Расчёт удлинения аксонов при моделировании черепно-мозговой травмы методом конечных элементов

При черепно-мозговой травме удлинение аксонов, предположительно, вызывает повреждение головного мозга и приводит к диффузному аксональному повреждению (ДАП). Ранее в качестве показателей ДАП предлагались механические параметры. Обычно параметры повреждения мозга выражают через давление, касательные напряжения или инварианты тензора деформаций. Оценка деформации аксонов в головном мозге во время удара по голове может улучшить понимание механизмов ДАП. Новый метод, основанный на измерении направленной диффузии воды в мягких тканях с помощью магнитно-резонансной томографии (МРТ), — диффузионно-тензорная визуализация (DTI) — позволяет получить информацию об ориентации аксонов в головном мозге. Цель настоящего исследования — объединить данные об ориентации аксонов, полученные по трёхмерному изображению DTI 12 пациентов и представленным в виде «атласа DTI», с конечно-элементной моделью головы Страсбургского университета (SUFEHM). Затем эту информацию интегрировали в моделирование черепно-мозговой травмы, рассчитывая удлинение аксонов для каждого конечного элемента модели мозга при постобработке результатов стандартного моделирования. Удлинение аксонов выбрали в качестве конечной точки расчёта из-за его высокого потенциала как параметра для прогнозирования ДАП и определения его локализации. После подробного описания метода объединения атласа DTI с конечно-элементной моделью головы с использованием разработанной методики реконструировали и проанализировали два случая черепно-мозговой травмы с различной степенью ДАП, чтобы продемонстрировать расчёт удлинения аксонов. Результаты показали, что анизотропные структуры мозга можно реалистично интегрировать в существующую конечно-элементную модель мозга. Также была подтверждена принципиальная возможность включения информации о направлении аксональных волокон в специализированный постпроцессор для расчёта удлинения аксонов. Точность оценки величины и локализации рассчитанного удлинения аксонов указывает на то, что объединение стандартного изотропного конечно-элементного моделирования со структурной анизотропией аксонов является эффективной стратегией. С помощью этого метода растяжение аксонов можно непосредственно рассматривать как механизм диффузного аксонального повреждения.