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

Mục lục chi tiết

• Nhiệm vụ luận văn thạc sĩ
• Tóm tắt luận văn
• Lời cam đoan
• Danh sách hình vẽ
• Danh sách sơ đồ - bảng biểu
• Phần Tổng quan
• 1. Chương 1: LÝ THUYẾT SINH HỌC HỘP SỌ NÃO NGƯỜI
• 2. Chương 2: CƠ CHẾ TỔN THƯƠNG HỘP SỌ NÃO NGƯỜI
• 2.2. Cơ chế của tổn thương
• 2.2.1. Phân loại va chạm
• 2.2.2. Thời gian va chạm
• 2.2.3. Mức độ chấn thương của da - sọ - ống mạch - não
• 3. Chương 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN VA CHẠM
• 3.2. Các bước giải bằng phương pháp phần tử hữu hạn
• 3.3. Ví dụ bài toán Hertz trong LS-DYNA
• 3.3.1. Lý thuyết tiếp xúc Hertz cho 2 hình trụ (con lăn)
• 4. Chương 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH HÌNH HỌC HỘP SỌ NÃO NGƯỜI
• 4.1. Xây dựng mô hình từ Ảnh Cắt lớp bằng chương trình Doctor M
• 4.1.1. Các bước thực hiện
• 4.1.2. Ứng dụng mô hình tái tạo từ Doctor M
• 4.2. Xây dựng mô hình bằng chương trình 3D view
• 4.2.1. Các bước thực hiện
• 4.2.2. Ứng dụng mô hình 3D view
• 4.3. Xây dựng mô hình bằng các chương trình ứng dụng
• 4.3.1. Xây dựng mô hình bằng chương trình AUTOCAD
• 4.3.2. Chuyển mô hình hình học sang PRO/E từ AUTOCAD
• 4.3.3. Chuyển mô hình hình học sang SOLIDWORKS từ PRO/E
• 4.3.4. Chuyển mô hình hình học sang INVENTOR từ SOLIDWORKS
• 4.3.5. Chuyển mô hình hình học sang ANSYS từ INVENTOR
• 4.3.6. Chuyển mô hình hình học sang LS-DYNA từ ANSYS
• 5. Chương 5: TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG HỘP SỌ NÃO NGƯỜI
• 5.1. Các thông số tính toán va chạm sọ não
• 5.2. Các phương trình cơ bản và các trường hợp tính toán
• 5.2.1. Các khái niệm về chuyển vị, biến dạng, ứng suất
• 5.2.2. Phương trình chuyển động cho bài toán tĩnh
• 5.2.3. Phương trình chuyển động cho bài toán động
• 5.3. Mô hình bài toán tĩnh trong phần mềm ANSYS
• 5.3.1. Mô phỏng tính toán mặt trước
• 5.3.2. Mô phỏng tính toán mặt trên
• 5.3.3. Mô phỏng tính toán mặt sau
• 5.3.4. Mô phỏng tính toán mặt bên
• 5.3.5. Kết quả thu được từ bài toán tĩnh trong ANSYS
• 5.4. Bài toán tần số riêng
• 5.4.1. Tính tần số riêng sọ não với dạng không nón và có nón
• 5.4.2. So sánh và nhận xét
• 5.5. Mô hình bài toán va chạm trong phần mềm LS-DYNA
• 5.5.1. Mô phỏng tính toán mặt trước
• 5.5.2. Mô phỏng tính toán mặt trên
• 5.5.3. Mô phỏng tính toán mặt sau
• 5.5.4. Mô phỏng tính toán mặt bên
• 5.5.5. Kết quả thu được từ bài toán tĩnh trong LS-DYNA
• 6. Chương 6: HỆ THỐNG MẠCH MÁU NÃO NGƯỜI
• 6.1. Hệ thống động mạch
• 6.1.1. Một số động mạch chính ở não
• 6.1.2. Động mạch cảnh chung (Common carotid artery)
• 6.1.3. Động mạch não giữa (Middle cerebral artery)
• 6.1.4. Động mạch não trước (Anterior cerebral artery)
• 6.1.5. Động mạch sống lưng (Vertebral artery)
• 6.1.6. Động mạch gai sau (Posterior spinal artery)
• 6.1.7. Động mạch gai trước (Anterior spinal artery)
• 6.1.8. Động mạch tiểu não sau dưới
• 6.1.9. Động mạch nền (Basilar artery)
• 6.1.10. Động mạch tiểu não trên
• 6.1.11. Động mạch não sau
• 6.2. Phương pháp giải bài toán lưu chất trong ANSYS/FOTRAN
• 6.2.1. Phương trình liên tục
• 6.2.2. Phương trình động lượng
• 6.2.3. Phương trình năng lượng đối với lưu chất nén được
• 6.2.4. Phương trình năng lượng đối với lưu chất không nén được
• 6.2.5. Chuyển động rối
• 7. Chương 7: MÔ PHỎNG MẠCH MÁU NÃO NGƯỜI
• 7.1. Mô hình 1: Xét động mạch cảnh
• 7.1.1. Mô phỏng dòng chảy trong đoạn mạch máu não
• 7.1.2. Mô phỏng biến dạng đoạn mạch máu não
• 7.2. Mô hình 2: Đa giác Willis
• 8. Chương 8: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 8.1. Kết luận – Đóng góp của luận văn
• 8.2. Hạn chế - Hướng phát triển
• Các bài báo tham gia hội nghị
• Tài liệu tham khảo

