Ini adalah sifat material yang menunjukkan karakteristik mekanis yang berbeda ketika beban diterapkan dalam arah yang berbeda.
Anisotropi adalah struktural penting dalam caral komputasi cedera otak traumatis .
pengantar
Ini berusaha untuk memahami bahwa mekanisme cedera mungkin berguna dalam membantu mengembangkan metode untuk pengobatan dan mitigasi cedera otak traumatis (TBI).
Model kepala komputasional dapat memberikan informasi berharga tentang kompleksitas skala multi-panjang yang terkait dengan sifat utama cedera aksonal difus.
Ini melibatkan pemahaman bagaimana trauma kepala (pada skala sentimeter-panjang) diterjemahkan ke dalam jaringan materi putih (pada skala milimeter-panjang) dan bahkan lebih jauh ke bawah skala panjang aksonal, di mana cedera fisik pada akson (misalnya, pemisahan akson) dapat terjadi.
Namun, untuk merepresentasikan perkembangan TBI secara akurat, bio-fidelitas caral komputasi ini sangat penting.
Upaya terkonsentrasi telah dilakukan untuk meningkatkan bio-fidelitas caral komputasi melalui penyertaan definisi material yang lebih canggih dan penerapan tindakan kerusakan yang relevan secara fisiologis.
Artikel ini merangkum studi komputasi terbaru yang telah memasukkan anisotropi struktural ke dalam definisi materi materi putih dan kriteria cedera sebagai sarana untuk meningkatkan kemampuan prediksi caral komputasi untuk TBI.
Kita membahas peran anisotropi struktural baik dalam respon mekanis jaringan otak dan dalam perkembangan lesi. Kita juga menggambarkan arah masa depan dalam pecaralan komputasi TBI.
Model komputasi yang menggabungkan anatomi tingkat jaringan dengan ketelitian tinggi dan respons mekanis berbagai jaringan telah menjadi alat yang berharga untuk mempelajari perkembangan cedera otak traumatis (TBI).
Salah satu gambaran patologis yang paling umum pada cedera otak traumatis ringan adalah cedera aksonal difus. Telah dihipotesiskan bahwa cedera ini terjadi sebagai akibat dari peregangan akson.
Materi putih otak mengandung akson, yang dikelompokkan ke dalam saluran serat dan berfungsi sebagai jalur komunikasi di otak.
Orientasi yang konsisten dari serat dalam materi putih, yang mengarah ke anisotropi dalam respon mekanik dari materi putih, memainkan peran penting dalam perkembangan lesi.
Memahami, melalui eksperimen, hubungan antara beban pada tingkat jaringan dan cedera aksonal sangat penting untuk mengembangkan caral konstitutif yang menggabungkan respons mekanis di bawah berbagai kondisi pembebanan, dan untuk terus menggunakan caral ini untuk mengembangkan tindakan cedera yang sesuai.
Model komputasi menyediakan platform untuk mengintegrasikan berbagai caral mekanis dan bahkan biokimia dengan anatomi otak.
Kegunaan platform komputasi semacam itu mencakup kemampuan untuk memprediksi tegangan dan regangan lokal, kemungkinan cedera primer (terutama dengan caral berbasis fisika).
Demikian pula, lesi sekunder (termasuk caral biokimia), kemungkinan hasil neurologis yang mungkin terjadi pada TBI difus terkait dengan lesi aksonal, dan pengembangan ambang toleransi kinematik untuk melindungi terhadap lesi otak.
Kegunaan spesifik dari platform komputasi ini termasuk memprediksi tingkat keparahan cedera primer segera setelah kejadian TBI.
Kriteria fungsional cedera aksonal berdasarkan peregangan dapat digunakan untuk memprediksi kemungkinan cedera primer pada akson (yang seketika), yang mempertimbangkan efek kolektif dari beberapa mekanisme, misalnya, peningkatan permeabilitas membran, perubahan aksonal transportasi, dan pemisahan aksonal.
Cedera primer dapat menyebabkan berbagai kaskade biokimia dan mekanisme cedera sekunder lainnya yang berkembang dalam jangka waktu yang lebih lama.
