Model jest częścią dużego projektu naukowców z Wydziału Mechanicznego. To pierwszy z trzech planowanych –  jako kolejne powstaną numeryczne modele głowy dorosłego w średnim wieku i seniora. Mają służyć w symulacjach wypadków drogowych. Mogą też pomagać np. w konstruowaniu lepszych kasków dla rowerzystów i innych zabezpieczeń.

Nad projektem aHEAD pracuje międzynarodowy zespół naukowców kierowany przez dr. inż. Mariusza Ptaka z Katedry Konstrukcji i Badań Maszyn na Wydziale Mechanicznym Politechniki Wrocławskiej (laureata tegorocznej Nagrody Naukowej "Polityki"). Badania zaczęły się w 2017 r. dzięki grantowi z Narodowego Centrum Badań i Rozwoju. Ich efektem jest na razie m.in. numeryczny model głowy dwulatka.

– To model, który odwzorowuje geometrię, czyli kształt głowy przeciętnego dwuletniego dziecka, ale nie jest tylko animacją czy wizualizacją. Kod numeryczny zna także jego właściwości materiałowe. Mówiąc prościej: algorytm komputerowy „wie”, z czego jest zbudowany mózg – tłumaczy dr Ptak. – Zna więc charakterystykę jego poszczególnych elementów – opon mózgowych, móżdżka, żył mózgowych czy płynu mózgowo-rdzeniowego itd. Wie, które są bardziej, a które mniej sztywne, jaką mają gęstość itp.

Struktury kostne na podstawie rezonansu

Głowę dwulatka naukowcy zrekonstruowali na podstawie dokumentacji medycznej – rezonansów magnetycznych dużej grupy dwuletnich dzieci. Zgromadzenie takich danych wymagało sporo pracy. Ośrodki medyczne przechowują bowiem skany głowy wykonywane w związku z podejrzeniem u pacjenta różnych schorzeń lub chorób (tylko w takich przypadkach przeprowadza się rezonans głowy, zwłaszcza u małych pacjentów, u których takie badanie wymaga zastosowania narkozy, by leżały nieruchomo). Naukowcy potrzebowali jednak wyłącznie takich skanów, które nie wykazały żadnych zmian – mózgi musiały być zdrowe, by mogły służyć jako podstawa modelu. Zgromadzeniem tych rezonansów, a potem stworzeniem na ich podstawie uśrednionych danych dotyczących poszczególnych elementów głowy zajęli się członkowie zespołu badawczego – neurochirurdzy z wrocławskiego szpitala przy ul. Borowskiej i ze szpitala w Legnicy. Bardzo pomocne informacje zespół uzyskał również z Dolnośląskiego Szpitala Specjalistycznego im. T. Marciniaka we Wrocławiu.

– W przypadku dzieci zdecydowaliśmy się na stworzenie modelu wyłącznie na podstawie rezonansów, w starszych grupach wiekowych korzystamy także z wyników tomografów komputerowych – opowiada lider projektu. – Trudno sobie wyobrazić, żeby dwulatek przechodził oba te badania. To byłoby dla niego bardzo obciążające. Dlatego musieliśmy podjąć duże wyzwanie i na podstawie wyłącznie rezonansu zamodelować struktury kostne. To bardzo żmudna praca wymagająca zaznaczania tych struktur przekrój po przekroju. Setki godzin klikania. Ukończenie tej części modelu jest naprawdę sporym osiągnięciem. Za tę część projektu odpowiadał doktorant Johannes Wilhelm.

Pomogą producentom kasków?

Badacze postanowili, że opracują model głowy dziecka akurat w wieku dwóch lat, bo – jak podkreślają – jest to czas, kiedy maluchy są już aktywne – biegają po placach zabaw, wspinają się i jeżdżą na rowerkach. Potencjalnie są już więc narażone na różnego rodzaju urazy, którym można będzie zapobiec, modelując systemy zabezpieczeń jak kaski czy czapki. A do tego właśnie mogą posłużyć wyniki badań naukowców w ramach tego grantu.

– Model może być wykorzystywany w symulacji różnego rodzaju wypadków, a więc możemy prowadzić badania skuteczności wszelkiego typu zabezpieczeń głowy stosowanych u tak małych dzieci lub dopiero planowanych w przyszłości – tłumaczy dr Ptak. – Taka symulacja pozwala nam prześledzić zachowanie poszczególnych tkanek w czasie wypadku, a zwłaszcza przejścia fali naprężeń. Dzięki temu wiemy, co się dzieje w mózgu w czasie uderzenia. Dlaczego obrażenia powstają w takim, a nie innym miejscu i dlaczego mają taki rozmiar.

