Sandia National Laboratories utvecklar specialiserade datormodellerings- och simuleringsmetoder för att bättre förstå hur sprängningar på ett slagfält kan leda till traumatisk hjärnskada och skador på vitala organ, som hjärtat och lungorna.

Forskare vid Sandia har studerat mekanismerna bakom traumatisk hjärnskada i ungefär ett decennium. Deras traumatiska skademodellerings- och simuleringsprojekt började med en huvud-och-hals-representation, och nu har de skapat en hög trohet, digital modell av en man från midjan och upp för att studera minutmekanismerna bakom trauma.

"Vi är också oroade över möjligheten att skada livsstödssystemen i bålen. Allt hänger ihop, "sa Paul Taylor, som leder projektet. "Klart, vi skulle gärna ha en representation av en fullständig människa, men det är verkligen en bra början att fånga alla regioner där livskritiska organ finns. "

Informationen kan hjälpa tillverkare att utveckla bättre mönster för hjälmar och kroppspansar.

"Skydd av soldaten, sjöman eller marin är avgörande, och väl anpassat till vårt nationella säkerhetsuppdrag mot utmanande och nya dödliga hot, "sa programchefen Doug Dederman." Det är ett privilegium för våra integrerade militära systempersonal att samarbeta med försvarsdepartementet och medicinska samhällen för att förbättra både diagnostiska möjligheter och minska risken med förbättrad skyddsutrustning. "

Sandias senaste arbete växte från ett laboratoriumstyrt forsknings- och utvecklingsfinansierat projekt som avslutades i slutet av 2016. Längs vägen, laget genomförde både makroskala och mikroskala traumatiska hjärnskada simuleringar, började arbeta med läkare för att korrelera simuleringsprognoser med kliniska bedömningar av personer med hjärnskada och ökade storleken på deras team.

De teoretiserar att ett fenomen som kallas vätskekavitation kan leda till traumatisk hjärnskada. De har utvecklat makroskalsimuleringar för att testa hypotesen och utvidgat sitt arbete till mikroskalaundersökningar för att undersöka om blast och kortpuls trubbig påverkan, såsom en projektil som träffar kroppspansar, kan leda till vätskekavitation, bildar bubblor vars kollaps kan skada känslig hjärn- och lungvävnad, Sa Taylor.

Kavitation är bildandet av ånghålor - bubblor - orsakade av snabba tryckförändringar i vätska, som kan uppstå vid exponering. Bubblor bildas och, för att de är instabila, kollapsar omedelbart, generera en mikrojet eller miniatyr lokaliserad chockvåg. Det är ett fysikfenomen som vanligtvis ses i framkant av spinnande skeppspropeller, urholka dessa propellrar.

Studerar mekanismerna bakom skador på hjärnan, organ

"Vi har kunnat demonstrera, åtminstone teoretiskt, att individen upplever vätskekavitation i hjärnan. Vi har utsatt vår huvud-hals-modell för sprängningar framifrån, från sidan, bakifrån, och det vi ser är vad som ser ut som pepprade områden i hjärnan, "lokaliserade regioner som upplever kavitation, Taylor sa, pekar på occipital, tids- och hjärnstamområden på en bild från en simulering.

"Uppstår kavitation, och i så fall var kan det inträffa? "sa teammedlemmen Candice Cooper, som utvecklade makroskalsimuleringen. "Sedan tittar vi på dessa områden i mikroskala för att se om kavitation verkligen förekommer, hur kan det skada dessa vävnader och leda till traumatisk hjärnskada. "

Det minsta området i makroskalsimuleringen är 1 kubik millimeter, som inte är tillräckligt liten för att fånga fysik för vätskekavitation mycket bra, Sa Taylor.

Ange Shivonne Haniff, som utför mikroskala modellering och simulering för att komplettera Coopers makroskalarbete, simulera bildandet och kollapsen av kavitationsbubblor i hjärnan i skalor under 1 millimeter.

En av Haniffs modeller representerar axonala fiberbuntspår i hjärnans vita substans. Vanligtvis, axoner i vit substans har myelinhöljen, en skyddande beläggning, liknande hur isolering skyddar elektriska ledningar. Myelinbeklädnad påskyndar neurologiska pulser, tillåter människor att bearbeta information mycket snabbt. Sjukdomar, såsom multipel skleros, försämra myelinhöljet och drastiskt minska pulsöverföringen.

Teamet antar att blast- och slaginducerad kavitation och efterföljande bubblakollaps också kan skada myelinhöljet.

Haniffs video av en mikroskalsimulering av kavitationsbubbla kollaps i axonfiberpaketet med vit substans introducerar en tryckpuls från ena sidan, orsakar asymmetrisk kollaps av bubblorna, genererar högt lokaliserade tryckpulser och mikrostrålning som skadar närliggande axoner och deras myelinhölje.

Teamet studerade hur kompressiv vågamplitud och bubbelstorlek påverkade mikrostrålningsstyrkan.

"För att bedöma skador på grund av bubblakollapsinducerad mikrojetting, vi tittade på tryck och skjuvspänningar nedströms bubblorna. Skjuvspänningarna i myelinhöljet var betydligt högre än skjuvspänningarna i axonkärnan, indikerar att myelin fungerar som en skyddande barriär, "Sa Haniff." Men skada på denna myelinhölje kan försämra överföringen av nervsignaler, vilket kan leda till neurologiska problem. "

Hon fokuserar nu på att modellera kavitationsskador i blod-hjärnbarriären, ett halvgenomsläppligt kärlsystem som tillåter passage av näringsämnen och gaser som behövs av hjärnan men blockerar skadliga gifter. En videosimulering visar kavitationsbubblor som plötsligt kollapsar under tryck, drastiskt ökande tryck och skjuvbelastning på omgivande vävnad, som kan skada den. Simuleringar tittar på effekterna av olika bubbeldiametrar, bubbeldensitet och tryckvågamplituder på graden av skada.

Utarbetar hur man modellerar skademekanismer

Cooper genomförde också modellering och simuleringar för en generisk karosspansarkonfiguration. Arbetet syftade till att förstå modellproblemet snarare än att dra slutsatser som gäller för specifika rustningar. Hennes simulering studerade tryck i hjärtat, lungor och andra organ i olika scenarier, som en soldat som står cirka 10 meter från en bombsprängning vid vägkanten.

"Vi tittade på både trycket och skjuvspänningen som kan leda till att vävnader rivas, och fann att i detta fiktiva fall, att ha vaddering bakom rustningen faktiskt ökade topptrycket i livskritiska organ, hjärtat och levern, som kan leda till skador, "Sa Cooper." Det ledde också till en ökning av skjuvspänningar i alla organ som vi tittade på.

"Detta är bara ett exempel på hur vi kan använda våra modellerings- och simuleringsverktyg. Om någon kom till oss med sin rustningsdesign och sa:'Skulle du ta en titt på det här, 'vi kan variera materialet i skumfyllningen, placeringen av skumfyllningen, storleken eller geometrin på skumfyllningen eller själva pansarplattan, "sa hon." Vi kan titta på variationer på deras design och låta dem veta att den här förändringen gör det bättre, den förändringen gör det värre. "