بررسی آسیب‌های مغزی سرنشین خودرو در تصادف از کنار و ارائه مدل محاسباتی برای شاخص‌‎های آسیب دیفیوزآکسونال و غده‌ای زیردورال

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، تهران، ایران

چکیده

چکیده: با توجه به دشواری انجام آزمون‌های واقعی و اهمیت مدل‌سازی دقیق آسیب‌های مغزی در این پژوهش مدل اجزا محدود سر انسان به منظور بررسی انواع مختلف آسیب‌های مغزی توسعه داده شده است. با استفاده از 233 مقطع تصویربرداری تشدید مغناطیسی از سر یک فرد 42 ساله و پردازش تصویر مدل هندسی بافت‌های استخوان جمجمه، پرده مننژ و مغز استخراج و ویرایش شده اند. خواص مکانیکی مربوط به هر یک ازبافت‌ها با استفاده از مدل‌های ساختاری مناسب غیرخطی استخراج شده و اعتبارسنجی با استفاده از داده‌های آزمایشگاهی موجود انجام شده است. با توجه به اثرات بسیار شدید ناشی از تصادف از کنار و آسیب‌پذیری بیشتر سرنشین در این موارد داده‌های شتاب در ناحیه سر در یک آزمایش تصادف از کنار در  یک مدل‌سازی تصادف به دست آمده و به مدل اجزا محدود اعمال شده است. معیارهای آسیب مربوطه بر اساس داده‌های حاصل از شبیه‌سازی استخراج شده که نشان می‌دهند شتاب دورانی وارد شده به سر با دلیل افزایش فشار در پرده مننژ و ایجاد کرنش زیاد در بافت مغز موجب پارگی سرخرگ‌ها و سیاهرگ‌های مغزی شده و بیشترین سهم را در شدت آسیب‌های مغزی دارد. درحالیکه شتاب خطی به تنهایی منجر به آسیب‌های شدیدی در مغز نمی‌شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Brain Trauma in Vehicle Side Crash; Developing a Computational Model for Diffuse Axonal and Subdural Hematoma Injuries

نویسندگان [English]

  • B. Moradi
  • M. Asgari
Mechanical Engineering Department, K. N. Toosi University of Technology, Tehran, Iran
چکیده [English]

ABSTRACT: Based on complicated modelling problems of head trauma, a finite element model of the human head has been developed in order to evaluate different types of brain damage. 233 sections Magnetic Resonance Images of the head of a 42 years old man were prepared. The geometric models of Skull, Meninges and brain were extracted. Mechanical properties related to tissues of the skull, meninges and brain membrane are applied. Obtained results from simulation correlated well with experimental results. After ensuring the validity of the model, data acceleration in the head recording from side impact test was applied to the model. The simulation results showed that the rotational acceleration, due to high strain rate in the brain and increased pressure in meninges, is responsible for rupturing arteries and veins. However, linear acceleration alone does not lead to severe damages in the brain. Developing a new computational model for these injuries evaluation including side crash case, have not been considered in previous studies. So, considering this problem in addition to developing an accurate and efficient FEM head model could be supposing the considerable innovation of this study.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Brain Injury
  • Biomechanics
  • Side Crash
  • FEM Head Model