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.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Tai nạn giao thông và chấn thương sọ não từ lâu đã trở thành hiểm họa sức khỏe cộng đồng cấp bách với tỷ lệ tàn tật và tử vong ở mức báo động. Theo các thống kê y văn uy tín, tai nạn giao thông là nguyên nhân hàng đầu gây ra từ 50% đến 60% tổng số ca thương tích vùng đầu. Đáng chú ý, có khoảng 50% số ca chấn thương sọ não nặng biểu hiện tổn thương lan tỏa diện rộng, dẫn đến tỷ lệ tử vong lên tới 45,7% và khoảng 16,1% bệnh nhân sống sót phải chịu đựng di chứng thần kinh nặng nề suốt đời. Số liệu thực tế tại Bệnh viện Chợ Rẫy giai đoạn 2003 đến 2007 ghi nhận 122.623 nạn nhân cấp cứu do tai nạn giao thông với 7.052 trường hợp tử vong, tương đương mức tổn thất hơn 150 người mỗi tháng.

Trước thực trạng đó, bài toán đặt ra là cần phân tích định lượng cơ chế động lực học va chạm và mức độ truyền lực từ ngoài vào hệ thống hộp sọ não cũng như mạng lưới mạch máu. Đề tài tập trung giải quyết các mục tiêu trọng tâm bao gồm: tái tạo mô hình hình học 3D hoàn chỉnh của hộp sọ não và hệ động mạch não từ ảnh chụp cắt lớp vi tính y khoa; mô phỏng số học trạng thái tĩnh, dao động riêng và va chạm động lực học phi tuyến ở vận tốc 3,77 m/s tại 4 vị trí xung yếu; đồng thời khảo sát động học dòng chảy huyết khối tại đa giác Willis dưới tác động cơ học gián tiếp. Nghiên cứu được triển khai thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa thuộc Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh và hoàn thành bảo vệ vào năm 2012.

Kết quả phân tích đóng vai trò nền tảng cung cấp các chỉ số ứng suất von Mises và trường biến dạng mô não, xác thực khả năng hấp thụ lực của mũ bảo hiểm đạt chuẩn TCVN 5756:2001 nhằm giảm hơn 35% áp lực va đập nguy hiểm, hỗ trợ trực tiếp công tác chẩn đoán ngoại khoa và nâng cao hiệu quả điều trị phục hồi chức năng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng liên ngành vững chắc giữa cơ sinh học, giải phẫu học và động lực học hệ vật biến dạng. Khung lý thuyết vận dụng hai mô hình nền tảng: lý thuyết tiếp xúc đàn hồi phi tuyến Hertz kết hợp thuật toán động lực học va chạm LS-DYNA để mô tả tương tác va đập giữa vật rắn và vòm sọ; cùng hệ phương trình Navier-Stokes trong thủy động lực học bao gồm phương trình liên tục, phương trình động lượng và phương trình năng lượng để phân tích dòng chảy một pha trong lòng mạch.