Dengan meningkatnya penggunaan sensor portabel, seperti helm sepak bola yang dilengkapi dengan akselerometer, menjadi mungkin untuk memperoleh data kinematik secara real time.
Parameter kinematik yang diukur dapat diterapkan sebagai input ke caral, yang dapat digunakan untuk memprediksi lokasi dan luasnya cedera di otak untuk kejadian cedera tertentu, yang berfungsi sebagai ukuran objektif kemungkinan cedera.
Saat ini, diagnosis cedera otak traumatis ringan sangat bergantung pada evaluasi neurokognitif karena tanda struktural cedera tidak terlihat dalam modalitas pencitraan medis konvensional.
Kerusakan sebagian besar dapat terjadi pada tingkat seluler, yang berada di luar resolusi banyak platform pencitraan yang umum digunakan.
Dalam kasus seperti itu, caral komputer dapat berfungsi sebagai alat yang sangat berharga untuk memprediksi kemungkinan cedera. Digunakan bersama dengan penilaian neurokognitif, mereka dapat membantu memberikan panduan tentang kemungkinan lokasi cedera.
Meskipun potensi tersebut untuk aplikasi kritis, ada keberhasilan yang terbatas dalam menetapkan ambang batas toleransi untuk cedera otak menggunakan pecaralan komputasi.
Selain itu, kemampuan caral komputasi untuk memprediksi secara akurat lokasi dan tingkat keparahan kerusakan aksonal belum divalidasi.
Ini mungkin sebagian karena kebutuhan untuk meningkatkan bio-fidelity dari caral komputasi yang ada.
Banyak faktor yang berkontribusi pada bio-fidelitas caral ini, termasuk penggunaan kondisi batas yang sesuai dan definisi material, tingkat detail anatomi, dan ketepatan pengukuran lesi.
Baru-baru ini, ada dorongan untuk menerapkan kriteria cedera yang lebih relevan secara fisiologis dan untuk menjelaskan substruktur materi putih.
Telah dihipotesiskan bahwa orientasi serat dalam substansia alba memainkan peran penting baik dalam perkembangan lesi maupun dalam respons mekanis jaringan otak.
Dalam upaya untuk menilai pentingnya anisotropi struktural dalam caral komputasi TBI, kita menawarkan ringkasan studi terpilih yang telah memperhitungkan anisotropi struktural materi putih dalam caral kepala komputasi.
Ini bisa melalui kriteria cedera aksonal atau materi definisi materi putih.
Kita membahas efek anisotropi struktural ini pada prediksi cedera dan merangkum apa yang dapat dipelajari tentang peran substruktur jaringan dalam pengembangan cedera aksonal difus dari penelitian ini.
Karena dimasukkannya anisotropi struktural dapat meningkatkan biaya komputasi dan kompleksitas caral, penting untuk menilai dampaknya pada bio-fidelity dan kemampuan prediktif caral.
Anisotropi struktural dalam caral kepala komputasional TBI
Munculnya difusi tensor imaging (DTI) telah memungkinkan untuk menggabungkan anisotropi struktural materi putih ke dalam caral komputasi TBI. DTI mengukur difusi molekul air di otak.
Karena molekul air berdifusi lebih cepat di sepanjang serat daripada tegak lurus terhadapnya, teknik ini dapat digunakan untuk mengkarakterisasi orientasi akson dalam wilayah otak tertentu.
Pencantuman anisotropi struktural dalam definisi material
Materi putih bersifat anisotropik karena orientasi serat yang konsisten, dan anisotropi struktural ini mempengaruhi perilaku mekanis jaringan.
Sifat material dari materi putih telah terbukti bergantung pada arah pembebanan relatif terhadap orientasi serat.
Eksperimen peregangan kuasi-statis dalam jaringan otak materi putih dan analisis data untuk mengkarakterisasi efek penguatan serat menunjukkan bahwa modulus geser sepanjang arah serat kira-kira 42% lebih tinggi dibandingkan dengan modulus tegak lurus arah serat.
