Naukowcy z Politechniki Wrocławskiej pomogą m.in. w konstruowaniu lepszych kasków dla rowerzystów

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.

Weryfikacja modelu
Kolejnym etapem prac będzie stworzenie modeli mózgu osoby dorosłej w średnim wieku i seniora.

źródło: materiały prasowe Politechniki Wrocławskiej