Các khái niệm cơ sinh học then chốt được lượng hóa chi tiết gồm: ứng suất tương đương von Mises phản ánh ngưỡng phá hủy cấu trúc vật liệu xương; chuyển vị không gian 3 chiều của hộp sọ và nhu mô não; biến dạng cục bộ mô mềm; cùng phổ tần số dao động riêng thể hiện đặc tính động học của cơ hệ. Mô hình lý thuyết tích hợp thuyết biến đổi áp suất tịnh tiến của Gross (1958) và Gurdjian (1972) giải thích hiện tượng áp suất dương tại điểm chạm đối lập với áp suất âm gây tổn thương đối bên, đồng thời kết hợp thuyết gia tốc góc của Holbourn (1943) nhằm làm rõ cơ chế đứt gãy vi mạch và tổn thương sợi trục thần kinh do lực xoắn trượt.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng cỡ mẫu hình học chuẩn hóa gồm chuỗi dữ liệu ảnh cắt lớp vi tính y khoa có độ phân giải cao của một người trưởng thành điển hình, kết hợp đối chiếu với tập dữ liệu dịch tễ học hồi cứu từ hơn 120.000 ca chấn thương thực tế. Phương pháp chọn mẫu có chủ đích dựa trên các chỉ số nhân trắc học giải phẫu chuẩn: khối lượng não bộ trung bình từ 1300 g đến 1400 g, thể tích vỏ não chiếm khoảng 40% khối lượng não, lớp da đầu dày từ 5 mm đến 7 mm với độ đàn hồi tuyến tính từ 30% đến 40%, và độ dày xương sọ biến thiên từ 4 mm đến 10 mm.

Lý do lựa chọn phương pháp mô phỏng số thông qua Phương pháp Phần tử Hữu hạn (FEM) và Phương pháp Thể tích Hữu hạn (FVM) là vì phương pháp này cho phép giải quyết triệt để các bài toán phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu phức tạp mà thực nghiệm trên cơ thể người sống không thể thực hiện do rào cản y đức. Quy trình xử lý dữ liệu được tiếp chuyển tuần tự qua chuỗi phần mềm chuyên dụng: tiền xử lý bề mặt từ 3DMAX sang AutoCAD, tái tạo đường cong mặt cong qua Pro/ENGINEER, dựng khối đặc trong SolidWorks, chuẩn hóa định dạng SAT bằng Autodesk Inventor, sau đó nạp vào ANSYS để chia lưới phần tử tiếp xúc và phân tích tĩnh, chuyển sang ANSYS/LS-DYNA tính toán va chạm động, và sử dụng ANSYS/FLOTRAN giải bài toán trường cặp đôi gián tiếp. Toàn bộ quá trình nghiên cứu, tính toán và hoàn thiện mô hình được thực hiện liên tục trong mốc thời gian từ năm 2005 đến năm 2012.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng số học đã mang lại bốn phát hiện khoa học quan trọng có giá trị thực tiễn cao:

Thứ nhất, phân tích trạng thái va chạm động ở vận tốc 3,77 m/s tác động trực diện tại 4 vị trí (mặt trước trán, mặt trên vòm sọ, mặt sau chẩm, mặt bên thái dương) cho thấy mức độ tập trung ứng suất von Mises và chuyển vị cực đại biến thiên rõ rệt theo hình học sọ. Vùng xương thái dương với độ dày mỏng nhất chỉ từ 4 mm đến 5 mm ghi nhận mức độ tập trung ứng suất cao nhất, làm tăng nguy cơ nứt vỡ xương sọ và tổn thương động mạch màng não giữa.

Thứ hai, việc so sánh hai kịch bản có và không có mũ bảo hiểm chứng minh hiệu quả giảm chấn vượt trội của trang bị bảo hộ. Khi có mũ bảo hiểm đạt chuẩn hấp thụ xung lực, giá trị ứng suất von Mises cực đại truyền lên bề mặt xương sọ giảm từ 40% đến 60%, đồng thời độ chuyển vị tương đối của nhu mô não giảm hơn 50% so với trường hợp không đội mũ, loại bỏ hiện tượng quá tải ứng suất tức thời.

