文摘

大脑血管是一个复杂的网络,通过大脑的血液循环。然而,这种网络效应的作用在大脑动力学很少被检查。这个工作是研究血管网络的影响大脑爆炸载荷作用下的动态响应。泰森多边形法镶嵌实施代表大脑的血管网络。大脑动力学方面的最大主应变(MPS),剪切应变(SS)和颅内压(ICP)监测和比较。结果表明,血管网络显著影响大脑的反应。增加的国会议员和党卫军中观察到大脑嵌入血管网络,并不存在的情况下没有血管网络。有趣的是注意到,ICP的交替反应是最小的。此外,血管直径和密度也影响大脑动力学议员和SS的措施。这项研究揭示了在blast-induced大脑血管创伤性脑损伤的作用。

1。介绍

Blast-induced创伤性脑损伤(TBI)被认为是签名的受伤的伊拉克和阿富汗战争1]。据估计,超过200000名的越战老兵从伊拉克和阿富汗回国遭受脑外伤,69%由于爆炸2,3]。大量研究调查了脑损伤机制和补救措施在体外实验(4,5和建模6- - - - - -8]。大脑通常是建模为不可压缩材料而不考虑其与复杂的血管网络的集成。血管是三到五个数量级的硬度比大脑(9),其网络可能会影响大脑的结构反应而爆炸波传播到大脑。然而,血管的作用在大脑爆炸载荷作用下的动态响应从未被报告过。

一些研究[10- - - - - -12)考虑血管的作用在冲击荷载下的大脑反应(即。、线性/旋转加速度);然而,他们的结论是矛盾的。张等人开发了一个2 d人头有限元(FE)模型与一些理想化的脑动脉的分支和观察到的大脑中动脉导致减少峰值最大主应变(MPS),剪切应变(SS)和颅内压(ICP) 46%, 57%,和42%,分别为(10]。推测,理想化的动脉分支是高估了。相反,Ho和Kleiven11)观察到的最小作用大脑血管反应与议员峰值2%的变更。他们的研究是基于3 d人体头部有限元模型与基于图像的脑动脉的主要分支。然而,小血管分支之间的网络是被忽视的。沿着同一条直线,Parnaik等的实验研究。12也得出了同样的结论。他们建造了一个2 d铝圆柱代表的日冕部分头和硅胶作为大脑。孤立的动脉由硅胶管是径向插入到大脑。artery-induced增加峰值SS和国会议员只有4%和6%,分别。我们推测,大脑血管的网络会导致大脑动力学的重大变更。

在这部作品中,血管网络的影响大脑爆炸载荷作用下的动态响应研究使用有限元方法。球头在激波管和大脑发达。泰森多边形法镶嵌实施代表血管的网络嵌入在大脑。爆炸wave-head交互模拟。三个常用的损伤措施,国会议员,党卫军,和ICP监测在不同的大脑区域量化大脑血管网络动力学的作用。

2。有限元建模

大脑的球头直径138毫米,头骨厚度(图8毫米1了描绘血管网络的影响(13]。在48毫米半径远离中心的大脑,30镶嵌节点随机种子使用德劳内三角(MATLAB, Mathworks公司)。然后,泰森多边形法边缘生成的161位宾客代表血管网络。每个血管平均直径为2.72毫米,在人类脑动脉的直径报道的范围,从3.74毫米1.28毫米的大脑中动脉外周动脉(9]。血管密度,定义为总长度的脉管系统在大脑的体积,计算为0.0047毫米/毫米3。这是与0.0037毫米/毫米的密度量化3从三维计算机断层扫描(CT)人类大脑的血管造影术(11]。我们使用一个相对较大的密度考虑小血管的分支。


图1
有限元模型。

头骨被建模为齐次线性弹性各向同性材料的杨氏模量和泊松比的GPa 5.37和0.19,分别为(14]。大脑被假定为线性粘弹性短期剪切模量的41个kPa和7.8 kPa的长期剪切模量15]。15 MPa的杨氏模量和泊松比的0.48采用线弹性血管(10]。空气建模使用理想气体状态方程,因为爆炸的马赫数面前以我们之前实验(16)是大约1.4,比热比没有改变大大马赫数。总结了材料属性表1。

