Mechanical behaviour of brain tissue for injury prediction : characterisaton and modelling

M. Hrapko

Research output: ThesisPhd Thesis 1 (Research TU/e / Graduation TU/e)

181 Downloads (Pure)

Abstract

Bij botsingen is het hoofd het meest kwetsbare deel van het menselijk lichaam en het loopt daarbij vaak levensbedreigend letsel op. Om inzicht te verwerven in de vervormingen die aan de basis van dit letsel liggen, en deze te kunnen voorspellen voor een gegeven uitwendige belasting op het hoofd, is het noodzakelijk om het mechanisch gedrag van hersenweefsel te kennen. Deze kennis kan vervolgens, in de vorm van een wiskundige beschrijving van het mechanische gedrag, worden gebruikt in een eindige elementen model van het hoofd, waarmee zulke voorspellingen kunnen worden gedaan. Ondanks dat de mechanische eigenschappen van hersenweefsel al worden bestudeerd sinds de jaren zestig van de vorige eeuw, zijn ze tot nu toe niet binnen redelijke marges vastgelegd; de resultaten van verschillende studies liggen soms decades uit elkaar. De hoofddoelen van deze studie zijn het vaststellen van het mechanisch gedrag van hersenweefsel onder invloed van grote rekken bij verschillende typen vervormingen, zoals afschuiving en compressie, het vastleggen van dit gedrag in een constitutief model, en gebruiken van deze beschrijving in een numeriek model dat de respons van de hersenen kan voorspellen tijdens botsingen. Een dergelijk model geeft bovendien de mogelijkheid om de invloed van structurele veranderingen in de constitutieve vergelijking te onderzoeken, in het bijzonder veranderingen van de niet-lineaire termen die het gedrag bij grote vervormingen beschrijven. Het mechanisch gedrag van hersenweefsel kenmerkt zich als viscoelastisch. Voor de karakterisering van dit viscoelastisch gedrag zijn zowel lineaire en niet-lineaire metingen gedaan aan weefsel van varkenshersenen. Varkenshersenen zijn gekozen vanwege beschikbaarheid en de mogelijkheid om de post-mortem tijd gedurende de metingen te minimaliseren. Afschuif- en compressiemetingen zijn uitgevoerd op een ARES-II rotatiereometer, gebruik makend van een plaat-plaat geometrie. Bij de afschuifmetingen werd het monster excentrisch geplaatst om zodoende de signaal-ruis verhouding te verbeteren en een nagenoeg homogene deformatie in het monster te bewerkstelligen. De e??ecten van verschillende testomstandigheden zijn onderzocht voor afschuifproeven; in het bijzonder de procedure voor monsterpreparatie, post-mortem tijd, testtemperatuur, precompressie en eventueel aanwezige anisotropie in relatie tot de afschuifrichting. Voor de compressieproeven is aangetoond dat zowel de, altijd op het weefsel aanwezige, vloeisto??aag en de wrijving tussen weefsel en omgeving een belangrijke rol spelen in de uiteindelijke respons van het monster. Vervolgens is de weefselrespons voor grote afschuifrekken onderzocht. Tot rekken van 0.45 is geen directe mechanische schade, dat wil zeggen een substantiële verandering van de mechanische respons, gevonden en dus kon met deze proeven het materiaalgedrag voor complexe deformatie geschiedenissen worden bepaald. Op basis van de resultaten is een nieuwe constitutieve vergelijking van het di??erentiaal type opgesteld die vervolgens is gevalideerd in gecombineerde afschuif- en compressiemetingen aan dezelfde monsters. Een compressibele versie van dit model, gecombineerd met een expliciet tijdsintegratie schema, is geïmplementeerd in het botssimulatie software pakket MADYMO. Resultaten van simulaties met dit constitutieve model, toegepast in een 3-dimensionaal eindige elementen hoofdmodel, zijn vergeleken met simulatie resultaten op basis van een vereenvoudigde versie van het model en met die van een niet-lineair model uit de literatuur. Hiermee is de gevoeligheid van de resultaten voor niet-lineariteiten in de constitutieve modelvorming van hersenweefsel onderzocht. Verder zijn experimenten uitgevoerd aan plakken hersenweefsel, gebruik makend van beeldcorrelatie technieken, die bedoeld zijn als de opstap naar experimenten die toegankelijk zijn voor het meten van grote vervormingen onder botsingcondities. Aangetoond is dat geometrische en materiaal heterogeniteiten een belangrijke rol spelen in de locale respons van hersenweefsel en dus voor de mechanismen die ten grondslag liggen aan traumatisch hersenletsel. Het inbouwen van zulke heterogeniteiten in de volgende generatie letselanalyse gereedschappen is dan ook aan te bevelen.
Original languageEnglish
QualificationDoctor of Philosophy
Awarding Institution
  • Mechanical Engineering
Supervisors/Advisors
  • Wismans, J., Promotor
  • Peters, Gerrit W.M., Copromotor
  • van Dommelen, J.A.W. (Hans), Copromotor
Award date2 Jun 2008
Place of PublicationEindhoven
Publisher
Print ISBNs978-90-386-1268-3
DOIs
Publication statusPublished - 2008

Fingerprint

Dive into the research topics of 'Mechanical behaviour of brain tissue for injury prediction : characterisaton and modelling'. Together they form a unique fingerprint.

Cite this