Thứ ba, phân tích dao động riêng đã xác định chính xác 10 dạng dao động cơ bản của hộp sọ não. Sự hiện diện của mũ bảo hiểm làm thay đổi phổ tần số riêng của hệ, giúp triệt tiêu các dải tần số kích thích nguy hiểm gây cộng hưởng nội sọ, từ đó bảo vệ mật độ hơn 100.000 tế bào nơ-ron trên mỗi milimét khối vỏ não khỏi nguy cơ rách đứt liên kết xináp.

Thứ tư, mô phỏng dòng chảy lưu chất trong động mạch cảnh và đa giác Willis chứng minh xung lực va chạm gián tiếp làm xáo trộn trường vận tốc và phân bố áp suất dòng máu. Tại các góc rẽ nhánh của đa giác Willis, áp lực lòng mạch gia tăng cục bộ từ 15% đến 25%, dẫn đến trạng thái tập trung ứng suất kéo gây nguy cơ nứt rách thành mạch theo dạng mode 1 và mode 2.

Thảo luận kết quả

Cơ chế gây tổn thương não bộ sâu sắc được giải thích bởi sự khác biệt lớn về tính chất cơ lý giữa hộp xương sọ cứng chắc và tổ chức não mềm chứa từ 77% đến 78% thành phần nước. Khi xuất hiện va chạm tịnh tiến với xung thời gian cực ngắn chỉ vài mili-giây, quán tính chuyển động chậm trễ của khối não so với vỏ sọ tạo ra sự chênh lệch áp suất thủy tĩnh rất lớn. Tại điểm va đập trực tiếp, sóng áp suất dương gây dập mô cục bộ, trong khi ở cực đối diện xuất hiện áp suất âm sinh ra hiện tượng xâm thực làm căng đứt các vi mạch màng não.

Kết quả này hoàn toàn tương thích và kiểm chứng chuẩn xác các nghiên cứu kinh điển của Horgan (2005) về mô hình ngã đập đầu ở người cao tuổi, cũng như thí nghiệm của Gurdjian (1972) chứng minh lớp da đầu cùng tóc giúp phân tán năng lượng, làm giảm hơn 35% mức độ tổn hại xương sọ so với sọ tử thi mất da. Để biểu diễn trực quan các phát hiện này, toàn bộ tập dữ liệu được cấu trúc dưới dạng biểu đồ đường thể hiện quan hệ ứng suất theo thời gian va chạm, kết hợp biểu đồ cột so sánh tỷ lệ suy giảm áp lực nội sọ và các bảng đối chiếu chuyển vị không gian giữa 4 vùng giải phẫu. Những luận cứ định lượng này đóng góp công cụ đắc lực hỗ trợ bác sĩ tiên lượng xuất huyết nội sọ và đánh giá hiệu quả phục hồi chức năng sau điều trị quang châm Laser bán dẫn.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả tính toán cơ sinh học chính xác, luận văn đề xuất bốn nhóm giải pháp hành động cụ thể:

1. Chuẩn hóa thiết kế sản xuất mũ bảo hiểm an toàn: Đề nghị các doanh nghiệp sản xuất thiết bị bảo hộ áp dụng ngay các thông số phân bố ứng suất từ mô phỏng để tối ưu hóa kết cấu vỏ cứng và lớp xốp giảm chấn EPS. Sản phẩm cần tuân thủ nghiêm ngặt tiêu chuẩn TCVN 5756:2001 và TCVN 6979:2001, duy trì khối lượng mũ người lớn dưới 1,5 kg đối với loại trùm cả hàm và dưới 1,0 kg đối với loại nửa đầu (mũ trẻ em từ 0,8 kg đến 1,2 kg), nhằm bảo đảm mục tiêu hấp thụ tối thiểu 50% động năng va chạm trong vòng 12 tháng tới.
2. Triển khai phần mềm chẩn đoán hình ảnh 3D tại bệnh viện: Khuyến nghị các bệnh viện chuyên khoa ngoại thần kinh và chẩn đoán hình ảnh tích hợp mô hình số hóa FEM vào quy trình xử lý dữ liệu chụp cắt lớp vi tính. Chủ thể thực hiện là đội ngũ kỹ sư y sinh phối hợp cùng bác sĩ ngoại khoa, phấn đấu nâng cao độ chính xác trong chẩn đoán vị trí tụ máu và nứt rách mạch não lên mức trên 90% trong giai đoạn 24 tháng.
3. Ứng dụng mô phỏng huyết động tối ưu hóa liệu trình điều trị: Đề xuất các đơn vị điều trị vật lý y sinh áp dụng kết quả phân tích dòng chảy đa giác Willis để kiểm soát liều lượng quang châm Laser bán dẫn cho bệnh nhân sau tai biến va chạm. Mục tiêu giúp giảm tỷ lệ di chứng tàn phế thần kinh từ mức 16,1% hiện nay xuống dưới 10% trong lộ trình theo dõi 6 tháng đến 1 năm.
4. Siết chặt quy chuẩn pháp lý và giám sát an toàn giao thông: Kiến nghị Ủy ban An toàn Giao thông Quốc gia cùng các cơ quan quản lý đẩy mạnh thanh tra chất lượng mũ bảo hiểm lưu thông trên thị trường, xử phạt nghiêm mũ kém chất lượng, hướng tới mục tiêu giảm 30% tỷ lệ tử vong do chấn thương sọ não trên phạm vi toàn quốc trong tầm nhìn 3 đến 5 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang lại giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn sâu rộng cho 4 nhóm đối tượng trọng điểm:

• Bác sĩ ngoại thần kinh và chuyên gia chẩn đoán hình ảnh: Sử dụng mô hình hình học 3D để phân tích cơ chế hình thành khối máu tụ ngoài màng cứng, vết rách động mạch thái dương và tổn thương lan tỏa, nâng cao năng lực hội chẩn và lập kế hoạch phẫu thuật can thiệp chính xác.
• Kỹ sư cơ sinh học và nhà thiết kế sản phẩm công nghiệp: Vận dụng bộ dữ liệu trường ứng suất tiếp xúc và tần số dao động riêng trong ANSYS/LS-DYNA để nghiên cứu vật liệu composite mới, cải tiến cấu trúc nón bảo vệ và đệm lót chuyên dụng trong ngành giao thông vận tải và thể thao mạo hiểm.
• Giảng viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Vật lý Kỹ thuật, Cơ Kỹ thuật, Kỹ thuật Y Sinh: Khai thác quy trình kỹ thuật chuyển đổi dữ liệu đa phần mềm từ AutoCAD, Pro/E, SolidWorks đến ANSYS/FLOTRAN làm tài liệu giảng dạy và nghiên cứu chuyên sâu về bài toán tương tác chất lưu và kết cấu.
• Cơ quan quản lý tiêu chuẩn đo lường chất lượng và hoạch định chính sách an toàn: Sử dụng các dữ liệu khoa học về khả năng chịu tải cơ học của hộp sọ làm căn cứ xây dựng và hoàn thiện hệ thống quy chuẩn kỹ thuật quốc gia đối với mũ bảo hiểm và trang thiết bị bảo vệ lao động.

Câu hỏi thường gặp

Câu hỏi 1: Tại sao nghiên cứu lại lựa chọn vận tốc va chạm 3,77 m/s để tiến hành mô phỏng số học?

Vận tốc 3,77 m/s được xác lập dựa trên mô hình nghiên cứu động lực học tiêu chuẩn của Horgan (2005) mô tả chính xác tình huống một người trưởng thành bị ngã ngửa tự do đập đầu xuống nền cứng. Mức vận tốc này đại diện cho ngưỡng va đập thực tế phổ biến trong tai nạn sinh hoạt và giao thông, đủ để kích hoạt biến dạng phi tuyến và kiểm tra ngưỡng phá hủy của vỏ xương sọ người.

Câu hỏi 2: Lớp da đầu và tóc đóng vai trò cơ học như thế nào trong việc bảo vệ hộp sọ?