مراجع

[1] D.J. Thurman, C. Alverson, K.A. Dunn, J. Guerrero, J.E.Sniezek, Traumatic brain injury in the United States: a public health perspective, The Journal of head trauma rehabilitation, 14(6) (1999) 602-615.
[2] C.H. Hardy, P.V. Marcal, Elastic analysis of a skull, Journal of Applied Mechanics, 40(4) (1973) 838-842.
[3] R.E. Nickell, P.V. Marcal, In-Vacuo modal dynamic response of the human skull, Journal of Engineering for Industry, 96(2) (1974) 490-494.
[4] T.A. Shugar, Transient structural response of the linear skull-brain system, 0148-7191, SAE Technical Paper, 1975.
[5] R.R. Hosey, Y.K. Liu, A homeomorphic finite element  model of the human head and neck, Finite elements in biomechanics, (1982) 379-401.
[6] J.S. Ruan, T. Khalil, A.I. King, Dynamic response of the human head to impact by three-dimensional finite element analysis, Journal of biomechanical engineering, 116(1) (1994) 44-50.
[7] D. O’Donoghue, M.D. Gilchrist, Strategies for modelling brain impact injuries, Irish Journal of Medical Science, 167(4) (1998) 263-264.
[8] R. Willinger, H.-S. Kang, B. Diaw, Three-dimensional human head finite-element model validation against two experimental impacts, Annals of biomedical engineering, 27(3) (1999) 403-410.
[9] A.H.S. Holbourn, Mechanics of head injuries, The Lancet, 242(6267) (1943) 438-441.
[10] A.K. Ommaya, A.E. Hirsch, Tolerances for cerebral concussion from head impact and whiplash in primates, Journal of biomechanics, 4(1) (1971) 13-21.
[11] A.K. Ommaya, A.E. Hirsch, P. Yarnell, E.H. Harris, Scaling of experimental data on cerebral concussion in sub-human primates to concussion threshold for man, DAVID W TAYLOR NAVAL SHIP RESEARCH AND DEVELOPMENT CENTER BETHESDA MD STRUCTURES DEPT, 1967.
[12] A.J. Golman, K.A. Danelson, L.E. Miller, J.D. Stitzel, Injury prediction in a side impact crash using human body model  simulation, Accident Analysis & Prevention, 64 (2014) 1-8.
[13] K. Li, J. Wang, S. Liu, S. Su, C. Feng, X. Fan, Z.Yin, Biomechanical behavior of brain injury caused by sticks using finite element model and Hybrid-III testing, Chinese journal of traumatology, 18(2) (2015) 65-73.
[14] D. Sahoo, C. Deck, N. Yoganandan, R. Willinger, Development of skull fracture criterion based on realworld head trauma simulations using finite element head model, journal of the mechanical behavior of biomedical materials, 57 (2016) 24-41.
[15] S. Kleiven, P.M. Peloso, H. Holst, The epidemiology of head injuries in Sweden from 1987 to 2000, Injury control and safety promotion, 10(3) (2003) 173-180.
[16] D. Sahoo, C. Deck, R. Willinger, Brain injury tolerance limit based on computation of axonal strain, Accident Analysis & Prevention, 92 (2016) 53-70.
[17] L. Zhang, K.H. Yang, R. Dwarampudi, K. Omori, T. Li, K. Chang, W.N. Hardy, T.B. Khalil, A.I. King, Recent advances in brain injury research: a new human head model development and validation, Stapp Car Crash J, 45(11) (2001) 369-394.
[18] K. Miller, K. Chinzei, Constitutive modelling of brain tissue: experiment and theory, Journal of biomechanics, 30(11) (1997) 1115-1121.
[19] K. Miller, K. Chinzei, G. Orssengo, P. Bednarz, Mechanical properties of brain tissue in-vivo: experiment and computer  simulation, Journal of biomechanics, 33(11) (2000) 1369-1376.
[20] X. Jin, F. Zhu, H. Mao, M. Shen, K.H. Yang, A comprehensive experimental study on material properties of human brain tissue, Journal of biomechanics, 46(16) (2013) 2795-2801.
[21] A. Shafiee, M.T. Ahmadian, H. Hoursan, M. Hoviat Talab, Effect of linear and rotational acceleration on human brain, Modares Mechanical Engineering, 15(7) (2015) 248-260.
[22] R. Moran, J.H. Smith, J.J. García, Fitted hyperelastic parameters for Human brain tissue from reported tension, compression, and shear tests, Journal of biomechanics, 47(15) (2014) 3762-3766.
[23] A.G. Holzapfel, Nonlinear Solid Mechanics II, (2000).
[24] A.M. Nahum, R. Smith, C.C. Ward, Intracranial pressure dynamics during head impact, 0148-7191, SAE Technical Paper, 1977.
[25] http://www.nhtsa.gov
[26] J. Zhang, N. Yoganandan, F.A. Pintar, T.A. Gennarelli, Role of translational and rotational accelerations on brain strain in lateral head impact, Biomed Sci Instrum, 42 (2006) 501-506.
[27] http://www.traumaticbraininjury.com
[28] C. Deck, D. Baumgartner, R. Willinger, Head injury prediction tool for protective systems optimisation, (2008).
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
دوره 50، شماره 1
فروردین و اردیبهشت 1397
صفحه 91-102

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار