開發人類腦震盪的損傷門檻
客戶故事
密歇根州底特律 Wayne State 大學的生物工程系擁有美國最大的持續活躍的生物醫學研究項目之一。 70 多年來，通過該系和 WSU 醫學院之間的密切合作，教師和研究人員在生物醫學方面取得了重大進展。
該系的生物工程中心由生物工程教授 King Yang 博士指導，是一個專注於撞擊創傷、腰痛和運動損傷生物力學研究的主要實驗室。 目前的專案包括車輛側面和後方撞擊耐撞性分析、頭部損傷建模和下肢損傷模擬。 1998 年，生物工程中心師生開發的腦損傷計算模型被史密森學會授予電腦世界史密森獎章。
輕度創傷性腦損傷：殘疾和死亡的主要原因
由鈍頭撞擊導致的創傷性腦損傷 (TBI) 是美國殘疾和死亡的主要原因。 每年大約發生 200 萬例 TBI 病例。 這些損傷中的絕大多數被歸類為輕度創傷性腦損傷 (MTBI) 或腦震盪。 儘管使用了安全帽，但人們越來越意識到與運動相關的 MTBI 作為一個重要的公共健康問題，影響著許多人。 由於無法治愈，唯一的選擇是發展介入策略。 確定運動員的頭部損傷介入門檻標準，特別是美式足球，是該中心的主要研究領域。
生物工程中心根據動物腦震盪試驗加速度結果和前額平面撞擊引起的屍體顱骨骨折的耐受曲線，開發了頭部損傷防護標準。 然而，這些標準無法解釋可變形顱骨內大腦的複雜運動。 此外，他們忽略了頭部角加速度對損傷原因的貢獻。 此外，沒有考慮頭部的方向敏感性。
目前的足球頭盔有一個填充系統來防止頭部嚴重受傷，但不能有效地防止腦震盪。 為足球和其他運動開發預防 MTBI 的運動保護頭盔需要對損傷機制和門檻有更深入的了解。
“HyperMesh 有限元建模和變形工具是 Wayne State 大學腦損傷模型開發的基礎”
– Wayne State 大學的生物醫學工程教授和生物工程中心主任，King H. Yang 博士
需要對人類腦震盪進行生物醫學研究，將機械輸入與局部腦組織變形、壓力和應力/應變反應聯繫起來，以正確評估腦損傷的發展。有意義的頭部損傷標準必須確定一個門檻，低於該門檻不會發生功能喪失，以及一個上限，超過該門檻會發生腦功能的不可逆轉的變化。這些資訊對於設計有效的頭部保護系統至關重要。能夠模擬撞擊事件的電腦模型為研究人員制定 MTBI 門檻標準提供了重要幫助。基於有限元 (FE) 的人體頭部計算模型現在能夠模擬精細的解剖細節和組織水平特徵，以應對導致傷害的影響。Wayne Stat 大學頭部損傷模型 (WSUHIM) 是為頭部損傷評估開發的幾種有限元模型中最複雜的。 WSUHIM 於 1993 年推出，使用 Altair 的 HyperMesh 作為其獨有的建模平台有著悠久的發展歷史。
從足球場事件中對創傷性腦損傷數據進行建模的方法
NFL 球員每個賽季打四場季前賽、十六場常規賽和額外的季後賽。 每年大約有 150 名球員被診斷出患有明顯的或疑似是 MTBI。 在 2003-04 賽季，一項研究確定了幾起從治療受傷球員的隊醫那裡收集到的確診腦震盪病例。 然後使用確診病例的比賽影片來確定頭部運動學，包括撞擊速度和位置。
通過使用兩個 Hybrid III 擬人化測試假人頭進行撞擊事件的基於實驗室的重建，這些假人頭戴的範例頭盔與受傷球員所戴的頭盔相似。 兩個 Hybrid III 頭分別配備了九個線性加速度計，並且頭連接到配備六軸稱重傳感器的 Hybrid III 頸部。 受傷的（通常是被擊中的）球員被表示為一個固定的戴頭盔的頭部形式，而未受傷的（通常是被擊中的）球員被表示為一個戴頭盔的頭部形式，它以來自比賽影片的相對速度移動（圖 1） 。
使用來自實驗室的頭部運動學數據，使用 Wayne State 大學頭部損傷模型 (WSUHIM) 完成了基於 FE 的逐個案例模擬。 該模型具有超過 300,000 個 HyperMesh 元素的顱骨和大腦的精細解剖細節（圖 2）。
WSUHIM 模擬 50% 男性頭部的所有基本特徵，包括大腦和周圍組織的 15 種不同材料屬性。 該模型包括黏彈性灰色和白色腦物質、膜、腦室、顱骨和面部骨骼、軟組織以及大腦和硬腦膜之間的滑動介面條件。 本研究中使用的 WSUHIM 由 Liying Zhang 博士修改，以提高網格質量和材料定義。 HyperMesh 使這些更改能夠高效而準確地進行。 修改後的 FE 模型的頭蓋骨由 24 個實驗室頭部撞擊重建測量的平移和旋轉加速度載入。 楊博士說“HyperMesh 有限元建模和變形工具是 Wayne State 大學頭部損傷模型開發的基礎”。
模擬結果和建議的頭部損傷標準
有限元模擬允許預測與腦震盪或非損傷事件相關的給定輸入的顱內壓分佈和顱內機械響應的局部應力/應變。
在本研究中，通過模擬模型預測的顱內壓和腦剪應力的機械響應參數被選為最有希望的 MTBI 指標。 完成統計分析以評估損傷結果與頭部運動學之間的關係。 模擬研究得出以下結論：
- 得出的結論是，顱內壓可以作為 MTBI 的全球響應指標。
- 發現高平移剪應力集中在上腦幹和丘腦區域。 促使的剪應力可能會改變腦功能，導致輕度腦損傷。
- 模擬結果的線性回歸分析表示，與旋轉加速度相比，平移頭部加速度對顱內壓反應的影響更大（圖 3）。
- 根據線性邏輯回歸分析，預測的上腦幹剪應力反應是優於其他腦反應參數的最佳損傷預測指標（圖 4）。
還提出了基於頭部運動學的損傷耐受性，適用於足球和廣泛的活動。 Altair HyperMesh 在為這些研究提供精準的有限元建模能力方面發揮了關鍵作用，並且自 1993 年成立以來一直是 WSUHIM 的獨家網格建模工具。
圖 1 靜力測試模擬、位移輪廓
圖 2 顯示頭部各種組件的 WSUHIM
圖 3 顱內壓與最大平移加速度之間的關係（A）和中腦剪應力與頭部最大旋轉加速度之間的關係（B）
圖 4 模型預測的基於腦幹剪應力和輸入頭部旋轉加速度的損傷概率預測邏輯圖
行業
大學/研究，生物醫學
挑戰
全面了解輕度創傷性腦損傷或腦震盪的損傷機制，以預防或減輕損傷的發生。
解決方案
通過使用場震盪數據和基於 Altair® HyperMesh® 的頭部有限元建模，建立有意義的損傷標準。
結果
創傷性腦損傷是車輛碰撞和運動碰撞造成的損傷的重要組成部分。 制定預防和減輕這些損傷的策略可以降低這些損傷對未來產品造成的沉重的情感、經濟和社會代價。