Interdyscyplinarna międzynarodowa grupa badaczy zaczyna prace nad trzyletnim projektem, którego efektem będą m.in. trzy modele numeryczne mózgu – dziecka, osoby dorosłej i starszej. W przyszłości mogą pomóc np. firmom produkującym kaski w lepszym zabezpieczaniu naszych głów. Kierownikiem projektu jest dr Mariusz Ptak z Wydziału Mechanicznego PWr

Urazy głowy to jedne z głównych powodów niepełnosprawności i śmierci – zarówno wśród dzieci, jak i osób starszych. Statystyki pokazują, że w samych tylko Stanach Zjednoczonych każdego roku dochodzi do około dwóch milionów urazów głowy. Najczęstsze przyczyny to wypadki drogowe, upadki, uderzenia i akty napaści. W Polsce, która od lat utrzymuje się w czołówce rankingu państw europejskich z największą liczbą wypadków drogowych, urazy głowy to szczególnie duży problem. Dane z europejskiej bazy IDB (EU Injury Database) wskazują, że około 25 proc. rannych w wypadkach drogowych doznaje urazów głowy, a to to oznacza nawet cztery tysiące osób rocznie. Dlatego na całym świecie prowadzone są badania, które mają zwiększyć bezpieczeństwo naszych głów w razie upadków i uderzeń np. podczas uprawiania sportów czy właśnie wypadków komunikacyjnych.

Trzy lata na eksperymenty i skomplikowane obliczenia

Na Wydziale Mechanicznym Politechniki Wrocławskiej właśnie rozpoczynają się prace nad bardzo złożonym projektem „Numeryczny system wielowariantowych modeli głowy człowieka do symulacji patofizjologii urazów czaszkowo-mózgowych”. Są możliwe dzięki grantowi z programu „Lider” organizowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju. Naukowcy zyskali prawie 1,2 mln zł na swoje badania. Na ich realizację mają trzy lata.

- To będzie intensywny czas – podkreśla dr Mariusz Ptak z Katedry Konstrukcji i Badań Maszyn na Wydziale Mechanicznym PWr, kierownik projektu badawczego. – Zamierzamy stworzyć bardzo zaawansowane modele numeryczne mózgu głowy człowieka, a to tylko jedno z naszych założeń w tym projekcie.

Zbudowanie numerycznego modelu mózgu jest o tyle trudne, że narząd ten jest niezwykle skomplikowaną strukturą. Ta pofałdowana „galareta” waży ledwie od 1,21 do 1,4 kg, a zatem stanowi około 2 proc masy ciała, jednocześnie będąc centrum naszej inteligencji, wiedzy i umiejętności. To mózg odpowiada za najdrobniejsze nawet procesy zachodzące w naszym ciele. Nie byłoby to możliwe, gdyby nie jego ogromnie złożona budowa.

– W naszym projekcie musimy więc bardzo dokładnie zamodelować każdy fragment głowy  człowieka. Nie tylko misterne pofałdowania mózgu, ale także jego poszczególne elementy, takie jak opony mózgowe, móżdżek czy żyły mózgowe oraz pełniący funkcję ochronną płyn mózgowo-rdzeniowy, który wypełnia wnętrze czaszki – opowiada dr Mariusz Ptak. – Żeby to zrobić, najpierw zbierzemy dane z rezonansów magnetycznych czy też tomografii głowy   wykonanych na dużej  grupie osób. Nie będziemy sami organizować takich badań, a skorzystamy z danych zgromadzonych w ośrodkach medycznych. Każdy z nich przechowuje skany głowy wykonywane w związku z podejrzeniem u pacjenta różnych schorzeń czy chorób. Nas będą interesować te, które nie wykazały żadnych zmian. Ich zgromadzeniem, a potem stworzeniem na ich podstawie uśrednionych danych dotyczących poszczególnych elementów głowy zajmą się m.in. dwaj członkowie naszego zespołu badawczego, neurochirurdzy z wrocławskiego szpitala przy ul. Borowskiej i ze szpitala w Legnicy. 

Eksperymenty na mózgach

Mając te dane, naukowcy z Politechniki Wrocławskiej – we współpracy z badaczami z Portugalii i z Niemiec – zajmą się już modelowaniem elementów głowy fragment po fragmencie, co oznacza dziesiątki godzin spędzonych na wydzielaniu struktur z poszczególnych plików i nakładaniu tzw. siatki elementów skończonych. 

Uczestnicy projektu zamierzają stworzyć trzy modele mózgu człowieka – dziecka, osoby dorosłej i w podeszłym wieku. Każdy z nich powstanie w dwóch najpopularniejszych kodach numerycznych – ABAQUS i LS-DYNA, z których jeden jest powszechniej używany w Ameryce Północnej, a drugi w Europie.

- W ten sposób będziemy już mieć geometrię mózgu, ale to za mało, by taki model mógł się przydać np. firmom produkującym kaski – tłumaczy dr Mariusz Ptak. – Dlatego kolejnym krokiem będzie walidacja. Dzięki niej określimy, w jakim stopniu nasze modele numeryczne odzwierciedlają rzeczywisty ludzki mózg. Walidacja będzie dwustopniowa. Z jednej strony porównamy wyniki wirtualnych eksperymentów zderzenia modelu numerycznego głowy z prawdziwymi eksperymentami na ludzkich zwłokach, opisanymi w literaturze medycznej. Drugim elementem walidacji będą testy prowadzone na odpowiednio preparowanych mózgowiach świńskich, które zrealizuje członek naszego zespołu z wrocławskiego Uniwersytetu Przyrodniczego. 

