Modelowanie skutków urazów głowy
Jednym z głównych wyzwań w naukach mechanicznych i medycznych jest przewidywanie i leczenie urazowego uszkodzenia mózgu (traumatic brain injury, TBI). TBI jest skutkiem nagłego działania siły zewnętrznej na głowę, która uszkadza mózg, np. w wyniku ataku fizycznego lub wypadku drogowego. Jest to jedna z głównych przyczyn niepełnosprawności i zgonów u dorosłych. „Poprawa naszego zrozumienia urazów głowy jest ważna, ponieważ może pomóc nam w opracowaniu rozwiązań zapobiegających urazom w pierwszej kolejności” — wyjaśnia Harold Berjamin, badacz podoktorancki w University of Galway i główny badacz w projekcie TBI-WAVES. Pomimo wielu wysiłków społeczności zajmującej się naukami mechanicznymi w celu symulacji i zrozumienia wpływu TBI, zaniedbanych lub pominiętych zostało kilka kluczowych aspektów w modelowaniu, takich jak bezwładność, pęcznienie i zawartość płynu. W ramach finansowanego ze środków UE projektu TBI-WAVES Berjamin i jego koledzy starali się ulepszyć mechaniczne i obliczeniowe modelowanie urazów głowy. W ramach projektu, realizowanego przy wsparciu programu działania „Maria Skłodowska-Curie”, zespół najpierw uwzględnił wcześniej pomijane efekty w modelowaniu TBI, a następnie stworzył zaawansowane narzędzia symulacyjne dla uderzeń w głowę.
Poprawa mechanicznego i obliczeniowego modelowania urazów mózgu
Aby uzupełnić wcześniejsze luki w wiedzy, naukowcy stworzyli serię modeli matematycznych w celu zbadania wpływu różnych efektów związanych z tarciem w TBI, a mianowicie wpływu lepkości materiału i zawartości cieczy na ruch tkanki mózgowej. Dzięki badaniom przeprowadzonym w ramach projektu stało się jasne, że efekty te mogą odgrywać ważną rolę w urazach głowy. „Naszym głównym wynikiem jest stwierdzenie, że brutalne ruchy wynikające z uderzeń są bardzo wrażliwe na kilka właściwości materiału, zwłaszcza sztywność i lepkość” — mówi Berjamin. „Dlatego też efekty te nie powinny być pomijane w badaniach nad TBI”.
Symulacja ruchu mózgu po uderzeniu
Zespół opracował również dedykowane narzędzia symulacyjne w celu poprawy podstawowej wiedzy na temat TBI. Obecne badania są nadal na etapie ustalania powiązań między przyczyną urazu a jego konsekwencjami, czego z oczywistych powodów etycznych nie można przetestować eksperymentalnie. Niezbędne są zatem narzędzia do symulacji uderzeń w głowę. Są to bardzo dokładne programy komputerowe zdolne do symulacji ruchu mózgu po uderzeniu i mogą być wykorzystywane w kontekście urazów sportowych, wypadków samochodowych i innych wypadków drogowych, aby zrozumieć, jaki rodzaj urazu mógł wystąpić. „Symulacje te mogą być również wykorzystywane prewencyjnie, w celu oszacowania sił i naprężeń działających w mózgu podczas uderzenia i zaprojektowania lepszych protokołów lub środków ochronnych” — wyjaśnia Berjamin.
Inspirujące przyszłe modelowanie fizycznych i biologicznych procesów pourazowych
Berjamin ma nadzieję, że wyniki jego projektu zostaną wykorzystane do dalszej poprawy modelowania i symulacji tkanek, a także lepszego zrozumienia procesów fizycznych i biologicznych zachodzących podczas urazów głowy. „Mam nadzieję, że w ten sposób postępy w matematyce i inżynierii pomogą zmniejszyć obciążenie systemów opieki zdrowotnej związane z urazami głowy, na przykład w oparciu o nowe urządzenia zabezpieczające” — dodaje. Ramy symulacji TBI-WAVES nie są jeszcze gotowe do analizy rzeczywistych scenariuszy urazów głowy, ale zespół ma nadzieję na szybki postęp w tym kierunku. Poza TBI, odporne modele komputerowe tkanki mózgowej mogą być wykorzystywane w innych zastosowaniach, takich jak testowanie materiałów, obrazowanie medyczne, procedury chirurgiczne i symulatory. „Prowadzę kilka bieżących badań dotyczących TBI i z niecierpliwością czekam na ponowne poświęcenie się temu tematowi w przyszłości” — mówi Berjamin.
Słowa kluczowe
TBI-WAVES, mózg, uraz, urazowy, głowa, badania, modele komputerowe, chirurgia, bezwładność