脑组织颅内相对运动及生物力学边界状态研究

Quantitative analysis of the stress and strain of the brain in traumatic brain injury (TBI) is important to understand the injury mechanism. However, the brain motion and the biomechanical boundary conditions of the brain are still largely unknown. Our preliminary studies have measured the displacement and strain of the brain under external forces in non-injury conditions. Qualitative analysis of the constraint effect of the brain-skull interface was also carried out. Therefore, we proposed that the physical connections between the brain and skull, which represent the biomechanical boundary conditions of the brain, could greatly influence the motion and deformation of the brain and are keys to inducing TBI. In this study, we propose to use MR fast imaging techniques to acquire the dynamic response images of the brain during different mild impact conditions, and to establish a finite element model to optimize the the boundary conditions of the brain. The quantified relative motion of the brain and the brain boundary conditions will help understand the injury mechanism, improve the current brain computational models, and are important for TBI prediction and prevention.

脑外伤的发生伴随着脑组织的形变和应力产生，其量化分析和模型建立对研究成伤机制具有重要意义。然而，外力作用下脑组织在颅内相对运动情况，以及脑组织与颅骨间的生物力学边界状态尚不清楚。申请人前期研究对无损伤外力作用下脑组织的在体位移和形变进行了初步的定量测试，并对脑组织的边界条件对其形变的约束作用开展了定性分析。因此，我们提出脑组织颅内的固定与连接状态，即脑组织的生物力学边界条件对脑组织的颅内相对运动和形变具有重要影响，对脑外伤的致伤起到关键作用。本项目采用磁共振快速影像技术，对人脑组织在不同幅度轻微碰撞情况下脑组织的在体动态响应进行测量，建立脑组织有限元计算模型并对脑组织的生物力学边界条件开展优化分析。脑组织的颅内相对运动和生物力学边界条件的分析可以为确定成伤机制，构建准确的脑组织的计算模型提供科学依据，对有效的预测与防护脑外伤具有重要意义。

脑外伤的发生伴随着脑组织的形变和应力产生，其量化分析和模型建立对研究成伤机制具有重要意义。本项目基于生物力学的理论和方法，结合磁共振成像技术，对脑组织生物力学特性和脑外伤组织的生物力学特性开展了一系列研究。自制了小鼠脑皮质可控冲击伤造模的仪器和组织粘弹力学参数测量仪器，揭示了脑组织粘弹力学特性在损伤后和不同损伤条件下的显著变化特征，提出了基于组织粘弹特性的损伤组织生物标志物。通过建立基于磁共振影像的脑组织有限元计算模型，模拟了脑皮质冲击伤的过程，并实现了基于深度学习的组织应力应变超分辨率显示。通过建立脑组织的流固耦合模型，从脑血管的形态变化和脑血流的变化角度出发，揭示了损伤脑组织生物力学变化的力学机制。通过开发基于电磁驱动的脑组织磁共振弹性成像测试仪，实现了脑组织生物力学特性参数的在体测量，揭示了脑组织生物力学特性随振动变化的频率特征。项目开展获得的脑组织试验结果和模型为脑外伤发生发展机制的理解提供了数据支持和理论基础。所开发的小动物脑外伤造模和软组织生物力学参数测量仪器可以推广到其他损伤生物力学相关测试，所开发的弹性成像测试仪器可以广泛应用于其他人体软组织。项目实施过程共发表期刊论文13篇，获批中国发明专利4,项，毕业硕士研究生3人。