Sandia National Laboratories ontwikkelt gespecialiseerde computermodellerings- en simulatiemethoden om beter te begrijpen hoe explosies op een slagveld kunnen leiden tot traumatisch hersenletsel en verwondingen aan vitale organen, zoals het hart en de longen.

Onderzoekers van Sandia hebben ongeveer tien jaar de mechanismen achter traumatisch hersenletsel bestudeerd. Hun modellering- en simulatieproject voor traumatische verwondingen begon met een hoofd-halsweergave, en nu hebben ze een high-fidelity gecreëerd, digitaal model van een man vanaf de taille om de minuscule mechanismen achter trauma te bestuderen.

"We maken ons ook zorgen over de mogelijkheid van letsel aan de levensondersteunende systemen in de romp. Alles is met elkaar verbonden, " zei Paul Taylor, wie het project leidt. "Duidelijk, we zouden graag een weergave hebben van een volledig mens, maar het is zeker een goed begin om alle regio's vast te leggen waar levenskritieke organen zich bevinden."

De informatie kan fabrikanten helpen betere ontwerpen voor helmen en kogelvrije vesten te ontwikkelen.

"Bescherming van de soldaat, matroos of marinier is essentieel, en goed afgestemd op onze nationale veiligheidsmissie tegen uitdagende en nieuwe dodelijke dreigingen, "Zei programmamanager Doug Dederman. "Het is een voorrecht voor onze staf van geïntegreerde militaire systemen om samen te werken met het ministerie van Defensie en medische gemeenschappen om zowel de diagnostische mogelijkheden als de risicobeperking te verbeteren met verbeterde beschermende uitrusting."

Sandia's meest recente werk is voortgekomen uit een door laboratorium gestuurd onderzoeks- en ontwikkelingsproject dat eind 2016 werd afgerond. het team voerde zowel simulaties van traumatisch hersenletsel op macroschaal als op microschaal uit, begon met artsen te werken om simulatievoorspellingen te correleren met klinische beoordelingen van mensen met hersenletsel en breidde hun team uit.

Ze theoretiseren dat een fenomeen dat vloeistofcavitatie wordt genoemd, kan leiden tot traumatisch hersenletsel. Ze hebben simulaties op macroschaal ontwikkeld om de hypothese te testen en hebben hun werk uitgebreid naar studies op microschaal om te onderzoeken of ontploffing en korte puls botte impact, zoals een projectiel dat kogelvrije vesten raakt, kan leiden tot vloeistofcavitatie, bellen vormen waarvan het instorten gevoelig hersen- en longweefsel zou kunnen beschadigen, zei Taylor.

Cavitatie is de vorming van dampholtes - bellen - veroorzaakt door snelle drukveranderingen in vloeistof, die kunnen ontstaan ​​door blootstelling aan explosies. Er vormen zich bubbels en, omdat ze onstabiel zijn, onmiddellijk instorten, het genereren van een microjet of miniatuur gelokaliseerde schokgolf. Het is een natuurkundig fenomeen dat vaak wordt gezien aan de voorrand van draaiende scheepspropellers. het uithollen van die propellers.

Het bestuderen van de mechanismen achter schade aan de hersenen, organen

"We hebben kunnen aantonen, althans theoretisch dat het individu vloeistofcavitatie in de hersenen ervaart. We hebben ons hoofd-halsmodel onderworpen aan ontploffingen van voren, van de zijkant, van achteren, en wat we zien zijn wat lijkt op gepeperde gebieden in de hersenen, " gelokaliseerde regio's met cavitatie, Taylor zei, wijzend naar het achterhoofd, temporale en hersenstamgebieden op een dia van een simulatie.

" Treedt cavitatie op, en als het zo is, waar zou het kunnen gebeuren?" zei teamlid Candice Cooper, die de simulatie op macroschaal heeft ontwikkeld. "Dan kijken we naar die gebieden op microschaal om te zien of er inderdaad cavitatie optreedt, hoe kan het deze weefsels beschadigen en leiden tot traumatisch hersenletsel."

