性的实验没有发表,一系列的材料特性试图被分配到垫,和材料属性提供了一致的仿真和实验数据之间的接触力被选中和列在表2和3。素描的装载条件以及模型1和模型2的撞击器的仿真图所示3。
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(b)
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模拟Trosseille测试,加速曲线应用于取代冲击荷载。每个模型被定义为刚性的头骨,和平移加速度设在和设在和旋转加速度设在加载在头骨,导致大脑动态响应一样类似的实验数据。加速度曲线应用如图4。
(一)
(b)
3所示。结果
3.1。有限元模型验证
模型预测接触力和X-acceleration与尸体那鸿书测试的数据5(一个)和5 (b),分别。图5(一个)表明,模型1和模型2中的接触力曲线相似但部队低于峰值测试数据。仿真结果和实验数据之间的差异在10%,这表明一个合理的协议。模拟加速度CG的两种模型进行比较测试数据图5 (b)。这一趋势可以同意实验数据但大小是低估了,相对误差约为32%。这可能是由于头质量和材料特性的差异之间的电流模型和实验尸体样本。的政变和对侧外伤压力历史模拟基于模型和测量在那鸿书的测试数据绘制6(一)和6 (b),分别。图6(一)表明,模型1和模型2捕获实验测量反应相当好,有小的差别(少于7%)政变的压力峰值。负面压力对侧外伤地区在这两个模型与测量反应有相似的趋势。然而,负面压力峰值overpredicted 21%两种模型。这可能是由于片模型的简化和差异在当前模型之间的接触条件和材料特性和实验样本。
(一)
(b)
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3.2。压力
数据6(一)和6 (b)在政变和对侧外伤网站显示压力模型1和模型2。它可以观察到,一般形状的趋势,压力脉冲的大小和持续时间模型1与模型2中吻合较好。模型1和模型2中的压力分布预测三个典型的时间点(年代,0.004秒和0.006秒)数据所示7(一)和7 (b),分别。模型1中的压力水平是高于模型2的三个时间点。
(一)
(b)
3.3。压力
•冯•米塞斯应力分布(MPa)模型1和模型2的0.0015秒,0.0035秒和0.0065秒那鸿书的模拟测试数据所示8(一个)和8 (b),分别。模型1中的应力集中呈现在大脑表面的两个脑回和峰值应力高于模型2。
(一)
(b)
脑回和脑沟的影响等效应力的分布与局部区域模型如图9(一个)和9 (b),分别。数据之间的比较9(一个)和9 (b)表明,模型1中的最大·冯·米塞斯应力高于模型2和脑回和脑沟之间存在应力集中。•冯•米塞斯应力时间历程从大脑的同一个地方字段在两个模型(标有黑色矩形图9)如图10。大脑的最大·冯·米塞斯应力模型1是略高于在同一领域的模型2。
(一)
(b)
3.4。应变
最大的主要菌株在不同地区的模型图中列出11。结果表明,大脑的最大主菌株,胼胝体,小脑、脑干和模型l低于在相同的领域模型2 3%,51%,38%,和16%,分别。
3.5。动态响应
模型预测压力与政变Trosseille的测试结果相比,对侧外伤,侧脑室地区数据12(一个)- - - - - -12 (c),分别。图12(一个)仿真表明,政变压力相当好同意实验数据在0到0.015秒。曲线形状的差异0.015秒后开始。负面压力被发现在模型1和模型2中的仿真曲线而不是在测试。这是一个重大的缺陷在这些模型。图12 (b)仿真表明,countercoup压力是由两个模型高估了实验测量的数据。一个解释将详细讨论。图12 (c)仿真表明,侧脑室压力合理匹配0.015秒前的实验数据。0.015秒后,负面压力在仿真实验中但不被发现。
(一)
(b)
(c)
比较的压力预测模型1和模型2的政变,对侧外伤和侧脑室网站表明,两种模型的压力历史相似大小和时间。这一结果表明,脑回和脑沟的存在对加速度引起的压力几乎没有影响。
4所示。讨论
4.1。材料属性
本文两片模型被用来研究生物力学响应在矢状切面在头的影响。与其他2 d有限元模型(22),目前的模型都是由分配不同的材料特性的不同部分的头,类似于三维菲头模型在文献[18,20.,21]。
