Luận văn thạc sĩ về mô phỏng hệ thống hộp sọ não và động mạch máu dưới tác động va chạm

Mô phỏng hệ thống hộp sọ não và động mạch máu dưới tác động va chạm, giúp hiểu rõ cơ chế chấn thương sọ não và tầm quan trọng của việc phòng ngừa.

• Tác giả: Nguyễn Thị Huỳnh Lan
• Người hướng dẫn: PGS. Trần Minh Thái
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG HCM
• Chuyên ngành: Vật Lý Kỹ Thuật
• Đề tài: Mô Phỏng Hệ Thống Hộp Sọ Não Và Động Mạch Máu Dưới Tác Động Va Chạm
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Tp.HCM

Tóm tắt

I. Giới thiệu chung về mô phỏng hệ thống hộp sọ não

Mô phỏng hệ thống hộp sọ não là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong y học và kỹ thuật, nhằm hiểu rõ hơn về cách thức hộp sọ và não bộ tương tác dưới tác động của các lực va chạm. Việc nghiên cứu này không chỉ giúp xác định cơ chế gây ra tổn thương não mà còn đóng góp vào việc phát triển các biện pháp bảo vệ hiệu quả hơn cho con người. Theo thống kê, va chạm là nguyên nhân hàng đầu gây ra các chấn thương sọ não, với tỷ lệ thương tích cao trong các vụ tai nạn giao thông và lao động. Hệ thống động mạch máu não cũng cần được xem xét trong bối cảnh này, vì nó có thể bị ảnh hưởng nghiêm trọng trong các tình huống va chạm, dẫn đến những hậu quả nặng nề cho sức khỏe con người. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng, tác động va chạm không chỉ gây ra tổn thương trực tiếp đến hộp sọ mà còn ảnh hưởng đến lưu thông máu trong các mạch máu não, từ đó dẫn đến các biến chứng nghiêm trọng.

II. Cơ chế tổn thương hộp sọ não

Cơ chế tổn thương đầu trong các vụ va chạm có thể được phân loại thành nhiều loại khác nhau. Các yếu tố như thời gian va chạm và mức độ chấn thương đóng vai trò quan trọng trong việc xác định mức độ nghiêm trọng của tổn thương. Nghiên cứu cho thấy, trong khoảng thời gian va chạm, các lực tác động lên hộp sọ có thể dẫn đến những biến đổi mạnh mẽ trong cấu trúc xương và mô mềm. Chấn thương sọ não có thể xảy ra do va đập trực tiếp hoặc gián tiếp, gây ra sự di chuyển và biến dạng của não bộ. Điều này có thể dẫn đến các hiện tượng như đột quỵ hoặc tổn thương mạch máu, ảnh hưởng đến chức năng não bộ. Các mô hình mô phỏng cho phép các nhà nghiên cứu đánh giá được ảnh hưởng của các yếu tố này, từ đó đưa ra các giải pháp phòng ngừa và điều trị hiệu quả.

III. Phương pháp mô phỏng và tính toán

Mô phỏng hệ thống não và động mạch máu dưới tác động va chạm được thực hiện thông qua phương pháp phần tử hữu hạn. Mô hình hình học của hộp sọ được xây dựng từ các dữ liệu cắt lớp và các phần mềm CAD như 3DMAX, AUTOCAD, và SOLIDWORKS. Quá trình này bao gồm việc chuyển đổi dữ liệu từ các chương trình thiết kế sang ANSYS để thực hiện các phép tính như tần số riêng và tính tĩnh. Kết quả mô phỏng cung cấp thông tin về chuyển vị, biến dạng, và ứng suất của hộp sọ não dưới tác động của các lực va chạm. Việc áp dụng các chương trình như ANSYS/LS-DYNA cho phép mô phỏng các tình huống va chạm phức tạp, giúp hiểu rõ hơn về hành vi của hộp sọ và não bộ trong các tình huống thực tế.