Het kleinste gebied in de simulatie op macroschaal is 1 kubieke millimeter, die niet klein genoeg is om de fysica van vloeistofcavitatie goed vast te leggen, zei Taylor.

Voer Shivonne Haniff in, die modellering en simulatie op microschaal uitvoert om Coopers werk op macroschaal aan te vullen, simulatie van de vorming en ineenstorting van cavitatiebellen in de hersenen op schalen van minder dan 1 millimeter.

Een van de modellen van Haniff geeft de sporen van axonale vezelbundels weer in de witte stof van de hersenen. Typisch, axonen van witte stof hebben myelinescheden, een beschermende laag, vergelijkbaar met hoe isolatie elektrische bedrading beschermt. Myeline-omhulling versnelt neurologische pulsen, waardoor mensen informatie zeer snel kunnen verwerken. ziekten, zoals multiple sclerose, de myeline-omhulling afbreken en de pulsoverdracht drastisch verminderen.

Het team veronderstelt dat door ontploffing en impact veroorzaakte cavitatie en daaropvolgende instorting van de bellen ook de myeline-omhulling zou kunnen beschadigen.

Haniff's video van een microschaalsimulatie van het instorten van cavitatiebellen in de axonvezelbundel van witte stof introduceert een drukpuls van één kant, veroorzaakt asymmetrische ineenstorting van de bellen, het genereren van zeer gelokaliseerde drukpulsen en microjetting die naburige axonen en hun myeline-omhulling beschadigen.

Het team bestudeerde hoe de compressiegolfamplitude en de belgrootte de sterkte van microjetting beïnvloedden.

"Om het schadepotentieel van microjetting veroorzaakt door het instorten van bellen te beoordelen, we keken naar drukken en schuifspanningen stroomafwaarts van de bellen. De schuifspanningen in de myeline-omhulling waren aanzienlijk hoger dan de schuifspanningen in de axonkern, wat aangeeft dat de myeline werkt als een beschermende barrière, "Zei Haniff. "Echter, schade aan deze myeline-omhulling kan de overdracht van zenuwsignalen belemmeren, wat kan leiden tot neurologische problemen."

Ze richt zich nu op het modelleren van cavitatieschade in de bloed-hersenbarrière, een semi-permeabel vasculair systeem dat de doorgang van voedingsstoffen en gassen mogelijk maakt die de hersenen nodig hebben, maar schadelijke gifstoffen blokkeert. Een videosimulatie toont cavitatiebellen die plotseling onder druk instorten, drastisch toenemende druk en schuifbelasting op omringend weefsel, die het kan beschadigen. Simulaties kijken naar de effecten van verschillende bellendiameters, bellendichtheid en drukgolfamplitudes op de mate van schade.

Uitwerken hoe schademechanismen te modelleren

Cooper voerde ook modellering en simulaties uit voor een generieke kogelvrije uitrusting. Het werk was gericht op het begrijpen van het modelleringsprobleem in plaats van het trekken van conclusies die van toepassing zijn op specifieke bepantsering. Haar simulatie bestudeerde de druk in het hart, longen en andere organen in verschillende scenario's, zoals een soldaat die ongeveer 10 voet van een bermbomontploffing staat.

"We hebben zowel naar druk gekeken als naar de schuifspanning die kan leiden tot weefselscheuring, en vond dat in dit fictieve geval, met vulling achter het pantser verhoogde de piekdruk in levenskritieke organen, het hart en de lever, die tot schade kunnen leiden, " zei Cooper. "Het leidde ook tot een toename van schuifspanningen in alle organen waar we naar keken.

"Dit is slechts een voorbeeld van hoe we onze modellerings- en simulatietools kunnen gebruiken. Als iemand naar ons toe zou komen met hun pantserontwerp en zou zeggen:'Zou je hier eens naar willen kijken, ' we konden de materialen van de schuimvulling variëren, de positionering van de schuimvulling, de grootte of geometrie van de schuimvulling of van de pantserplaat zelf, " zei ze. "We zouden variaties op hun ontwerp kunnen bekijken en hen laten weten dat deze verandering het beter maakt, die verandering maakt het erger."