Compressie van hersenweefsel bij hoofdimpacten en zijn relatie tot de etiology van contusies

Hoofdletsels zijn de vierde belangrijkste doodsoorzaak in westerse landen en de belangrijkste bron van posttraumatische invaliditeit. Het is het resultaat van een hevige versnelling of een impact op het hoofd, veroorzaakt door bijvoorbeeld vallen, voertuigongevallen, toevallige stoten in sport en recreatie en aanvallen. In het afgelopen decennium leden jaarlijks ongeveer 4 miljoen mensen aan een traumatisch hersenletsel in Europa. De epidemiologische, sociale en economische impact van hoofdletsels bewijst dat onderzoek op dit gebied noodzakelijk is. Alleen met een volledig begrip van de mechanische en fysiologische oorzaken van hoofdletsels kunnen we dergelijke blessures voorkomen en beschermen.

Er bestaat nog steeds controverse over de mechanische oorzaken van hoofdletsels in de biomechanische gemeenschap. Algemeen wordt verondersteld dat de hoek- en lineaire versnelling en de hoek- en lineaire snelheid verwondingen kunnen veroorzaken, als deze voldoende groot zijn in absolute waarde en / of impulsduur. Echter, verder onderzoek is nodig naar experimentele en numerieke modellen om deze hypothesen te valideren. Het combineren van subject-specifieke mechanische eigenschappen van het menselijk hoofd en het evalueren van de fysieke weefsellimieten voor hoofdletsels vormt een veeleisende uitdaging.

Deze thesis concentreert zich op de studie van weefseltoleranties bij hoofdletsels, veroorzaakt door ongevallen, waarbij zowel experimentele als numerieke benaderingen worden gecombineerd. De uitdaging bij de identificatie van deze tolerantie-criteria op weefselniveau komt onder andere van de anatomische complexiteit van het menselijk hoofd. De focus van deze thesis is het onderzoek naar de laagste weefsellimiet voor hersenkneuzingen. Hiervoor ontwikkelden we een in vivo varkensmodel voor hersenkneuzingen. Dit model evalueerde de minimale rek die resulteerde in een hersenkneuzing en bracht de mechanische belasting in verband met de kenmerken van een hersenkneuzing. Deze resultaten onthullen een weefsellimiet voor hersenkneuzing voor een impact-snelheid van 0.5 - 2 m/s en een impact-diepte van 1 - 2 mm. In combinatie met een Eindige-Elementen (EE) model evalueerden we de spanning- en rekpatronen tijdens geïnduceerde hersenkneuzingen. De inwendige reactie van het hersenweefsel kan diepgaand worden geanalyseerd en gerelateerd aan de mechanische en fysiologische oorzaken van hersenkneuzingen. De resultaten bevestigen de mogelijkheid om de inwendige reactie van de hersenen te evalueren met de voorgestelde methode.

Deze thesis evalueerde tevens de invloed van de subject-specificiteit van zachte en harde weefsels in EE-modellen van het menselijk hoofd. Daarnaast zijn gevalspecifieke hoofdimpacten geanalyseerd en subject-specifieke materiaal modellen voor zachte weefsel voorgesteld. Ten eerste, wij karakteriseerden dura mater met behulp van in vitro planaire biaxiale trekproeven. Wij verkregen spanning- en rekcurven en een beschrijvend model legde het gedrag van het weefsel met succes vast. De resultaten onthullen dat het Gasser-Ogden-Holzapfel model het gedrag van de dura mater meest succesvol beschrijft. Ten tweede, we implementeerden experimentele gegevens van schedelbreuken in gevalspecifieke EE-modellen, waarbij we zowel rekening hielden met een subject-specifieke schedelgeometrie als met een subject-specifiek materiaalmodel voor schedel op basis van Hounsfield-eenheden. We analyseerden de invloed van de lokale geometrie op de plaats van inslag en het materiaalmodel op de inwendige rekenergie van de schedel. Deze gevalspecifieke modellen voorspellen de breuklijnen met een hoge nauwkeurigheid. Beïnvloedende factoren op de rekenergie van de schedel zijn het contactoppervlak, de dikte van de hoofdhuid en de positie van het botslichaam.

Ten slotte presenteert dit doctoraat technische bijdragen aan de mechanopathogenese van hoofdverwondingen, in het bijzonder bij fronto-temporale hersenkneuzingen en schedelbreuken. Deze thesis toont objectief de uitdagingen, beperkingen en mogelijkheden aan in het onderzoek naar hoofdletsels, zodat deze in de toekomst kunnen bijdragen tot verbeterd ontwerpen van beschermende maatregelen, zoals helmen.