Zwykle tego typu struktury w modelach numerycznych buduje się, używając elementów czworościennych – tetragonalnych „piramidek”. Zespół dr. Ptaka postanowił jednak wykorzystać elementy heksagonalne – w uproszczeniu „prostopadłościany”.

– Do tej pory nikt tego nie robił – opowiada dr Ptak. –  Elementy tetragonalne ulegają przesztywnieniom struktury. Musi być ich też około sześciokrotnie więcej, żeby odwzorować tę samą geometrię. Utrudniliśmy więc sobie modelowanie, ale dzięki temu osiągamy zdecydowanie większą dokładność modelowanych struktur mózgu. Naukowcy zwykle stosują „sześciany” do prostych struktur. Wykorzystanie ich do odwzorowania bardzo skomplikowanych kształtów mózgu, z jego pofałdowaniami, wymagało od nas sporo umiejętności.

Weryfikacja modelu

Kolejnym etapem prac będzie stworzenie modeli mózgu osoby dorosłej w średnim wieku i seniora oraz ich walidacja m.in. dzięki badaniom na mózgu świni – w czym pomoże dr hab. Marcin Wrzosek oraz dr hab. Błażej Poźniak – naukowcy z Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu.

– W przypadku modeli osób dorosłych i starszych nie będziemy mieli problemu z ich weryfikacją. W przeszłości przeprowadzono wiele badań na zwłokach i dzięki temu możemy odnieść zamodelowane przez nas struktury do tego, co zostało już opisane w literaturze oraz wykorzystamy doświadczenie na świńskim mózgu – opowiada dr Ptak. – Nikt jednak nie prowadził podobnych badań na zwłokach małych dzieci, choćby ze względów etycznych. Dlatego w tym przypadku do weryfikacji naszych zamodelowanych struktur wykorzystamy przede wszystkim badania świńskich tkanek mózgowych.

Badanie zostanie przeprowadzone na próbce tkanki mózgowej świni z wykorzystaniem szybkich kamer, tensometrów (systemu do pomiaru naprężenia) i czujników przyspieszeń. Próbka umieszczona w przezroczystym pojemniku będzie potrząsana i filmowana przy znanych przyspieszeniach i obciążeniach. Później naukowcy przeprowadzą symulację komputerową takiej samej sytuacji i sprawdzą, czy dane z czujników i te wskazywane przez algorytm komputerowy się zgadzają. Jeśli będą odbiegały od siebie, naukowcy wprowadzą poprawki do swojego modelu numerycznego.

Następnie badacze zweryfikują, jak te wyniki mają się do danych opisanych w dotychczasowych publikacjach naukowych.

– Numerycznie możemy odczytać przemieszczenia dla każdego wybranego przez nas punktu modelu mózgu, a następnie porównać z takimi samymi danymi przytoczonymi w literaturze naukowej – opowiada dr Ptak. – Te dane z publikacji naukowych pochodzą z badań, w których w odciętej ludzkiej głowie zatopiono radioaktywne punkty pomiarowe, a potem poddano ją przyspieszeniom. Punkty bardzo wyraźnie świeciły na skanach wykonanych szybkim tomografem, który rejestrował ich przemieszczenia. Podobnie było z rejestrowaniem ciśnienia. W zwłoki wszczepiono płytkę pomiarową – z tyłu i z przodu głowy – i zbierano dane o zmianach ciśnienia podczas przeciążenia.

By lepiej zrozumieć budowę ludzkiej głowy, część zespołu badawczego wzięła nawet udział w wielogodzinnej operacji na otwartym mózgu, w czasie której chirurdzy usuwali zmianę nowotworową.

Co musi mieć model?

Modele, nad którymi pracują badacze, będą pokazywały budowę mózgu w skali makro. W praktyce oznacza to, że odwzorują np. istotę białą i szarą, ale już sieci neuronowych na poziomie nano - nie.

– Przygotowanie takiego modelu w mikroskali wiązałoby się z ogromem dodatkowej pracy. To już pewnie zadanie na kolejny projekt i nie wykluczamy, że się go podejmiemy, jeśli tylko pojawi się taka potrzeba. Na razie w toku dyskusji i badań określamy, co jest konieczne w takim modelu, czyli jaki musi być stopień dokładności odwzorowania, by nie wpływało to na rezultat i jakość symulacji – opowiada dr Ptak. – Przy okazji opublikowaliśmy ciekawe wyniki badań dotyczących wypadków rowerowych. Zbadaliśmy, jakie jest znaczenie szwów czaszkowych w czasie uderzeń, w których dochodzi do pęknięcia czaszki. Okazało się, że pęknięcia zatrzymują się na szwach i podobnie jak w badaniach materiałowych budynków ważne jest wzięcie pod uwagę dylatacji (czyli szczeliny w konstrukcji budowli), tak i w tym przypadku, żeby zrekonstruować dobrze pęknięcie czaszki, trzeba mieć w modelu numerycznym odwzorowane szwy czaszkowe.