Dalam caral komputasi, data dari difusi tensor imaging (DTI) dapat digunakan untuk memetakan orientasi lokal serat dalam materi putih.
DTI adalah teknik pencitraan resonansi magnetik (MRI) yang memberikan ukuran orientasi rata-rata akson dan tingkat hamburan serat untuk unsur volume lokal (biasanya pada resolusi beberapa milimeter kubik).
Dengan secara bersama-sama mendaftarkan gambar tensor difusi otak dengan data anatomi MRI, orientasi serat rata-rata volume dapat ditentukan untuk setiap unsur hingga dalam caral komputasi otak.
Ini pada gilirannya juga mengintegrasikan data yang terkait dengan respons mekanis materi putih.
Model bahan anisotropik kemudian dapat diterapkan untuk menentukan respons bahan lokal berdasarkan arah serat rata-rata volume untuk materi putih otak. Respons mekanis materi abu-abu dapat diasumsikan secara dominan isotropik.
Pengaruh anisotropi pada respons cedera
Anisotropi struktural materi putih telah terbukti memiliki efek signifikan dalam memprediksi potensi cedera.
Beberapa studi komputasi telah membandingkan respons mekanis jaringan otak dengan definisi materi putih isotropik dan anisotropik.
Sahoo dkk. menemukan bahwa masuknya anisotropi memiliki pengaruh signifikan pada gerakan otak lokal yang berkembang dalam simulasi benturan kepala.
Dimasukkannya anisotropi ditemukan memiliki efek yang signifikan pada besaran dan arah regangan utama yang berkembang dan pada besarnya tegangan geser yang dikembangkan di beberapa saluran serat materi putih.
Untuk mempelajari dampak kriteria cedera berdasarkan struktur pada cedera yang diprediksi, beberapa studi caral kepala komputasi telah membandingkan prediksi cedera dengan kriteria cedera.
Ini secara struktural didasarkan pada kriteria cedera tingkat jaringan yang digunakan secara tradisional, seperti regangan utama pertama (yaitu, maksimum), regangan von Mises, dan tegangan geser.
Simulasi benturan kepala yang berkelanjutan dalam dua kecelakaan sepeda motor yang terdokumentasi dengan baik. Pada salah satu kecelakaan terjadi cedera parah difus aksonal dan hematoma subdural, sedangkan kecelakaan lainnya tidak menyebabkan cedera serius.
Besarnya regangan aksonal, regangan von Mises, dan regangan besar pertama ditemukan 100% lebih tinggi untuk benturan kepala yang mengakibatkan cedera dibandingkan dengan benturan kepala yang tidak melukai.
Untuk kedua kasus tiruan, regangan aksonal secara signifikan lebih kecil (sekitar 30%) dan lebih dekat besarnya ke ambang cedera aksonal yang ditentukan secara eksperimental dibandingkan dengan besaran yang diprediksi oleh regangan von Mises dan regangan besar pertama.
Lebih jauh lagi, jika tempat yang rentan cedera didefinisikan sebagai fungsi dari daerah yang mengalami tingkat stres tertinggi, maka perbedaan prediksi yang dihasilkan dari daerah cedera diamati di antara ukuran stres individu.
Strain palsu dan von Mises pertama memprediksi cedera pada perifer otak, dan kriteria strain aksonal memprediksi cedera pada saluran materi putih, seperti corpus callosum, di mana cedera aksonal difus biasanya ditemukan.
Dampak pada kepala pemain hoki es profesional yang mengakibatkan cedera gegar otak disimulasikan.
Menerapkan ambang batas toleransi yang umum digunakan untuk cedera, tingkat kerusakan yang jauh lebih tinggi diprediksi dengan tegangan geser dan kriteria cedera tegangan utama dibandingkan dengan kriteria tegangan aksonal.
Traktus serat dengan tegangan aksonal tertinggi berkorelasi dengan daerah utama kerusakan yang diidentifikasi dalam studi cedera gegar otak.
Ketika menggunakan ukuran jaringan berbasis struktural, seperti stres aksonal, Wright menemukan bahwa definisi materi putih isotropik dan anisotropik materi putih menghasilkan daerah stres aksonal tinggi yang serupa.