Mózg świni (podobnie jak mózg makaka rezus))  cechuje się zbliżonymi właściwościami mechanicznymi do właściwości ludzkich tkanek mózgowych. Ponieważ badania na ludzkich mózgach są nie tylko etycznie wątpliwe, ale i często prawnie zabronione , naukowcy zamierzają eksperymentować na preparatach mózgów tych zwierząt. Każdy taki test zarejestrują m.in. szybkie kamery , co pozwoli później ocenić w najdrobniejszych szczegółach, co dzieje się z mózgiem, gdy uderza w coś, spada na niego ciężki przedmiot itp. Te informacje zostaną porównane ze skutkami wirtualnych wypadków, jakim ulegną stworzone przez naukowców modele numeryczne. 

- Tworząc bardzo dokładne modele, doprowadzimy do sytuacji, w której odkształcenia wirtualnego mózgu i tego prawdziwego będą się pokrywać. W ten sposób będziemy już mieć modele, które nie są tylko animacjami komputerowymi, ale mogą znaleźć szerokie zastosowanie w branży motoryzacyjnej czy medycynie – tłumaczy kierownik projektu. – Mogą być bowiem wykorzystywane np. w pracach nad kaskami zabezpieczającymi głowę, gdyż obecne konstruuje się w oparciu o bardzo proste eksperymenty, w których z pewnej wysokości zrzuca się metalowy impaktor  głowy z czujnikiem przyspieszenia, bez zbadania skutków sił oddziałujących na poszczególne partie mózgu. Nasze modele mogą także w przyszłości pomóc np. w obrazowaniu w przypadku diagnozowania nowotworu czy też elektrofizjologiczną aktywnością sieci neuronowych.

By wyobrazić sobie, jak czasochłonne będą badania prowadzone w ramach projektu, wystarczy przyjrzeć się podobnym dotyczącym uproszczonych modeli głowy. – Dla porównania: stworzenie 0,3 sekundy wirtualnego eksperymentu uderzania taką uproszczoną głową w ścianę zajęło komputerom z klastra obliczeniowego parę  dni obliczeń – opowiada dr Ptak. – My jednak zamierzamy skrócić ten czas, co osiągniemy dzięki skrupulatnemu opracowaniu siatki elementów skończonych. Im jest ona jakościowo lepsza, tym szybciej mogą przebiegać obliczenia.

Kask do zadań specjalnych

Jednym z elementów projektu jest także budowa systemu pomiarowego do zbierania informacji o przyspieszeniach liniowych i kątowych działających na głowę człowieka w czasie uprawiania różnych sportów. Będzie to oczujnikowany kask (lub słuchawki z czujnikami) zbierający informacje o tym, co dzieje się wewnątrz ludzkiej głowy podczas np. jazdy konnej, sportów walki, gry w futbol amerykański, przejażdżki rowerem po mieście, zjeżdżania na nartach czy snowboardzie. – Wszystkie te informacje będą zbierane w czasie rzeczywistym i zapisywane na karcie pamięci – opowiada dr Ptak. – Oczywiście nie życzymy nikomu upadku czy wypadku, ale jeśli do takich sytuacji dojdzie w czasie naszych pomiarów, to zbierzemy cenne dane o tym, co zadziało się w głowie w przypadku takiej okoliczności.

Naukowiec podkreśla, że w przyszłości taki system mógłby np. ostrzegać trenerów futbolu amerykańskiego, że konkretny zawodnik powinien już zejść z boiska, bo poważnie ucierpiał po ostatnim zderzeniu z innym graczem, albo w boksie – alarmowałby, że walkę należy przerwać, gdyż inaczej w mózgu boksera dojdzie do znacznych uszkodzeń.

Aplikacja dla zwykłego Kowalskiego

Uczestnicy projektu zamierzają także spopularyzować wyniki swoich badań, tworząc aplikację mobilną lub stronę internetową pokazującą, 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 kierownik projektu.

W prace nad projektem aHEAD  (ang. advanced Head models for safety Enhancement And medical Development) zaangażowani są – oprócz dr Mariusza Ptaka – doktorantka Monika Ratajczak, absolwentka Uniwersytetu Zielonogórskiego, aktualnie kończąca prace nad rozprawą doktorską na Wydziale Podstawowych Problemów Techniki PWr, dr Fabio Fernandez z Uniwersytetu Aveiro w Portugalii , doktoranci Johannes Wilhelm, Marek Sawicki i Maciej Wnuk z Wydziału Mechanicznego PWr,  neurochirurdzy Artur Kwiatkowski (Oddział Neurochirurgiczny Wojewódzkiego Specjalistycznego Szpitala w Legnicy) i Konrad Kubicki (Uniwersytecki Szpital Kliniczny we Wrocławiu - Klinika Neurochirurgii) oraz dr Błażej Poźniak z Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu. Projekt wspiera prof. Eugeniusz Rusiński, kierownik Katedry Konstrukcji i Badań Maszyn na W10.

Lucyna Róg