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生物物理学

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模拟导致大脑膨胀的内部应变

28 Sep 2016
模拟大脑如何应对内部压力
颅骨隆起:模拟大脑如何应对内部压力。 (礼貌:Kuhl Lab)

简单的软固体模型可用于准确评估可能是由称为颅骨切除术的稀疏脑操作引起的损伤。那’从英国和美国的研究人员的发现,这些研究人员使用了他们的简单模型的数学来发展了这种程序的现实模拟,他们希望有助于改善患者的结果。

诱饵,肿瘤和创伤性脑损伤等创伤会导致大脑膨胀。由此产生的颅内压的增加可以抑制血液流动并导致大脑的部位死于持久或致命的后果。为了减轻压力,外科医生可以作为最后的手段决定去除患者的大部分’S头骨并在骨骼中留下一个洞,一种称为颅骨切除术的程序。在现代医学中,颅脑切除术一直被用来了一个多个世纪,但有考古证据表明有数千年前的类似程序正在进行。然而,该程序是有争议的,因为失败率很高,结果可能很差。

在压力之下

本月早些时候,剑桥大学的研究人员 发表了10年的颅骨切除术研究结果。随机分配超过400名患有创伤性脑损伤并且具有高颅内压的人以接受颅骨切除术或医疗。头部伤后六个月,收到颅骨切除术的四分之一已死亡(27%),与收到医疗保健的一半(49%)。但是,存活的颅骨切除术患者更容易处于植物状态或具有严重的残疾。

出现损坏,因为该程序使大脑通过开口凸出而变形。例如,可以压扁血管和脑组织,导致血流的壮阳和丧失,并且伸展会损坏或杀死轴突 - 神经细胞的长部分。

为了改善结果,重要的是要理解在手术后大脑中发展的压力。 alain goriely是,牛津大学的数学家,以及美国斯坦福大学的同事,牛津大学和埃克塞特大学,决定通过看一个简单的物理问题:膨胀在软体浓度。从简单几何形状的数学模型开始 - 气缸和球体 - 它们看起来只允许膨胀的受约束的软固体时会发生什么,仅允许通过单个圆孔膨胀。凸起形式的形状是什么?什么强调和延伸发展?

拉伸和滑动

模拟显示出可能导致损坏的三个潜在问题。在凸起的中心伸展,在开口边缘处的压缩以及开口周围的高剪切应力区域,其中向外滑动受到约束。其中的前两个,特别是颅骨切除术后的已知问题 - 轴突伸展和血流和细胞的收缩。

研究人员发现,中度肿胀会产生有害的力量。他们的估计表明,如果变形受到限制以使所有纤维菌株保持在20%以下,与颅骨切除术后的那些相比,产生相对适度的凸起。然而,知道轴突可能被菌株低至4%的菌株损坏。

Goriely说,虽然大多数科学家认为拉伸导致最轴突损伤,但材料的物理显示“剪切自然与损坏有关”. He adds: “我们现在认为剪切对大脑同样危险。实际上,而组织可以抵抗压缩和轴突可以从小延伸,剪切与组织破裂相关。”

该团队还基于雌性头部的磁共振成像,创建了一种在头骨中包装的大脑的现实模型。使用前面开发的数学的仿真颅脑切除术,再现了与简单模型中所见相同的发现。“问题的美丽是这三种机制似乎是普遍的,” says Goriely, “它们适用于理想化的几何形状,如膨胀球体中的圆孔,也适用于人类大脑中的真正的颅骨切除术。”模型 - 脑模拟表明,脑组织中的10%膨胀产生高于轴突的已知损伤阈值的轴突应变,压缩和剪切。

困难妥协

从一只左右说“物理观点”,颅骨切除术是由于由于大变形而导致的高压缩应力之间的选择。“我们的方法可以帮助揭示这种困难的妥协,并建议修改诱导损坏的过程,”他补充道。研究人员希望一旦验证了计算机建模,它可以帮助合理化患者选择,并优化开放位置,形状和尺寸以改善结果。

安吉洛斯凯利亚斯,剑桥大学神经外科的临床讲师,也是10年学习的一个合作者,告诉 physicsworld.com. 颅底切除术审判有“确认了操作的救生本质”但必须密切监测患者生活质量的注意事项必须密切监测。

“等生物工程方法,如描述的,非常有前途,因为它们可以帮助我们更好地了解颅骨切除对脑组织的影响,” adds Kolias. “此外,生物工程方法可以帮助我们以患者特异性方式回答有关颅骨切除术的最佳大小和位置的临床问题。我们认为,在颅骨切除术后,对脑变形问题发出的多学科方法将在优化患者结果的努力中起着核心作用。”

该研究描述了两篇论文中 物理评论信应用力学与工程中的计算机方法.

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