Dihipotesiskan bahwa kesamaan ini disebabkan oleh fakta bahwa substruktur jaringan ditangkap melalui ukuran cedera berdasarkan struktur.
Namun, untuk ukuran cedera lain pada tingkat jaringan, seperti tegangan von Mises, tegangan geser, dan regangan utama maksimum, perbedaan signifikan ditemukan antara caral material isotropik dan anisotropik.
Studi sensitivitas ini menggambarkan bahwa ketika kriteria berbasis regangan diterapkan untuk memprediksi cedera akson fungsional, pertimbangan komponen regangan sepanjang orientasi serat di wilayah materi putih lokal sangat penting.
Sebelas dampak gegar otak sepak bola dan hoki disimulasikan menggunakan data akselerasi helm terinstrumentasi sebagai input ke dalam caral kepala komputasinya dan mempertimbangkan deformasi sepanjang arah serat sebagai ukuran cedera.
Mereka menemukan perbedaan yang signifikan dalam distribusi dan tingkat kerusakan yang diprediksi antara tegangan serat dan kriteria regangan pertama untuk cedera.
Distribusi daerah dengan tegangan serat tinggi konsisten dengan pola heterogen khas cedera aksonal difus.
Dalam semua studi ini, pola cedera yang diprediksi dengan kriteria cedera berbasis struktur yang memperhitungkan anisotropi struktural materi putih sangat konsisten dengan yang diamati dalam studi patologis TBI.
Kesimpulan penting lainnya yang dapat ditarik dari studi ini adalah bahwa perkembangan cedera aksonal difus sangat bergantung pada arah beban.
Dua dampak sepak bola gegar otak disimulasikan dan menemukan bahwa ketegangan besar pertama sebagai kriteria cedera memprediksi tingkat cedera secara berlebihan dibandingkan dengan kriteria cedera stres aksonal.
Ditemukan bahwa tingkat prediksi berlebih tergantung pada arah beban sehubungan dengan orientasi serat aksonal.
Kraft dkk. menerapkan kriteria cedera evolusioner dari waktu ke waktu yang didasarkan pada tegangan aksonal dan laju regangan.
Mereka menemukan bahwa orientasi serat sehubungan dengan arah benturan mempengaruhi tingkat cedera yang diantisipasi.
Luas dan derajat cedera telah terbukti berbeda secara signifikan antara percepatan linier dan rotasi kepala.
Dalam kondisi benturan kepala secara umum, telah dihipotesiskan bahwa komponen akselerasi rotasional merupakan kontributor dominan terhadap kerusakan aksonal.
Studi ini menyoroti pentingnya arah beban, yang memiliki implikasi penting dalam pengembangan kriteria toleransi kinematik untuk cedera aksonal difus.
Kriteria toleransi kinematik tidak hanya mencakup ambang batas toleransi untuk cedera berdasarkan besarnya akselerasi, tetapi juga harus memperhitungkan arah benturan.
Arah masa depan
Di pusat alat komputasi prediktif adalah mekanika yang terkait dengan biologi.
Model komputasi dalam kombinasi dengan teknik pencitraan, seperti pencitraan tensor difusi, memiliki potensi untuk meningkatkan pemahaman kita tentang cedera dengan menyediakan kerangka kerja untuk mengintegrasikan caral fisik yang berbeda untuk berbagai mekanisme cedera.
Kemampuan kalkulasi untuk memprediksi perilaku kompleks dari sistem yang digabungkan ini perlu dilihat lebih dekat dari sudut pandang aplikasi.
Sangat penting untuk dapat mengkorelasikan cedera yang diprediksi dengan cedera yang sebenarnya dan melatih kerangka untuk meningkatkan berdasarkan ukuran perbandingan kuantitatif.
Anisotropi terbukti penting dan memiliki pengaruh yang signifikan terhadap respon kerusakan yang diprediksi.
Namun, belum divalidasi apakah penyertaan anisotropi cukup untuk meningkatkan kemampuan prediksi caral.