IV. Đánh giá và ứng dụng thực tiễn

Kết quả từ các mô phỏng đã chỉ ra rằng, việc hiểu rõ về cơ chế tổn thương và ứng xử của hộp sọ não dưới tác động va chạm có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các thiết bị bảo vệ như mũ bảo hiểm. Các nghiên cứu này không chỉ giúp nâng cao hiểu biết về các loại chấn thương mà còn đóng góp vào việc cải thiện thiết kế của các sản phẩm bảo vệ. Hơn nữa, việc mô phỏng dòng chảy trong động mạch máu não cũng giúp xác định các yếu tố ảnh hưởng đến lưu thông máu, từ đó đưa ra các biện pháp can thiệp kịp thời trong trường hợp xảy ra chấn thương. Các kết quả nghiên cứu này có thể được áp dụng trong các lĩnh vực như y học, kỹ thuật và an toàn giao thông, góp phần giảm thiểu tỷ lệ thương tích và tử vong do tai nạn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN THỊ HUỲNH LAN MÔ PHỎNG HỆ THỐNG HỘP SỌ NÃO VỚI ĐỘNG MẠCH MÁU NÃO NGƯỜI DƯỚI TÁC ĐỘNG VA CHẠM Chuyên ngành : Vật Lý Kỹ Thuật Mã số: 60 44 17 LUẬN VĂN THẠC SĨ Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học 1: PGS. TRẦN MINH THÁI Chữ ký Cán bộ hướng dẫn khoa học 2: TS. NGUYỄN TƯỜNG LONG Chữ ký Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS. CẨN VĂN BÉ Chữ ký Cán bộ chấm nhận xét 2: TS.

TÔN CHI NHÂN Chữ ký Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM ngày 15 tháng 09 năm 2012 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1. Trần Minh Thái 2. Huỳnh Quang Linh 4. Tôn Chi Nhân 5.

Trần Thị Ngọc Dung Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có). CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA I ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN THỊ HUỲNH LAN. Ngày, tháng, năm sinh: 15/12/1982. Nơi sinh: Vĩnh Long.

Chuyên ngành: Vật Lý Kỹ Thuật. TÊN ĐỀ TÀI: ‘Mô phỏng hệ thống hộp sọ não với động mạch máu não người dưới tác động va chạm.’ NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: 1. Nghiên cứu lý thuyết sinh học về h p sọ não, h thống m ch máu não và lý thuyết ng l c học h vật, gi i quyết ài toán cơ sinh học v ch m h p sọ não. Mô phỏng h p sọ não người dưới tác ng v ch m ằng phương pháp phần tử hữu h n:  Mô hình hình học củ h p sọ não người ược xây d ng từ các: Chương trình tái t o khối 3D từ các nh cắt lớp, và các chương trình CAD.

 Gi i ki u ài tính (tần số riêng, tính tĩnh, v ch m), ứng với 4 ki u v ch m cơ n, thông qu chương trình ANSYS và ANSYS/LS-DYNA.  So sánh kết qu tính toán với các công trình nghiên cứu khác r t r kết luận và hướng phát tri n.  Đề xuất phương pháp ov ầu ằng nón o hi m. Mô phỏng dòng ch y o n m ch máu não và giác Willis củ h thống m ch máu não ằng phương pháp th tích hữu h n, có xét ến l c tác ng gián tiếp do v ch m gây r , thông qu chương trình ANSYS/FOLTRAN.

NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:. CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: PGS. TRẦN MINH THÁI TS.

NGUYỄN TƯỜNG LONG Tp. HCM, ngày 15 tháng 9 năm 2012 CÁN BỘ HƢỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký) TRƢỞNG KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG (Họ tên và chữ ký) II LỜI CÁM ƠN Đầu tiên tôi xin chân thành gửi lời cám ơn đến PGS. Trần Minh Thái đã định hướng và tin tưởng giao cho tôi đề tài rất hay, rất phù hợp với lĩnh vực mà tôi yêu thích. Xin cảm ơn TS.

Huỳnh Quang Linh - Trưởng khoa Khoa học ứng dụng. Tiếp theo, tôi xin cám ơn đến TS. Nguyễn Tường Long, KS. Nguyễn Quốc Thái, KS.

Nguyễn Thế Kỷ, KS.Cao Nhân Tiến, KS. Trần Thái Dương Bộ môn Cơ kỹ thuật – Khoa khoa học ứng dụng. Xin cám ơn đến PGS. Bác sĩ Trương Văn Việt Bệnh viện Chợ Rẫy đã cung cấp cho tôi những thông số về sọ não cũng như nhận xét về tính hữu ích của đề tài.

