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全球数百万人的大脑动力学。该项目旨在提出研究脑部软组织液相互作用的数学方法。这些数学模型将解决与血液和脑脊液运动动态相互作用中的大脑大变形,具有三个突出特点:用于软性多孔脑组织的欧拉-拉格朗日移动网格公式;将脑血管整合到多孔可变形细胞矩阵中;以及基于不精确牛顿方法和Krylov子空间迭代的直接数值求解算法的改进。为了解决该项目的跨学科性质,PI组建了一个研究小组,由生化工程师、两名数学家、一名神经外科医生和一名核磁共振物理学家和生物医学工程师组成。该项目的两个主要目标是:目标1.建立一个多尺度的流体-结构相互作用框架,说明脑变形力学和脑脊液动力学。目标2.我们将结合真实的脑血管模型。现有的计算大变形动力学的模型仍然不能令人满意。提出的颅内动力学整体模型解决了关键的缺陷。具体目标:(I)弥合医学成像的最新进展和严格的数学分析之间的差距;(Ii)为变形的柔软多孔介质创造新的流固相互作用的数学公式;(Iii)考虑脑血管的扩张。据我们所知,从患者特定的图像中得出的脑、血液和脑脊液相互作用的全面多相模型以前从未尝试过。目前对医学图像的定量分析比较缓慢,因为很少有数学方法来评价分布在三维空间和时间上的血液、脑组织和脑脊液之间的相互作用。磁共振成像、血管成像或计算机断层成像将推动生物学和医学知识的发展,届时将有严格的数学模型来准确预测运输现象。这项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结合起来。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式,它们将吸引越来越多的科学界的兴趣。预计该项目将为定量了解与某些类型的大脑疾病的发生和发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方案的先决条件。教育计划规定了传播提案结果的具体步骤,包括通过教师研究经验(RET)进行高中数学和科学教育,以及通过本科生研究(REU)指导向少数群体和代表性不足群体进行外联。
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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