Die Rolle der Materialeigenschaften bei verletzungsbedingten Schäden aufdecken: Untersuchung des Einflusses von Variationen der Dichte von Gehirn und Schädel auf die Schwere von Kopfverletzungen

Traumatische Hirnverletzungen (TBI), die durch Kopfstöße entstehen, sind ein großes Gesundheitsproblem, das unsere Forschung veranlasst hat, die komplexe Beziehung zwischen den Materialeigenschaften des Gehirngewebes und der Schwere von TBI zu untersuchen. Ziel dieser Forschung ist es, zu ermitteln, wie Variationen in der Dichte von Gehirn und Schädel die Anfälligkeit des Gehirngewebes für traumatische Verletzungen beeinflussen, um unser Verständnis des Verletzungsmechanismus zu erweitern. Um dieses Ziel zu erreichen, verwendeten wir ein gut validiertes finite Elemente Modell des Kopfes (FEHM). Die aktuelle Untersuchung wurde in zwei Phasen unterteilt: In der ersten Phase wurden drei verschiedene viskoelastische Materialien des Gehirns, die in früheren Studien verwendet wurden, analysiert. Die Überprüfung der Eigenschaften dieser drei Materialien war sorgfältig und umfasste sowohl das Spektrum der mechanischen Eigenschaften als auch die Verhaltensweisen, die für die Reaktion des Gehirngewebes auf traumatische Belastungsbedingungen relevant sind. In der zweiten Phase wurden die Materialeigenschaften sowohl des Gehirns als auch des Schädelgewebes sowie die Belastungsbedingungen konstant gehalten. Nach diesem Schritt konzentrierte sich der Fokus auf die Variation der Dichte im Gehirn und Schädel, die mit den Ergebnissen früherer experimenteller Untersuchungen übereinstimmte, um die genaue Auswirkung dieser Dichtevariationen zu bestimmen. Dieser Ansatz ermöglichte ein tieferes Verständnis der Auswirkungen, die die Dichte auf die Simulationsergebnisse hatte. In der ersten Phase wies Material Nr. 2 den höchsten maximalen ersten Hauptdehnungswert im Frontbereich auf, was auf eine geringere Steifigkeit gegenüber sofortiger Deformation hinweist. Dieses Merkmal legt nahe, dass Material Nr. 2 sich bei einem Aufprall stärker verformen könnte, was das Risiko von Verletzungen aufgrund seines viskoelastischen Verhaltens potenziell erhöhen könnte. Im Gegensatz dazu zeigte Material Nr. 1 mit einem niedrigeren maximalen ersten Hauptdehnungswert im Frontbereich eine größere Steifigkeit gegenüber sofortiger Deformation, was das Risiko einer Gehirnverletzung bei einem Kopfstoß möglicherweise verringert. Die zweite Phase lieferte quantitative Ergebnisse, die eine proportionale Beziehung zwischen der Dichte des Gehirngewebes und den Drücken auf das Gehirn aufdeckten. Ein Anstieg der Dichte des Gehirngewebes um 2 % entsprach ungefähr einem Anstieg des Drucks auf das Gehirngewebe um 1 %. Ähnlich wiesen Veränderungen der Schädel-Dichte eine ähnliche quantitative Beziehung auf, wobei ein Anstieg der Schädel-Dichte um 6 % zu einem Anstieg des Gehirndrucks um 2,5 % führte. Dieses vorläufige ungefähre Verhältnis von 2 zu 1 zwischen den Variationen der Dichte von Gehirn und Schädel bietet einen ersten quantitativen Rahmen zur Bewertung der Auswirkungen von Dichteveränderungen auf die Anfälligkeit des Gehirns. Diese Ergebnisse haben mehrere Implikationen für die Entwicklung von Schutzmaßnahmen und Strategien zur Verletzungsprävention, insbesondere in Kontexten, in denen Kopfverletzungen ein wichtiges Problem darstellen.