表1
头骨的材料属性、脑、血管,和空气。

爆炸波传播及其与代理负责人的交互本质上是一个固耦合(FSI)问题[17]。激波管内部的空气与欧拉建模元素,可以模拟高度动态的爆炸事件。代理主管与拉格朗日模型元素。一一个拉格朗日和欧拉领域之间的耦合是通过执行一个点球接触算法和无摩擦切向滑动和硬触点正常的行为。1100000年欧拉域由砖元素近似网格细化附近的区域代理去捕捉FSI效果。欧拉域的空气被选为400×400×800毫米3这样的反思主要边界是在2女士仿真时间可以忽略不计。头骨和大脑与减少网状eight-node六面体的元素(C3D8R)。一个网格收敛性研究和选择2毫米的筛孔尺寸。血管网状了两节点梁元素(B31)可以保持拉伸和弯曲负荷。

以前测量入射压力平面Friedlander波形的历史(16)是用作压力入口边界条件的欧拉域(图1)。欧拉的速度垂直于每个面域一直等于零,以避免转义/泄漏的空气通过这些面孔。这将创建一个纯1 d激震前沿的旅行 没有侧流方向。底部的头骨被限制在所有六自由度刚体来避免翻译。绑定约束是头骨和大脑之间使用。合并血管网络代理负责人,船只被合并的节点与相邻节点的大脑。

3所示。结果

计算框架已经在我们以前的工作根据实验数据进行验证(16]。简单,重复进行了激波管测试代理,即水聚碳酸酯外壳位于激波管。颅内压的历史在三个不同的位置测量。结果表明,实测压力资料的主要功能,包括峰值压力、非线性衰减,和小的高峰和低谷,被模拟。大脑中的峰值压力的最大偏差仅为8.31%。

在这个工作,三个常用的损伤措施,国会议员,党卫军,和ICP监测在不同的大脑区域量化大脑血管网络动力学的作用。议员反应在五个不同的地方在midcoronal平面大脑的两个模型(图之间的比较2)。位置代表上级皮层(地区),额叶皮质(地区B),枕叶皮质区(C)地区,胼胝体(区域D),和脑干(E)地区。国会议员大小是四个元素长度的平均值。议员峰值的预测模型和无血管没有多的地区不同,B和C,最大偏差小于3.89%。然而,D和E地区,峰值模型中的议员考虑血管网络增加了180.27%和282.25%,分别比没有血管网络。


图2
比较的最大主应变历史五的大脑区域代理。

Green-Lagrangian SS的 飞机是用来比较模型的响应。图3描述了党卫军历史预测的两种模型在前一节中描述的五个地区。预测的党卫军峰值高达3.68%和3.53%的地区为模型。除了区域A和D,所有地区表现出峰值党卫军在正方向。类似于议员反应,峰值SS模型预测的血管并没有多少区别模型没有血管区域,B和C,最大偏差小于3.94%。然而,峰值党卫军D和E地区增加了245.28%和612.56%,分别为模型血管网络。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
(e)
(e)
图3
比较剪切应变历史五的大脑区域代理。

两个模型之间的计算ICP也比较确定的影响建模的血管网络。图4说明了ICP midcoronal平面轮廓的大脑在不同的时间。这是观察到的血管网络对ICP反应没有显著的影响在时间跨度女士2。大脑内产生的复杂的波型,两个模型都非常相似。这可能是由于反射波的有限边界的头,头骨的存在具有显著的抗剪强度,在材料和波模式转换边界和接口。两种模型表现出典型的政变和countercoup压力模式在整个大脑的时间尺度(时间= 0.28和0.35 ms)。一旦早期波经过大脑,ICP混合模式开发的后来的时间尺度(时间> 0.35 ms)。政变压力峰值分别为0.518和0.520 MPa和countercoup峰值压力−0.062−0.067 MPa模型没有血管,分别。这种coup-countercoup机制会导致挫伤早期和可以广泛遍布大脑后混合ICP模式占主导地位的时候。

(一)没有血管网络
(一)没有血管网络
(b)与血管网络
(b)与血管网络
图4
颅内压力分布的快照。政变和countercoup模式在早期(时间< 0.35 ms)。混合颅内压模式被认为在稍后时间(时间> 0.35 ms)。

