Interstitial dynamics of the poroelastic brain and cerebral vasculature in humans
人体多孔弹性脑和脑血管系统的间质动力学
基本信息
- 批准号:0756154
- 负责人:
- 金额:$ 24万
- 依托单位:
- 依托单位国家:美国
- 项目类别:Continuing Grant
- 财政年份:2008
- 资助国家:美国
- 起止时间:2008-06-01 至 2013-05-31
- 项目状态:已结题
- 来源:
- 关键词:
项目摘要
CBET-0756154LinningerDiseases like stroke, tumors and hydrocephalus affect brain dynamics in millions of people worldwide. This project aims at advancing mathematical methods for studying soft tissue fluid interaction in the brain. The mathematical models will address large brain deformations in dynamic interaction with blood and cerebrospinal fluid motion with three salient features:an Euler-Lagrangian moving grid formulation for soft porous brain tissues; integration of cerebral vasculature into a porous deformable cell matrix.; and advancement of direct numerical solution algorithms based on inexact Newton-type methods with Krylov subspace iterations.For addressing the interdisciplinary nature of this project, the PI assembled a research team composed of biochemical engineers, two mathematicians, a neurosurgeon and an MRI physicist and biomedical engineer. Two major goals of the project are:Aim #1. Creation of a multi-scale fluid-structure interaction framework accounting for brain deformation mechanics with cerebrospinal fluid dynamics.Aim #2. We will incorporate realistic models of the cerebral vasculature.Existing models for computing large brain deformation dynamics are still unsatisfactory. The proposed holistic model of intracranial dynamics addresses key deficiencies. Specific aims (i) bridge the gap between recent advancements in medical imaging and rigorous mathematical analysis, (ii) create novel mathematical formulations for fluid-solid interaction for deforming soft porous media, and (iii) account for dilations of the cerebral vasculature. Comprehensive multi-phase models of brain, blood and cerebrospinal fluid interaction derived from patient-specific images have never been attempted before to the best of our knowledge. Currently quantitative analysis of medical images is slow, because there exists few mathematical methods for evaluating the interactions of blood, brain tissue and cerebrospinal fluid flow, distributed in the three-dimensional space and in time. Magnetic resonance imaging, angiography or computer tomography, will move forward biological and medical knowledge, when rigorous mathematical models to accurately predict transport phenomena become available. The proposed research will integrate existing medical imaging technology with mathematical modeling and scientific computing. The PI will share computational grids of human brains and symbolic codes for cerebral transport phenomena via the world-wide web. By this open internet approach, they will attract the interest of a growing scientific community. It is expected that this project will lay the mathematical foundations for a quantitative understanding of flow physics associated with the onset and progression of certain types of brain disorders. Thus, the project is prerequisite for generating better diagnostic and new treatment options in the future. The education plan provides specific steps for the dissemination of proposal outcomes and includes high school math and science education via the research experiences for teachers (RET), as well as outreach to minorities and underrepresented groups through undergraduate research (REU) mentorship.
CBET-0756154 Linninger中风、肿瘤和脑积水等疾病影响着全球数百万人的大脑动力学。 该项目旨在推进研究大脑中软组织液体相互作用的数学方法。数学模型将解决大的脑变形与血液和脑脊液运动的动态相互作用,具有三个显著特征:用于软多孔脑组织的欧拉-拉格朗日移动网格公式;将脑血管系统整合到多孔可变形细胞基质中。以及基于Krylov子空间迭代的不精确牛顿型方法的直接数值解算法的进步。为了解决该项目的跨学科性质,PI组建了一个由生物化学工程师,两名数学家,一名神经外科医生和一名MRI物理学家和生物医学工程师组成的研究团队。该项目的两个主要目标是:目标#1。创建一个多尺度的流体-结构相互作用框架,用脑脊液动力学解释大脑变形力学。目标#2。我们将结合真实的脑血管模型。现有的模型计算大的大脑变形动力学仍然不令人满意。提出的颅内动力学整体模型解决了关键缺陷。具体目标:(i)弥合医学成像和严格数学分析的最新进展之间的差距,(ii)为变形软多孔介质的流体-固体相互作用创建新的数学公式,以及(iii)考虑脑血管的扩张。据我们所知,以前从未尝试过从患者特定图像中获得脑、血液和脑脊液相互作用的综合多相模型。目前,医学图像的定量分析是缓慢的,因为存在很少的数学方法来评估血液,脑组织和脑脊液流动,分布在三维空间和时间的相互作用。磁共振成像、血管造影术或计算机断层摄影术将推动生物学和医学知识的发展,当精确预测运输现象的严格数学模型成为可能时。拟议的研究将把现有的医学成像技术与数学建模和科学计算相结合。PI将通过万维网共享人脑的计算网格和大脑传输现象的符号代码。通过这种开放的互联网方法,他们将吸引越来越多的科学界的兴趣。预计该项目将为定量理解与某些类型的大脑疾病的发作和进展相关的流动物理学奠定数学基础。因此,该项目是未来产生更好的诊断和新的治疗选择的先决条件。教育计划为传播提案成果提供了具体步骤,包括通过教师研究经验开展高中数学和科学教育,以及通过本科生研究导师制向少数群体和代表性不足的群体开展外联活动。
项目成果
期刊论文数量(0)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
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