Baru-baru ini, ketegangan di otak manusia sedang diukur secara in vivo menggunakan MRI berlabel dan mungkin merupakan cara yang menjanjikan untuk memvalidasi prediksi caral ketegangan otak.
Model komputasi yang mewakili beberapa keluarga serat dalam setiap unsur volume juga dapat meningkatkan prediktabilitas.
Keterbatasan metode DTI saat ini adalah karakterisasi yang akurat dari dua atau lebih famili serat silang dalam satu voxel.
Seiring dengan peningkatan metode DTI, data substruktur dengan resolusi lebih tinggi dapat digabungkan ke dalam caral komputasi.
Arah masa depan lainnya melibatkan penggunaan kombinasi caral kepala komputasi spesifik pasien, kinematika spesifik peristiwa, dan informasi DTI / MRI untuk validasi silang caral dengan data pasien aktual.
Pengamatan cedera sekunder, neurodegenerasi dari waktu ke waktu, dan eksperimen jaringan yang menunjukkan efek frekuensi juga merupakan pertimbangan penting dari sudut pandang pecaralan untuk secara akurat mewakili perkembangan cedera.
Tujuan mulia dalam pengembangan caral ini adalah untuk memungkinkan profesional kesehatan memiliki pemahaman yang lebih besar tentang kemungkinan cedera aksonal difus.
Dari sudut pandang klinisi, diagnosis klinis gegar otak dengan alat yang tersedia saat ini mungkin tidak cukup.
Seseorang mungkin dapat menggunakan alat komputasi berbasis fisika, bersama dengan metode pencitraan, untuk menghubungkan lokasi lesi yang diprediksi dengan perubahan fisik dan fungsional yang sebenarnya.
Karena metode neuroimaging terus meningkat, ini mungkin menjadi kemungkinan di masa depan.
Mengukur probabilitas dan tingkat cedera tetap menjadi tantangan yang signifikan.
Pendekatan yang mengukur kemungkinan cedera sehubungan dengan saluran serat tertentu menggunakan atlas materi putih, yang memetakan koneksi saraf di otak, dapat membantu menjembatani kesenjangan antara data yang diperoleh dalam pengaturan klinis dan hasil caral.berbasis fisika komputasi.
Model komputasi yang menggabungkan anisotropi struktural materi putih dan kriteria cedera aksonal dapat mengarah pada serangkaian ambang batas yang jauh lebih ketat dan komprehensif untuk kemungkinan cedera aksonal difus karena trauma kepala.
kesimpulan
Masih ada kebutuhan kritis untuk meningkatkan kemampuan prediksi caral komputasi TBI sehingga mereka dapat memberikan pemahaman yang lebih baik tentang mekanisme cedera.
Dengan peningkatan dalam teknik pencitraan medis dan ketersediaan pengukuran real-time data kinematik selama kejadian cedera, kita memiliki lebih banyak sumber daya yang tersedia untuk meningkatkan bio-fidelitas alat komputasi ini.
Untuk meningkatkan representasi perilaku mekanis jaringan otak dan respons terhadap kerusakan yang diprediksi, ada dorongan untuk menjelaskan anisotropi struktural materi putih dalam analisis komputasi.
Studi terbaru menunjukkan bahwa anisotropi struktural ini dapat memiliki efek signifikan pada deformasi otak, dan penggunaan kriteria cedera berbasis struktur dapat mengarah pada prediksi cedera yang lebih konsisten dengan pola cedera aksonal yang diketahui.
Hasilnya menunjukkan bahwa dimasukkannya anisotropi struktural mungkin merupakan langkah ke arah yang benar untuk meningkatkan bio-fidelitas caral komputasi TBI.
Efektivitas pendekatan komputasi ini akan mendapat manfaat dari validasi tingkat tinggi menggunakan pengukuran eksperimental ketelitian tinggi dari regangan di otak dan validasi silang dengan data pasien nyata.
Seiring kita terus meningkatkan kemampuan prediktif dari caral-caral ini, caral-caral ini akan lebih berfungsi untuk memahami perkembangan TBI.