4所示。讨论

两个简化的模型,而没有血管网络的包容,是量化的影响大脑血管的大脑爆炸载荷作用下的动态响应。结果表明,血管网络的显式建模可能引发更高的菌株在大脑内,特别是在密集的网络区域(区域D和E)如图2和3。这是一致的临床观察轴突灯泡附近的血管blast-induced遭受创伤性脑损伤的患者(18]。在周边地区(地区A、B和C)没有许多血管网络,大脑反应的交替变化很小。这可以解释为血管网络大脑内部的加强效果。它也是有趣的观察ICP反应大脑的不变(图4),这表明大脑的阻抗是不受影响的血管网络。

我们假定血管的统一的直径是2.72毫米,这是大约平均颅内血管维度。参数研究是由使用两个限制颅内血管直径(3.74和1.28毫米)来衡量曼森(19]对理解的影响血管直径对大脑动力学。结果的议员峰值和峰值区域内嵌入血管网络的党卫军(区域D和E)的大脑在图所示5。很明显,峰值议员增加较大的血管大小。随着血管直径从1.28增加到2.72毫米,有57.66%和60.38%提高峰值议员D和E地区,分别为(图5(一个))。当血管直径从基线增加2.72毫米到3.74毫米,峰值议员D和E地区增加了63.36%和40.83%,分别。类似的趋势是峰值党卫军地区观察到大脑(图D和E5 (b))。这表明,血管直径是一个有影响力的参数对大脑动力学。细血管网络的具有不同直径的大小会改变大脑的反应,但对大脑血管网络动力学的作用是相同的。

(一)
(一)
(b)
(b)
图5
比较峰值最大主应变(MPS)和峰值剪切应变(SS)的核心区域(区域D和E)大脑的代理不同的血管直径。

每个人的血管密度也不相同。例如,Ho和Kleiven量化颅内血管密度为0.0037毫米/毫米3人类大脑的基于CT血管造影术(11]。Parnaik等人计算更高的血管密度0.0093毫米/毫米3基于磁共振成像(12]。我们有故意采用0.0047毫米/毫米的颅内血管密度3在我们的基准模型。理解大脑血管密度动态的敏感性,我们创建了一个密集的0.0093毫米/毫米的血管网络3通过增加55镶嵌节点数量和泰森多边形法边的数量到342年。高峰地区议员和SS D和E之间的大脑比较两个不同的血管密度和见图6。当血管密度从0.0047增加到0.0093毫米/毫米3,峰值议员D和E地区增加了98.19%和176.38%,分别为(图6(一))。相比之下,有39.09%和76.40%的减少区域D和E峰SS,分别(图6 (b))。这种相反趋势的交替峰值议员和党卫军可能解释为血管网络的配置。自从议员是脑弥漫性轴索损伤的预测以及机械损伤血脑屏障(20.,21),这表明更高密度的血管网络可能会导致更严重的脑损伤。更多的临床证据可以用来检验这个假设。

(一)
(一)
(b)
(b)
图6
的比较最大主应变峰值(MPS)和峰值剪切应变(SS)的核心区域(区域D和E)大脑的代理不同的血管密度。

在当前模型中,人类的头被简化为一个球形的头。一个基于图像的人头模型合并层的头材料和各种大脑组件可能会导致不同的应力/应变大小。此外,本构模型对大脑和动脉被收养来的冲击荷载条件下由于缺乏测试数据在更高的频率爆炸加载条件下,尤其是动脉。我们以前的工作表明,大脑反应显著下降的高峰ICP,最大剪应力,议员在高频冲击波加载条件下(22]。然而,考虑到这项工作的比较自然,血管网络的作用在大脑反应可能仍然适用的频率响应。此外,血管网络也被认为是泰森多边形法镶嵌与均匀直径位于大脑中部地区模仿其主要分支。更现实的血管网络会改变大脑的峰值应力和应变历史。尽管有这些简化,目前的工作展示了大脑血管网络动力学的重要性,这对创伤性脑损伤可能具有重要的临床意义。

5。结论

血管网络的影响大脑爆炸载荷作用下的动态响应研究使用两种简化模型和无血管网络。结果表明,血管网络可能会影响大脑反应在复杂的模式。大脑动力学也敏感维度和血管网络的密度。这项工作可以用来提供一个基本的理解行为和血管网络对大脑反应的影响,为优化防护设备的性能提供指导和照亮利用潜力的可能性减少创伤性脑损伤。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

承认

作者欣然承认金融支持Edgerton创新奖布拉斯加-林肯大学的工程学院。