Pasy to za mało...

W czasie prac nad tym projektem powstały już trzy publikacje naukowe, w tym jedna w prestiżowym czasopiśmie International Journal of Crashworthiness. Dotyczyła wypadków z udziałem dzieci przewożonych w siedzisku rowerowym. Można ją przeczytać tutaj.

– To temat zupełnie do tej pory nieporuszany – podkreśla dr Ptak. – Wiele lat temu przeprowadzono i opisano jedynie testy takich siedzisk. Nikt jednak numerycznie nie próbował zrekonstruować podobnych wypadków, a ja zainteresowałem się tym, wsadzając w taki fotelik swojego syna.

Naukowcy zeskanowali z użyciem skanera 3D fotelik i rower, a następnie numerycznie je połączyli oraz „posadzili” i „przypięli pasami” w foteliku numerycznego manekina MADYMO, odwzorowującego półtoraroczne 11-kilogramowe dziecko. Później – wykorzystując zwalidowany już dużo wcześniej numerycznie samochód – przeprowadzili symulacje wypadków w różnych konfiguracjach zderzeniowych.

Rowerowe siedziska dla dzieci, by mogły być sprzedawane w krajach Unii Europejskiej, muszą spełniać kryteria normy określonej jako DIN EN 14344. Foteliki muszą być wystarczająco odporne na wstrząsy i temperaturę. Norma nie wyznacza więc żadnych regulacji dotyczących zabezpieczenia górnej części ciała dziecka, a zwłaszcza głowy, które najczęściej ulegają urazom w czasie wypadków.

– Weryfikacja bezpieczeństwa takich siedzisk zwykle polega na włożeniu drewnianej kukły albo po prostu drewnianego bloku do fotelika, przypięcia pasami i obkręcenia tego siedziska o 180 stopni, by sprawdzić, czy „dziecko” wypadnie czy nie. I to wszystko... – opowiada dr Ptak.

Symulacje przeprowadzone przez zespół naukowców z PWr pokazały, że – niezależnie od kąta czy punktu uderzenia samochodu w rowerzystę z dzieckiem – niemal w każdej z tych sytuacji maluch luzuje się z pasów i wypada z nich (co udowodniło małą skuteczność trzypunktowych pasów), a następnie uderza w maskę samochodu. Dalej jest tylko gorzej – dziecko uczestniczące w takim wypadku nie tylko doznaje urazu głowy, ale także może zostać wyniesione poza geometrię siedziska, a jego głowa ulec zgięciu i rozciągnięciu tuż nad jego oparciem, co prowadzi do kolejnych poważnych urazów.

– Mamy nadzieję, że nasze badania posłużą producentom tego typu rozwiązań w zwiększeniu bezpieczeństwa małych pasażerów – podkreśla dr Ptak.

Aplikacja popularyzatorska

Przy okazji grantu badawczego zespół z Wydziału Mechanicznego zamierza też stworzyć aplikację m.in. z myślą o rodzicach małych dzieci. Ma przedstawiać, z czego składa się ludzki mózg i jak jego poszczególne struktury zachowują się pod wpływem różnych sił oddziaływujących na nie.

– Będziemy mogli pokazać np. co dzieje się w mózgu niemowlaka potrząsanego zbyt intensywnie albo z czym mierzą się kierowcy Formuły 1 w czasie wypadku  – wyjaśnia lider projektu. – W czasie pracy nad grantem miałem okazję przejrzeć dokumentację dzieci, które odniosły urazy ze względu na silne potrząsanie. Myślę, że edukacji w tej kwestii nigdy nie jest za dużo.

W prace nad projektem aHEAD (ang. advanced Head models for safety Enhancement And medical Development) zaangażowani są – oprócz dr inż. Mariusza Ptaka – dr inż. Monika Ratajczak z Uniwersytetu Zielonogórskiego, dr inż. Fabio Fernandez z Uniwersytetu Aveiro w Portugalii, doktoranci Johannes Wilhelm, Marek Sawicki i Maciej Wnuk z Wydziału Mechanicznego PWr, specjaliści neurochirurdzy Artur Kwiatkowski (Oddział Neurochirurgiczny Wojewódzkiego Specjalistycznego Szpitala w Legnicy) i Konrad Kubicki (Uniwersytecki Szpital Kliniczny we Wrocławiu – Klinika Neurochirurgii) oraz dr hab. Błażej Poźniak i dr hab. Maciej Wrzosek z Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu.

Grant, w ramach którego prowadzone są badania, to „Numeryczny system wielowariantowych modeli głowy człowieka do symulacji patofizjologii urazów czaszkowo-mózgowych” z programu „Lider” Narodowego Centrum Badań i Rozwoju.

Lucyna Róg