بررسي اثرات شتاب‌ ناگهاني خطي و دوراني بر مغز انسان

Effect of linear and rotational acceleration on human brain

آسيبهاي ضربه مغزي، به عنوان يكي از ناشناخته ماندهترين عوامل اختلالات مغزي و مرگ و مير در جهان همواره مورد مطالعه بوده است. بهعلت محدويتي كه در مطالعات آزمايشگاهي به‌طور مستقيم روي سر انسان وجود دارد، ارايه مدل المان محدود سر با مشخصات هندسي و خواص مكانيكي دقيق در اين زمينه ضروري بهنظر ميرسد. در اين پژوهش، پس از مطالعه بر روي خواص مكانيكي بافتهاي سر و مدلهاي المان محدود ارايه شده، ابتدا خواص دقيق ويسكوهايپرالاستيك مغز با استفاده از نتايج آزمايش روي بافت مغزي گاو استخراج گرديد و ضرايب مدل ساختاري چند جملهاي كاهش يافته مرتبه 2 به عنوان متناسبترين مدل هايپرالاستيك و ضرايب سري پروني جهت معرفي خواص ويسكوالاستيك بافت مغز بيان گرديد. سپس ضرايب هايپرويسكوالاستيك به دست آمده با مطالعات گذشته و تحليل المان محدود مقايسه شد. در ادامه با استفاده از تصاوير سي تي و ام آر آي سر انسان، مدل المان محدود سر ساخته شده و با اعمال شتاب دوراني و خطي بهصورت ناگهاني، مدل المان محدود سر اعتبارسنجي گرديده است. در پايان، شتابهاي چند برابر گرانش به مدل اعمال شده و مرز آسيب عدم هوشياري ناشي از شتاب چند برابر گرانش، با معيارهاي معتبر آسيب همچون معيار جراحت سر و بيشينه فشار مغزي به صورت كمي بيان شد. نتايج نشان ميدهد، فشار مغزي بيشتر از 1/3 كيلوپاسكال و معيار شدت آسيب بيشتر از 30 باعث بروز آسيب عدم هوشياري ميشود.

Traumatic brain injury (TBI) has long been known as one of the most unspecified reasons for death around the world. This phenomenon has been under study for many years and yet questions remain due to its physiological, geometrical and computational complexity. Because of the limitations in experimental study on human head, the finite element human head model with precise geometric characteristics and mechanical properties is essential. In this study, the visco-hyperelastic parameters of bovine brain are extracted from experimental data and finite element simulations which are validated by experimental results. Then, a 3D human head including brain, skull, and the meninges is modeled using CT-scan and MRI data of a 30-year old human. This model is named “Sharif University of Technology Head Trauma Model (SUTHTM)”. After validating SUTHTM, the model is then used to study the effect of G acceleration. Damage threshold based on consciousness in terms of acceleration and time duration is developed using HIC and Maximum Brain Pressure criteria. Results revealed that Max. Brain Pressure ? 3.1 KPa and HIC ? 30 are representative of loss of consciousness. Also, 3D domains for the loss of consciousness based on Max. Brain Pressure and HIC criteria are developed.