基于三维生物真实头部替代模型的颅内生物力学多模态特征分析

《Journal of Materials Research and Technology》：Multimodal Characterization of Intracranial Biomechanics in a 3D Biofidelic Head Surrogate

脑损伤风险评估中生物仿真头模的开发及多模态测量技术对比。

　　### 人类大脑运动与创伤性脑损伤（TBI）的综合研究

在现代医学与工程学领域，对人类大脑在头部冲击下的机械响应进行研究具有重要的意义。这种研究不仅有助于理解大脑的生物力学特性，还为开发更有效的安全防护设备提供了科学依据。创伤性脑损伤（TBI）是全球范围内常见的健康问题之一，其影响范围广泛，从轻微的脑震荡到严重的脑组织损伤，给患者的生活质量和健康状况带来深远的影响。TBI通常由头部的快速加速引起，这种加速可能导致大脑组织的变形，进而引发一系列的次级损伤机制，包括细胞层面的损伤和组织层面的功能障碍。

为了更准确地评估TBI的风险并优化安全设备的设计，科学家们利用了计算模型和物理模型来模拟大脑在冲击条件下的反应。然而，这些模型往往存在一定的局限性，尤其是在对大脑变形的直接测量方面。大多数物理模型缺乏对大脑内部变形的测量手段，主要依赖于对头部运动的分析来预测损伤的可能性。因此，研究者们致力于开发更加生物仿真的物理模型，以提高对TBI风险的评估精度。

在这一背景下，本研究旨在构建一个具有现实颅内几何结构和大脑仿体材料的头部模型，以便进行多模态的大脑变形实验。通过结合两种独立的技术——超声波测距（sonomicrometry）和标记磁共振成像（tMRI），研究团队希望能够利用每种技术的优势，同时克服其各自的局限性。超声波测距技术能够提供高时间分辨率的大脑运动数据，尤其适用于高冲击强度的情况，但其无法进行活体测量，且传感器分布较为稀疏，难以精确计算局部组织的应变。相比之下，tMRI技术能够在活体条件下测量大脑的三维运动和应变，具有较高的空间分辨率，但其时间分辨率受限于成像速度和重复运动次数，无法捕捉高速冲击下的动态变形。

为了确保实验的准确性，研究团队首先对六种不同的仿体材料进行了剪切流变测试，从中选择了最适合用于本研究的Sylgard 527材料。该材料在室温下具有良好的稳定性，并且能够模拟大脑的机械特性。接下来，研究团队基于20名健康志愿者的T1加权磁共振图像，构建了一个平均男性大脑的颅内几何模型，并将其与标准的外部头部几何模型结合，以创建一个3D打印的头部模型。该模型不仅具备可重复使用的特性，还能够作为未来头盔或其他防护设备测试的平台。

为了进一步验证该模型的生物相似性，研究团队在相同的加载条件下使用了超声波测距和tMRI技术对模型进行了测试。结果显示，该头部模型在T1加权MRI中表现出良好的对比度，并且其应变模式与活体人类大脑的响应相似，尽管最大主应变（MPS）大约是活体测量值的两倍。这一结果可能与模型中大脑与颅骨之间的固定连接有关，这种连接限制了相对运动，从而增加了变形的幅度。此外，研究团队还使用有限元（FE）模型对头部模型的变形响应进行了模拟，并发现两种实验技术在位移和应变的测量上与FE模型的结果高度一致。

研究团队还对tMRI和超声波测距技术的重复性和一致性进行了评估。结果显示，超声波测距技术在重复实验中表现出极高的可重复性，而tMRI技术虽然在重复性方面也表现良好，但在冲击后一段时间内，由于标签模糊或其他成像限制，其测量结果可能会受到噪声的影响。因此，未来的研究可能会引入更先进的算法，如深度学习方法，以减少这种误差并提高测量的准确性。

此外，研究团队还探讨了头部模型在模拟大脑运动时的生物相似性。尽管当前的头部模型在非伤害性加载条件下能够提供与活体数据相似的位移和应变信息，但在更高冲击强度的情况下，模型的生物相似性可能受到限制。例如，大脑与颅骨之间的界面，包括硬脑膜、蛛网膜和软脑膜，以及蛛网膜下腔中的脑脊液，这些结构在真实大脑中起到缓冲和能量分散的作用，而在当前的头部模型中，这些结构并未被完全模拟。因此，未来的研究可能会考虑在模型中引入这些结构，以提高其对真实大脑运动的模拟能力。

综上所述，本研究通过构建一个具有现实颅内几何结构和大脑仿体材料的头部模型，结合超声波测距和tMRI技术，为理解和评估TBI提供了新的方法和工具。这些技术的结合不仅能够提高测量的准确性，还能够揭示大脑在不同冲击条件下的生物力学响应。尽管当前的模型在某些方面仍存在局限，如生物相似性不足和高冲击条件下的模拟能力，但其为未来的研究和应用提供了重要的基础和方向。随着技术的不断进步和材料科学的发展，未来的头部模型有望更加精确地模拟大脑的复杂行为，从而为TBI的预防和治疗提供更有效的支持。