脑震荡致伤机理的参数化有限元仿真研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    81471274
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    80.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    H0910.神经损伤、修复与再生
  • 结题年份:
    2018
  • 批准年份:
    2014
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2015-01-01 至2018-12-31

项目摘要

Researches have been reported that short term coma, loss of consciousness and loss of memory due to traumatic concussion were closely related to the damages of hippocampus, thalamus, diencephalon and other white matter in deep of the brain because of external loads. Based on this hypothesis, 4 new modified finite element human head models for the 5th, 50th, 95thpercentile adult and 6-year old child heads are proposing. These models will be built upon the previously published high biofidelic finite element models of the human heads, representing the 5th, 50th, 95thpercentile adult and 6-year old child heads, by deep diving into the internal structures of the brains such as the corpus callosum, the third ventricle, hippocampus, diencephalon, thalamus, mid-brain, pons and other white matter. The accurate anatomical boundaries of these organs will be extracted from the original CT scan images for which these 4 models were first developed. Impact simulations under various loading conditions and parametric studies will be performed using the newly created 4 models through non-linear large deformation finite element computation and analysis. Injury responses from those deep brain organs as mentioned above will be investigated further by tissue-level stress-strain analysis. The relationship between external loading conditions and tissue-level stress-strain will be simulated and analyzed; variation trends between external loads and tissue-level stress-strain among the 4 models will be studied; factors affect traumatic concussion will be identified and injury mechanisms will be proposed; injury criterion for concussion will be established; and finally finite element model-based traumatic concussion assessment system will be proposed.
研究表明,因脑震荡引起的暂短昏迷、意识丧失和记忆缺失与海马体、丘脑、间脑和其他脑白质等深度脑器官受损密切相关。基于这种假设,本项目在本课题组已研发的具有高仿真解剖结构的中国人第5、50、95百分位和6岁儿童的头部有限元模型基础上,针对原始模型的CT医学扫描影像,进一步深耕,对大脑深部器官如胼胝体、第三脑室、海马体、丘脑、中脑、脑桥等器官重构其准确解剖位置,并重新进行精准的模型建设。通过对重新构建的4个模型的非线性、大变形有限元法计算和参数化分析,求解不同个体头部在不同外载撞击条件下大脑深处的损伤响应。模拟、分析大脑深处的胼胝体、丘脑、海马体等和其他脑白质在外载荷下与生物组织层次的应力-应变响应关系;寻找这些应力、应变与外在撞击载荷的变化规律;从而认识脑震荡的发生规律,探讨脑震荡的致伤机理;进而提出脑震荡损伤判断准则;最后建立以有限元模型为基础的脑震荡损伤评估体系。

结项摘要

因脑震荡引起的暂短昏迷、意识丧失和记忆缺失与海马体、丘脑、间脑和其他脑白质等深度脑器官受损密切相关。本项目在本课题组已研发的具有高仿真解剖结构的中国人第5、50、95百分位、1岁、3岁和6岁儿童的头部有限元模型基础上,对大脑深部器官如胼胝体、第三脑室、海马体、丘脑、中脑、脑桥等器官重构其准确解剖位置,并重新构建了具有精准脑深部结构的头部系列有限元模型。基于所构建的模型,参考现有的已公开发表的尸体实验数据,对系列模型在各种工况下的有效性进行了重新验证。通过对重新构建的系列模型的非线性、大变形有限元法计算和参数化分析,求解不同个体头部在不同外载撞击条件下大脑深处的损伤响应。模拟、分析大脑深处的胼胝体、丘脑、海马体等和其他脑白质在外载荷下与生物组织层次的应力-应变响应关系。重构了尸体头部跌落和旋转试验,分析了头部在直线运动和旋转运动中颅脑损伤机理的不同。研究了颅骨、脑脊液和脑组织之间不同接触面类型和不同脑脊液划分密度对脑损伤预测的影响;研究结果发现,不同的接触界面类型导致撞击侧不同的颅骨变形和直线加速度,共节点接触模型仿真实验结果与尸体试验结果相关性最高,说明模型能够更加精确的预测脑损伤。基于构建的系列模型,重构了现实碰撞中头部发生外伤性脑损伤的真实案例,从而获得了不同年龄段中头部不同尺寸、形状和脑组织材料参数对脑组织应变以及脑损伤预测的影响。建议有必要从真实的CT数据或MRI影像建立儿童头部有限元模型,而不是通过缩放的方法预测儿童脑损伤风险。提取NHTSA数据库的6岁儿童汽车前碰撞仿真实验中儿童头部的动力学参数,加载到具有真实解剖学结构的6岁儿童头部有限元模型刚性颅骨上,探讨车辆前碰撞过程中,儿童头部脑组织生物力学响应以及动力学参数与头部各损伤指标的相关性;结果发现前碰撞事故中,头部主要沿矢状面旋转,脑干区域经历两次较明显的拉伸运动。头部经历的角加速度与脑组织最大主应变相关性较好。