Xin cảm ơn PGS. Cẩn Văn Bé , TS.Tôn Chi Nhân đã chấm phản biện cho đề tài của tôi. Xin cám ơn Thầy Cô Bộ môn Vật lý Kỹ thuật- Khoa khoa học ứng dụng đã dạy tôi. Cám ơn tất cả các bạn cùng lớp đã động viên và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tại trường, cám ơn Thạc sĩ Phạm Thanh Tâm đã cung cấp cho tôi những tài liệu hữu ích.

Cám ơn các bạn nhóm nhà trọ 4M Bis. Sau cùng, xin cám ơn đến gia đình đặc biệt là Ba-Má luôn ủng hộ tôi thực hiện những ý tưởng của mình! Tp.Hồ Chí Minh, tháng 9 năm 2012 Nguyễn Thị Huỳnh Lan III TÓM TẮT LUẬN VĂN Trước tiên, luận văn tập trung vào vi c tính toán và mô phỏng h p sọ não người dưới tác ng v ch m ằng phương pháp phần tử hữu h n. Mô hình hình học củ h p sọ não người ược xây d ng và dữ li u ược chuy n tiếp theo thứ t , từ các chương trình sau: 3DMAX AUTOCAD  PRO/E  SOLIDWORKS INVENTOR (dữ li u ược chuy n tiếp s ng ANSYS). B ki u ài tính (tần số riêng, tính tĩnh, v ch m), ứng với 4 vị trí như: T i tác ng vuông góc vào mặt trước sọ, mặt trên sọ, mặt s u sọ, và mặt ên sọ ược sử dụng ằng chương trình ANSYS và ANSYS/LS- DYNA.

Kết qu thu ược là chuy n vị, iến d ng/ ứng suất củ h p sọ não. Tiếp theo, quá trình tính toán và mô phỏng dòng ch y các o n m ch máu não ằng phương pháp th tích hữu h n ược nghiên cứu trong luận văn này.Với dòng ch y m t ph ược sử dụng trong vi c tính toán vận tốc dòng máu và áp suất lên thành m ch máu não người. Bài toán trường cặp ôi giữ dòng máu và thành m ch máu người ược gi i quyết theo phương pháp gián tiếp, thông qu chương trình ANSYS/FOLTRAN. Kết qu thu ược là chuy n vị và iến d ng/ ứng suất củ o n m ch máu não người và giác Willis củ h thống m ch máu não, có xét ến l c tác ng gián tiếp do v ch m gây r.

Cuối cùng, luận văn sẽ ề xuất phương pháp ov ầu ằng nón o hi m, thông qu kết qu tính toán và mô phỏng h p sọ não người dưới tác ng v ch m. IV THESIS SUMMARY First of all. The thesis is focused upon the calculation and the reproduction of the human brain skull under under impact conditions by the finite element method. The geometric model of the human brain skull is constructed and the data is transmitted by order from the following programs: 3DMAX AUTOCAD  PRO/E  SOLIDWORKS INVENTOR ( the data are subsequently transmitted to ANSYS).

Three types of calculation (separate frequency, statics, impact) corresponding to 4 positions such as: To transmit with perpendicular effect to the front of the skull, above the skull, behind the skull and skull side to be used by ANSYS and ANSYS/LS-DYNA programs. The results obtained are displacement, strain/stress of the brain skull. Subsequently, the process of calculation and reproduction on the flow of the brain vessels by the finite volume method to be studied in this thesis. With the 1-phased flow to be used in the calculation of the velocity of the blood stream and the pressure imposed upon the vessel wall of the human brain.

The coupled field between the blood stream and the human vessel wall is resolved in accordance with the indirect method via ANSYS/FOLLTRAN. The results obtained are the displacement, strain/stress of the segment of human blood vessel and Circle of Willis Blood Vessels, taking into consideration the indirect effecting force caused by the collision. At last, the thesis puts forward the head protection method by insurance helmet via results on calculation and reproduction of the human brain skull under impact conditions. V LỜI CAM ĐOAN Tôi xin c m o n kết qu mô phỏng tính toán củ luận văn là công trình nghiên cứu củ n thân tôi cùng với s hướng dẫn củ PGS.TS Trần Minh Thái, TS.

