مدل‌سازي عددي هيپوترمي مغزي با استفاده از سرد كردن مايع مغزي-نخاعي

Numerical modeling of the brain hypothermia by cooling the cerebrospinal fluid

زمینه و هدف: هیپوترمی مغزی با كاهش دمای مایع مغزی-نخاعی با استفاده از پد خنك‌كننده در ناحیه سینه‌ای انجام می‌پذیرد كه به‌طور بالقوه می‌تواند از عملكرد مغز در مقابل آسیب‌های ایسكمی محافظت كند. در این مطالعه هیپوترمی مغزی با استفاده از مدل‌سازی عددی مورد بررسی قرار گرفت. روش بررسی: برای بررسی این پدیده، در این مطالعه مدلی عددی از سر، با در نظر گرفتن ساختار بافت مغز و سهم آن در انتقال حرارت در آزمایشگاه مكانیك سیالات زیستی دانشگاه صنعتی امیركبیر در بهمن ۱۳۹۴ ارایه گردید. در این مدل، معادله پنس (Pennesʹs bioheat equation) و تحلیل المان محدود برای پیش‌بینی توزیع دما در بافت مغز به‌كار گرفته شده است. هندسه مدل در دو حالت بدون و با در نظرگرفتن بطن‌های مغزی كه در تولید مایع مغزی-نخاعی دخیل می‌باشند، طراحی شده است. بنابراین در حالت دوم، جریان مغزی-نخاعی به‌عنوان عامل انتقال حرارت جابه‌جایی در نظر گرفته شده است. یافته‌ها: با سرد كردن حدود پنج درجه مایع نخاعی به این نتیجه رسیدیم كه در حالت اول یعنی بدون در نظر گرفتن حركت مایع نخاعی، دمای بافت مغز در نزدیكی مغزی-نخاعی در قسمت ماده خاكستری حدود چهار درجه كاهش یافت و در مركز بافت در قسمت ماده سفید هیچ تغییری در دما صورت نگرفت. با در نظر گرفتن حركت مایع مغزی-نخاعی توزیع دما نامتقارن‌تر بود. در گوشه‌ها میزان افت دما بیشتر شد و حدود °C ۳ بود. نتیجه‌گیری: در حالت ایسكمی میزان افت دما بیشتر از حالت عادی بود. بنابراین در هنگام آسیب‌های مغزی برای جلوگیری از آسیب‌های جدی می‌توان با سرد كردن مایع نخاعی میزان متابولیسم مغز را كاهش داد.

Background: Brain hypothermia by reducing the temperature of the cerebrospinal fluid is done by a cooling pad in the thoracic region and protect brain from the ischemic injuries. Along with the spinal cord, the brain is an essential partner in the central nervous system, and similarly, it is surrounded and protected from the bony skull and from shock by cerebrospinal fluid. The brain analyzes information that is both internal and external to the body, transforms the information into sensations, and stores them as memories. So in this study we investigated the brain hypothermia by finite element modeling. Methods: To investigate this phenomenon, in this study a numerical model of the head with respect to the structure of brain tissue and its contribution to heat transfer is presented in the fluid lab of the Amirkabir University of Tehran in January of 2016. In this model, Pennesʹs bioheat equation and finite element analysis has been used to predict temperature distribution in the brain tissue. The model geometry is designed in two state without considering the ventricles of the brain that are involved in the production of cerebrospinal fluid and with considering cerebrospinal fluid. So, in the second case, the cerebrospinal flow is considered as a heat transfer factor. Results: We concluded that with cooling about 5 °C, in the first model without considering the ventricles, the gray matter temperature is reduced by about 4 °C and there is no change in white matter temperature. In the second model temperature distribution became more asymmetric. The temperature reduced about 3 °C in the corners. However, the temperature reduction at the edge of brain tissue and near cerebrospinal fluid were about 0.5 °C. Conclusion: It was observed that in the case of ischemia, the temperature drop was higher than normal. So, during brain injuries to prevent serious damage, the brain metabolism can be reduced by cooling the spinal fluid.