探索确定脑-颅界面在拉伸与压缩下的力学性质
计算工程、金融与科学
2025-12-10 v1
摘要
大脑的计算生物力学模型已成为研究大脑对机械载荷响应的重要工具。此类大脑模型的几何结构、加载条件和本构性质已得到充分研究并被广泛接受。然而，缺乏实验证据来支持连接大脑与颅骨的组织层（脑-颅界面）模型，而这些模型决定了大脑的边界条件。我们提出了一种确定脑-颅界面生物力学性质的新方案，并给出了初步结果（针对从羊尸头部提取的少量组织样本）。该方法包括使用脑组织和脑-颅复合体（由脑组织、脑-颅界面和颅骨组成）的生物力学实验，以及使用有限元 (FE) 方法对实验进行的全面计算机模拟。FE 模拟的应用使我们能够放弃传统方法，这些传统方法在确定描述脑组织和脑-颅界面生物力学行为的参数时，依赖于假设样本为长方体（或圆柱体）几何形状的解析公式。在模拟中，我们使用了从磁共振图像 (MRIs) 获得的样本精确 3D 几何形状。我们的结果表明，脑-颅界面在压缩载荷下的行为与在拉伸下显著不同。在拉伸载荷下可以清楚地看到界面的破裂，而在压缩下未观察到明显的机械失效迹象。这些结果表明，假设脑组织与颅骨之间存在刚性连接或无摩擦滑动接触（这些是大脑计算生物力学模型中常用的方法），可能无法准确代表脑-颅界面的力学行为。
引用
@article{arxiv.2409.05365,
title = {Towards Determining Mechanical Properties of Brain-Skull Interface Under Tension and Compression},
author = {Sajjad Arzemanzadeh and Benjamin Zwick and Karol Miller and Tim Rosenow and Stuart I. Hodgetts and Adam Wittek},
journal= {arXiv preprint arXiv:2409.05365},
year = {2025}
}
备注
Computational Biomechanics for Medicine (accepted). Springer