Nguyễn Tường Long. Tôi hoàn toàn không s o chép từ ất cứ tài li u nào và chịu trách nhi m trước h i ồng o v củ trường về lời c m o n này. VI DANH SÁCH HÌNH VẼ 1.1 Cấu trúc hộp sọ não ngƣời .2 Cấu tạo da ngƣời .3 Mặt trƣớc hộp xƣơng sọ .4 Mặt trên hộp xƣơng sọ .5 Mặt bên hộp xƣơng sọ.6 Các xƣơng của nền sọ trong .7 Các lớp màng não tủy .8 Não bộ cắt dọc .9 Cấu tạo đại não .10 Các vùng chức năng của vỏ não .11 Cấu tạo Nơron .12 Quá trình truyền tín hiệu của nơron .1 Quan hệ chuyển động giữa sọ và não trong suốt quá trình va chạm .2 Vết thƣơng sọ não hở .3 Các loại biến dạng của mạch máu .5 So sánh giữa các lớp màng não trƣớc và sau khi chấn thƣơng .6 Các dạng chấn thƣơng của noron .1 Mô hình bài toán trong LS-DYNA .2 Vị trí ứng suất tập trung lớn nhất .1 Các ảnh đƣợc chụp cắt lớp .2 Đƣa dữ liệu vào máy tính .3 Hiển thị ảnh đã tái tạo .4 So sánh mô hình Doctor M trƣớc và sau khi điều trị .5 Mô hình 3D view, xem bên ngoài sọ .6 Mô hình 3D view, xem bên trong sọ .7 Chọn kích thƣớc mô hình .8 Mô hình hình học sọ trong AUTOCAD .9 Mô hình hình học não trong AUTOCAD .10 Mô hình hình học sọ não trong PRO/E .11 Mô hình hình học sọ não- nón trong PRO/E .12 Mô hình hình học sọ não trong SOLIDWORKS .13 Mô hình hình học sọ não- nón trong SOLIDWORKS.14 Mô hình hình học sọ não trong INVENTOR .15 Mô hình hình học sọ não- nón trong INVENTOR .16 Mô hình hình học sọ não trong ANSYS .17 Mô hình hình học sọ não–nón trong ANSYS .18 Mô hình hình học sọ não trong LS-DYNA .19 Mô hình hình học sọ não - nón trong LS-DYNA.2 Xét 4 vị trí thƣờng bị chấn thƣơng nhất .3 Tải tác động vào mặt trƣớc sọ .4 Lƣới ph n t Sọ-Não-Vật va chạm.5 Lƣới ph n t Sọ-Não-N n bảo hiểm-Vật va chạm .6 Tải trọng tác động vào mặt trên sọ .7 Lƣới ph n t Sọ-Não-Vật va chạm.8 Lƣới ph n t Sọ-Não-N n bảo hiểm-Vật va chạm .9 Tải trọng tác động vào mặt sau sọ .10 Lƣới ph n t Sọ-Não-Vật va chạm.11 Lƣới ph n t Sọ-Não-N n bảo hiểm-Vật va chạm .12 Tải trọng tác động vào mặt bên .13 Lƣới ph n t Sọ-Não-Vật va chạm.14 Lƣới ph n t Sọ-Não-N n bảo hiểm-Vật va chạm .15 Tải trọng và điều kiện biên .16 Kết quả ứng suất von Mises .17 Kết quả chuyển vị theo hƣớng tải trọng .18 Kết quả chuyển vị theo hƣớng tải trọng của sọ .19 Kết quả chuyển vị của não .20 Kết quả biến dạng của não .21 Tạo ph n t tiếp xúc giữa sọ và não .22 Dạng riêng thứ 1.23 Dạng riêng thứ 2 .24 Dạng riêng thứ 3 .25 Dạng riêng thứ 4 .26 Dạng riêng thứ 5 .27 Dạng riêng thứ 6 .28 Dạng riêng thứ 7 .29 Dạng riêng thứ 8 .30 Dạng riêng thứ 9 .31 Dạng riêng thứ 10 .