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Modelling and simulation of impact waves in brain matter

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Die Auswirkungen eines Traumas durch einen Kopfaufprall modellieren

Forschende simulieren die Auswirkungen der Aufschlagwellen bei Traumata auf die Hirnsubstanz.

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Eine bedeutende Herausforderung in der Mechanik und Medizin ist die Prognose und Behandlung von Schädel-Hirn-Traumata. Diese entstehen durch plötzliche äußere Einwirkungen auf den Kopf, die das Hirn schädigen, zum Beispiel bei einem körperlichen Angriff oder Verkehrsunfall. Diese Verletzungen sind eine der Hauptursachen für Behinderungen und Todesfälle bei Erwachsenen. „Wir müssen mehr über Schädel-Hirn-Traumata wissen, damit wir Lösungen entwerfen können, um sie von vornherein zu verhindern“, erklärt Harold Berjamin, Postdoktorand an der Universität Galway und Hauptforscher von TBI-WAVES. Trotz der vielen Bemühungen in der Mechanikforschung, die Auswirkungen von Schädel-Hirn-Traumata zu nachzubilden und zu erklären, wurden wichtige Aspekte bei den Modellen nicht berücksichtigt, darunter Trägheit, Schwellung und Flüssigkeitsansammlungen. Über das EU-finanzierte Projekt TBI-WAVES wollten Berjamin und sein Team die mechanische und computergestützte Modellierung von Kopfverletzungen ausbauen. Das Projekt wurde mit Unterstützung der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen durchgeführt. Das Team konnte erstmals bisher vernachlässigte Auswirkungen bei diesen Modellierungen einfließen lassen und erstellte dann fortschrittliche Simulationswerkzeuge für Kopfstöße.

Die mechanische und computergestützte Modellierung von Hirnverletzungen stärken

Um die bisherigen Wissenslücken zu schließen, erstellten die Forschenden eine Reihe an mathematischen Modellen, anhand derer sie die Auswirkungen verschiedener reibungsbedingter Symptome bei Schädel-Hirn-Traumata analysierten. Das sind die Auswirkungen von Materialviskosität und von Flüssigkeitsansammlungen auf die Bewegung von Hirngewebe. Durch diese Arbeit wurde klar, dass diese Aspekte für Kopftraumata von entscheidender Bedeutung sein könnten. „Unser Hauptergebnis ist, dass brutale Bewegungen durch Aufschläge stark durch Materialeigenschaften beeinflusst werden, insbesondere Steifigkeit und Viskosität“, sagt Berjamin. „Daher sollten diese Eigenschaften bei Untersuchungen zu Schädel-Hirn-Traumata nicht vernachlässigt werden.“

Die Hirnbewegung nach dem Aufprall simulieren

Das Team entwarf auch spezielle Simulationswerkzeuge, um das Grundlagenwissen zu Schädel-Hirn-Traumata zu vertiefen. Aktuell wird noch erforscht, wie die Ursache einer Verletzung mit den Auswirkungen zusammenhängt. Das kann aus offensichtlichen ethischen Gründen nicht experimentell getestet werden. Daher sind Simulationen zu Kopfaufschlägen unerlässlich. Dabei handelt es sich um höchst präzise Computercodes, mit denen die Bewegung des Gehirns nach dem Aufschlag simuliert wird. Sie könnten für Sportverletzungen, Autounfälle und andere Verkehrsunfälle verwendet werden, um nachzuvollziehen, welche Art Trauma aufgetreten sein könnte. „Diese Simulationen können auch präventiv eingesetzt werden, um die Kräfte und Ziehkräfte im Gehirn bei einem Aufschlag abzuschätzen und bessere Protokolle oder Schutzmaßnahmen aufzustellen“, erklärt Berjamin.

Künftige Modelle der physikalischen und biologischen Prozesse nach einem Trauma anregen

Berjamin hofft, dass die Projektergebnisse genutzt werden, um die Gewebemodellierung und -simulation weiter auszubauen, und auch, um die physikalischen und biologischen Prozesse bei einem Kopftrauma tiefergehend zu erklären. „Meine Hoffnung ist also, dass Fortschritte in der Mathematik und im Ingenieurswesen dazu beitragen werden, die Belastung durch Kopfverletzungen auf das Gesundheitswesen abzufedern, zum Beispiel durch neue Sicherheitsvorrichtungen“, ergänzt er. Der Simulationsrahmen von TBI-WAVES ist noch nicht bereit für die Analyse echter Kopfverletzungen, aber das Team hofft auf schnelle Fortschritte in diesem Bereich. Abgesehen von Schädel-Hirn-Traumata können robuste Computermodelle zum Hirngewebe auch für andere Anwendungen genutzt werden, zum Beispiel bei Materialtests, für die medizinische Bildgebung, OP-Verfahren und Simulatoren. „Wir haben einige laufende Forschungskooperationen zum Thema aufrecht erhalten und ich freue mich darauf, mich in Zukunft wieder dem Thema zu widmen“, so Berjamin.

Schlüsselbegriffe

TBI-WAVES, Gehirn, Verletzung, Trauma, Kopf, Forschung, Computermodelle, Operation, Trägheit

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