项目成果

期刊论文数量(17)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(4)
专利数量(0)
具有详细解剖学结构的1岁学步儿童头部有限元模型构建及验证
  • DOI:
    10.16156/j.1004-7220.2017.04.002
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    医用生物力学
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    贺丽娟;毋乃卿;阮世捷;李海岩;王春祥;崔世海
  • 通讯作者:
    崔世海
6岁儿童乘员胸部有限元模型验证及损伤分析
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    汽车工程学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    崔世海;单蕾蕾;李海岩;贺丽娟;吕文乐;阮世捷
  • 通讯作者:
    阮世捷
颅脑组织材料参数对儿童头部冲击响应的影响
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    医用生物力学
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    陈越;崔世海;李海岩;贺丽娟;阮世捷
  • 通讯作者:
    阮世捷
6岁儿童骨盆有限元模型的构建和验证
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    汽车工程学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    李海岩;崔振宇;崔世海;阮世捷;贺丽娟
  • 通讯作者:
    贺丽娟
6岁儿童全颈有限元模型的构建及验证
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    医用生物力学
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    吕文乐;阮世捷;李海岩;崔世海;贺丽娟;王春祥
  • 通讯作者:
    王春祥

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其他文献

Investigation of the critical geometric characteristics of living human skull utilizing medical image analysis techniques
利用医学图像分析技术研究活人头骨的关键几何特征
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    Int. J. Vehicle Safety
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    阮世捷
  • 通讯作者:
    阮世捷
汽车安全与人体损伤生物力学的有限元模拟研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    华南理工大学学报(自然科学版)
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    胡习之;阮世捷;曲杰
  • 通讯作者:
    曲杰
对头部损伤判断准则适用性和可用性的新探索
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    生物医学工程学杂志
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    阮世捷;李海岩;王学魁;刘文岭
  • 通讯作者:
    刘文岭
关于头部组织材料性能敏感性对颅内压力响应的研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    中国生物医学工程学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    阮世捷;王学魁;刘文岭;李海岩
  • 通讯作者:
    李海岩
Development and validation of a 6-year-old pedestrian thorax and abdomen finite element model and impact injury analysis
6岁行人胸腹部有限元模型的开发与验证及冲击损伤分析
  • DOI:
    10.1504/ijvs.2015.074378
  • 发表时间:
    2016-01
  • 期刊:
    International Journal of Vehicle Safety
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    阮世捷;李海岩;崔世海;贺丽娟
  • 通讯作者:
    贺丽娟

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阮世捷的其他基金

颅脑损伤判断准则的有限元法研究
  • 批准号:
    30570481
  • 批准年份:
    2005
  • 资助金额:
    28.0 万元
  • 项目类别:
    面上项目
头部损伤的生物力学造型与应用
  • 批准号:
    30470462
  • 批准年份:
    2004
  • 资助金额:
    8.0 万元
  • 项目类别:
    面上项目

相似国自然基金

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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