Blast, slagsimuleringer kan føre til en bedre forståelse af skader og rustninger

Sandia National Laboratories udvikler specialiserede computermodellerings- og simuleringsmetoder for bedre at forstå, hvordan eksplosioner på en slagmark kan føre til traumatisk hjerneskade og skader på vitale organer, som hjerte og lunger.

Forskere ved Sandia har undersøgt mekanismerne bag traumatisk hjerneskade i omkring et årti. Deres traumatiske skadesmodellerings- og simuleringsprojekt begyndte med en hoved-og-hals repræsentation, og nu har de skabt en høj troværdighed, digital model af en mand fra taljen og op for at studere minutemekanismerne bag traumer.

"Vi er også bekymrede over muligheden for skade på livsstøttesystemerne i torso. Alt hænger sammen, "sagde Paul Taylor, der leder projektet. "Klart, vi ville elske at have en repræsentation af et fuldstændigt menneske, men bestemt at fange alle de regioner, hvor livskritiske organer er placeret, er en meget god start. "

Oplysningerne kan hjælpe producenterne med at udvikle bedre designs til hjelme og rustninger.

"Beskyttelse af soldaten, sømand eller marine er afgørende, og godt tilpasset vores nationale sikkerhedsmission mod udfordrende og nye dødelige trusler, "sagde programchef Doug Dederman." Det er et privilegium for vores integrerede militære systempersonale at samarbejde med forsvarsministeriet og medicinske samfund for at forbedre både diagnostiske evner og afbødning af risiko med forbedret beskyttelsesudstyr. "

Sandias seneste arbejde voksede fra et laboratoriumdirigeret forskning- og udviklingsfinansieret projekt, der sluttede i slutningen af ​​2016. Undervejs, teamet gennemførte både makroskala og mikroskala traumatiske hjerneskadesimuleringer, begyndte at arbejde med læger for at korrelere simuleringsforudsigelser med kliniske vurderinger af mennesker med hjerneskade og øgede størrelsen på deres team.

De teoretiserer, at et fænomen kaldet væskekavitation kan føre til traumatisk hjerneskade. De har udviklet makroskalsimuleringer for at teste hypotesen og udvidet deres arbejde til mikroskalaundersøgelser for at undersøge, om blast og kortpuls stump påvirkning, såsom et projektil, der rammer kropspanser, kan føre til væskekavitation, danner bobler, hvis kollaps kan skade følsomt hjerne- og lungevæv, Sagde Taylor.

Kavitation er dannelsen af ​​damphulrum - bobler - forårsaget af hurtige trykændringer i væske, som kan opstå ved eksponering for blæst. Bobler dannes og, fordi de er ustabile, kollaps straks, generere en mikrojet eller miniaturelokaliseret stødbølge. Det er et fysikfænomen, der sædvanligvis ses i spidsen for roterende skibspropeler, ødelægger disse propeller.

Undersøgelse af mekanismerne bag skade på hjernen, organer

"Vi har kunnet demonstrere, i det mindste teoretisk, at den enkelte oplever væskekavitation i hjernen. Vi har udsat vores hoved-hals-model for eksplosioner forfra, fra siden, bagfra, og det, vi ser, er, hvad der ligner krydret områder i hjernen, "lokaliserede regioner, der oplever kavitation, Taylor sagde, peger på det occipital, tidsmæssige og hjernestammeområder på et dias fra en simulering.

"Opstår der kavitation, og i så fald hvor kan det forekomme? "sagde teammedlem Candice Cooper, der udviklede makroskalsimuleringen. "Så ser vi på disse områder på mikroskalaen for at se, om der rent faktisk forekommer kavitation, hvordan kan det skade disse væv og føre til traumatisk hjerneskade. "

Det mindste område i makroskala simulering er 1 kubik millimeter, som ikke er lille nok til at fange væskekavitationens fysik meget godt, Sagde Taylor.

Indtast Shivonne Haniff, der udfører mikroskala modellering og simulering for at supplere Coopers makroskala arbejde, simulerer dannelse og sammenbrud af kavitationsbobler i hjernen i skalaer under 1 millimeter.

En af Haniffs modeller repræsenterer aksonale fiberbundtspor i hjernens hvide stof. Typisk, hvide stofaksoner har myelinskeder, en beskyttende belægning, ligner, hvordan isolering beskytter elektriske ledninger. Myelinbeklædning fremskynder neurologiske pulser, giver mennesker mulighed for at behandle oplysninger meget hurtigt. Sygdomme, såsom multipel sklerose, nedbryder myelinbeklædning og reducerer pulsoverførsel drastisk.

Teamet antager, at blast- og slaginduceret kavitation og efterfølgende boblekollaps også kan skade myelinbeklædning.

Haniffs video af en mikroskala -simulering af kavitationsboblekollaps i aksonfiberbundtet med hvidt stof introducerer en trykpuls fra den ene side, forårsager asymmetrisk kollaps af boblerne, genererer stærkt lokaliserede trykimpulser og mikrojetting, der beskadiger tilstødende axoner og deres myelinbeklædning.

Teamet undersøgte, hvordan trykbølgeamplitude og boblestørrelse påvirkede mikrojettingstyrken.

"For at vurdere skadepotentiale fra boblekollaps-induceret mikrojetting, vi kiggede på tryk og forskydningsspændinger nedstrøms for boblerne. Forskydningsspændinger i myelinbeklædningen var betydeligt højere end forskydningsspændinger i axonkernen, angiver, at myelin fungerer som en beskyttende barriere, "Sagde Haniff." Dog, beskadigelse af denne myelinbeklædning kan forringe transmissionen af ​​nervesignaler, hvilket kan føre til neurologiske problemer. "

Hun fokuserer nu på at modellere kavitationsskader inden for blod-hjerne-barrieren, et halvgennemtrængeligt vaskulært system, der tillader passage af næringsstoffer og gasser, der er nødvendige for hjernen, men blokerer skadelige toksiner. En videosimulering viser kavitationsbobler, der pludselig falder sammen under tryk, drastisk stigende tryk og forskydningsbelastning på omgivende væv, som kan beskadige det. Simuleringer ser på virkningerne af forskellige boblediametre, bobletæthed og trykbølgeamplituder på graden af ​​skade.

Udarbejdelse af, hvordan man modellerer skademekanismer

Cooper gennemførte også modellering og simuleringer for en generisk body -rustningskonfiguration. Arbejdet var rettet mod at forstå modelleringsproblemet frem for at nå til konklusioner, der gælder for specifik rustning. Hendes simulering studerede tryk i hjertet, lunger og andre organer i forskellige scenarier, såsom en soldat, der stod omkring 10 fod fra en vejsidebombe.

"Vi så på tryk såvel som forskydningsspændingen, der kan føre til vævsrevning, og fandt ud af, at i dette teoretiske tilfælde, have polstring bag rustningen faktisk øget spidstrykket i livskritiske organer, hjertet og leveren, som kan føre til skader, "Sagde Cooper." Det førte også til en stigning i forskydningsspændinger i alle de organer, vi så på.

"Dette er bare et eksempel på, hvordan vi kan bruge vores modellerings- og simuleringsværktøjer. Hvis nogen kom til os med deres rustningsdesign og sagde:'Vil du tage et kig på dette, 'vi kunne variere materialer i skumpolstringen, placeringen af ​​skumpolstringen, størrelsen eller geometrien på skumpolstringen eller selve rustningspladen "sagde hun." Vi kunne se på variationer på deres design og lade dem vide, at denne ændring gør det bedre, den ændring gør det værre. "