大脑材料特性的二维模型,三维模型,列出了当前切片模型表4。如表所示,和摘要Kuijpers et al。(22]338 kPa和169 kPa,分别是56和140倍比毛泽东等人的论文(23),和分别为6 kPa和1.2 kPa。的价值降低了约264次Kuijpers模型比毛泽东的模型。可以看出片模型的材料属性值接近毛泽东et al .,开发的三维模型和二维模型的材料属性似乎硬比三维模型的材料属性。
4.2。压力
•冯•米塞斯应力之间的比较数据模型1和模型28(一个)和8 (b),分别。发现应力集中发生在大脑的边缘模型1中,下面两个脑回。这表明脑回和脑沟的存在会导致局部应力越高,突出显示的数据9(一个)和9 (b)。脑回和脑沟的卷积的结果生成大脑皮层。脑回和脑沟的曲率增大大脑表面,并容易引起应力集中。毫米(31日)进行了对比仿真结果和临床观察损伤,发现有一些小皮质梗塞脑损伤脑回和脑沟的底部。这一发现同意目前的仿真结果,压力浓度之间存在两个脑回,如图9(一个)。
4.3。应变
之间的比较最大主应变模型1和模型2的图11。模型1的峰值应变值在不同地区低于模型2中的菌株,这再次引起的脑回沟。由于脑回和脑沟的存在,模型1和模型2的机械性能是不同的,这也进一步导致了最大主应变的差异。数据的比较(13日)和13 (b)下面显示了更高的应变集中在模型1脑回和脑沟。这些改变同意一些生理检查结果表明,白质恶化存在低于脑回和脑沟的病人患有脑损伤(32]。
(一)
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4.4。动态响应
在图12 (b),两种模型的对侧外伤压力远高于Trosseille中的值的测试。这一趋势也可以发现在Turquier等的工作(32]。这种差异与加载条件。Trosseille的实验中,一个撞击器被用来打击。生成的接触力造成变形的头骨,然后释放了颅内部队。这在当前模型被忽视,因为一个加速度曲线应用于取代冲击荷载。这样的设置可能会导致对侧外伤压力的差异。
4.5。脑回和脑沟
最前面的头模型中不含脑回和脑沟,所以这些模型预测的应力和应变可能不能反映实际的反应低于脑回和脑沟。在本文中,仿真结果表明,脑回和脑沟会影响应力应变水平和应力应变等领域的浓度在影响如图9(一个)和(13日),分别。当地的应变和压力可能会进一步影响头部的功能影响,会导致血肿和水肿脑组织中当他们的值足够高。因此,脑回和脑沟应包括在菲头模型,以确保更准确的损伤评估。
4.6。元素大小对模拟结果的影响
本文的元素大小片模型(第一部分)2毫米。为了研究元素大小对模拟结果的影响,细化网格模型1。那鸿书和Trosseille实验模拟了两种不同网格大小和仿真结果列在表中5。那鸿书的模拟测试,当元素大小从2毫米减少到1毫米,政变和countercoup压力从165 kPa和−85 kPa 153 kPa和−89 kPa,分别。政变和countercoup压力的相对误差是7.2%和6.7%,分别。在Trosseille的模拟实验中,可以发现,相对误差的政变,countercoup,和侧脑室压力是5%,7%,和4%,分别。当元素大小是2毫米,那鸿书的实验的仿真时间和Trosseille测试4 cpu是20分钟,36分钟,分别。然而,仿真时间2小时55分钟,7小时7分钟的筛孔尺寸减少到1毫米。这个结果表明,较大的元素(2毫米)应该使用在当前模拟以减少计算时间和可接受的精度。
4.7。总论
本研究揭示了影响脑回和脑沟的生物力学响应。为了更好地说明脑回和脑沟的3 d效果的意义,更详细和准确的三维有限元模型和脑回沟在未来需要发展工作。
5。结论
(我)目前的有限元模型和无脑回沟与那鸿书的实验数据验证。政变和对侧外伤压力预测的仿真与测试数据有很好的协议。(2)脑回和脑沟的颅内压的影响是微不足道的模拟那鸿书和Trosseille实验。模型中与脑回沟,更高的压力发生在大脑组织的边缘和低于脑回沟。(3)模型和脑回沟有一个较大的等效应力低于比模型无脑回和脑回和脑沟槽在同一位置。(iv)这是表明脑组织中的应变分布是由于脑回和脑沟显著改变。
利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
这项工作是由中国国家自然科学基金(批准号51175218),国家重点实验室开放研究基金项目的先进的汽车设计和制造的身体(批准号31115004),在大学长江学者和创新研究团队项目(批准号IRT1017), 973项目(批准号2012 cb723802)。