Da đầu là lớp mô mềm có độ đàn hồi tuyến tính từ 30% đến 40% và bề dày từ 5 mm đến 7 mm, đóng vai trò như một lớp đệm hấp thụ năng lượng ban đầu. Theo thực nghiệm cơ sinh học của Gurdjian (1972), sự hiện diện của da đầu giúp kéo dài xung thời gian tiếp xúc và làm giảm hơn 35% mức độ tổn thương phá hủy xương sọ so với trạng thái không có da.

Câu hỏi 3: Việc đội mũ bảo hiểm đạt chuẩn giúp giảm tải xung lực cho nhu mô não ra sao?

Mũ bảo hiểm đạt chuẩn TCVN 5756:2001 phân tán lực tập trung thành lực phân bố trên diện tích rộng và hấp thụ phần lớn động năng va chạm nhờ lớp xốp nén. Kết quả mô phỏng phần tử hữu hạn chứng minh mũ bảo hiểm giúp giảm từ 40% đến 60% ứng suất von Mises trên xương sọ và giảm trên 50% biến dạng nhu mô não, ngăn ngừa hiện tượng dập não đối bên.

Câu hỏi 4: Lực va chạm từ bên ngoài truyền sang và gây tổn hại hệ thống mạch máu não như thế nào?

Khi hộp sọ bị va đập, quán tính tương đối làm dịch chuyển các khối mô mềm, gây biến dạng kéo căng và tăng áp suất thủy tĩnh cục bộ từ 15% đến 25% trong lòng mạch. Tại các nhánh rẽ của đa giác Willis, ứng suất tập trung vượt ngưỡng chịu đựng sinh học sẽ gây nứt vách mạch theo mode 1 và mode 2, dẫn đến biến chứng xuất huyết não nghiêm trọng.

Câu hỏi 5: Phương pháp phần tử hữu hạn có ưu thế gì vượt trội so với các phương pháp nghiên cứu truyền thống?

Phương pháp phần tử hữu hạn cho phép tái tạo chân thực hình học giải phẫu phức tạp và mô phỏng chính xác các trường ứng suất, biến dạng, áp suất nội sọ theo từng mili-giây mà thực nghiệm y sinh không thể đo trực tiếp trên người sống. Đây là công cụ an toàn, tiết kiệm chi phí và có độ tin cậy khoa học cao trong việc thử nghiệm đa kịch bản va chạm.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công quy trình khép kín tái tạo mô hình 3D hộp sọ não và mạng lưới mạch máu người có độ chính xác cao từ ảnh cắt lớp vi tính y khoa thông qua chuỗi phần mềm kỹ thuật chuyên sâu.
• Phân tích hoàn chỉnh trạng thái tĩnh, dao động riêng với 10 mode đặc trưng và bài toán va chạm động lực học phi tuyến tại 4 vị trí xung yếu ở vận tốc 3,77 m/s.
• Lượng hóa rõ nét cơ chế lan truyền sóng áp suất nội sọ, hiện tượng tập trung ứng suất tại vùng thái dương và nguy cơ rách vách mạch tại các điểm phân nhánh của đa giác Willis.
• Cung cấp bằng chứng khoa học thực nghiệm số khẳng định mũ bảo hiểm đạt chuẩn giúp giảm thiểu từ 40% đến 60% ứng suất va đập, bảo vệ tối đa cấu trúc thần kinh trung ương.
• Lộ trình phát triển tiếp theo tập trung vào việc tích hợp hoàn chỉnh hệ thống mạch máu vào mô hình sọ não tổng thể dưới tác động của tải trọng va chạm chu kỳ phức tạp.

Công trình là tài liệu tham khảo khoa học xuất sắc dành cho các nhà nghiên cứu cơ sinh học, đội ngũ y bác sĩ ngoại thần kinh và các đơn vị sản xuất trang thiết bị an toàn. Hãy áp dụng ngay các dữ liệu mô phỏng này để nâng cao chất lượng chẩn đoán y khoa và hoàn thiện các tiêu chuẩn bảo hộ tính mạng con người.

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 .