桑迪亚国家实验室和新墨西哥大学的研究人员正在比较超级计算机对大脑爆炸波的模拟，以及对遭受轻微脑外伤(TBIs)的退伍军人的临床研究，以帮助改进头盔的设计。
这些计算机模拟包括一个从上往下看(上排)和从旁边看(下排)的人的头部的计算机模型。这些图像显示了大脑在前、后、侧爆炸时压缩能量的沉积。这些模型结合新墨西哥大学的临床观察，正在被用来确定能量阈值，这将导致更好的军事和体育头盔设计。(资料来源:桑迪亚国家实验室提供的图片)
桑迪亚大学终端弹道学技术部的保罗·泰勒和约翰·路德维格森，以及新墨西哥州大学健康科学中心的神经学家科里·福特，正在进行一项由海军研究办公室资助的为期四年的轻度脑外伤研究的最后一年。欧洲杯线上买球
该团队希望确定压力和能量的阈值水平，以更好的军事和体育头盔设计为基础。它们可以用来对安装在头盔上的传感器进行编程，以显示爆炸强度是否足以导致脑外伤。
许多创伤性脑损伤患者没有或没有轻微的直接症状，这可能会使他们不去就医。传感器可以提醒他们潜在的问题。
“我们的最终目标是帮助我们的军队，最终帮助我们的平民，为头盔设计师提供指导，这样他们就可以更好地保护我们从临床和物理角度看到的一些事件，”桑迪亚项目的首席研究员泰勒说。“要做到这一点，我们必须知道与不同程度的脑外伤相关的阈值条件是什么。”
泰勒说，这项研究是唯一一项将计算机建模和模拟爆炸的物理效果与对遭受此类伤害的患者的临床磁共振成像(mri)分析相结合的脑外伤研究。
福特说，爆炸波过后，士兵可能会短暂失去意识，但几周后会有更严重的伤害。他说，头痛、记忆丧失、情绪紊乱、抑郁和认知问题等症状会阻碍患者工作。
泰勒正在应用冲击波物理学来了解在最初的5-10毫秒内，路边炸弹或钝器撞击产生的冲击波对敏感的脑组织的影响。这是在受害者的头部因爆炸而移动明显距离之前。
泰勒说:“在你有任何反应的机会，甚至在你意识到它发生在你身上之前，这些事情就已经结束了。”青少年时期人类的最快反应时间是75-100毫秒。
福特说，爆炸波传输到大脑的能量水平“可能是与创伤性脑损伤相关的损伤机制的一部分，这种机制可能无法通过传统的头盔保护头部的方法来缓解。”
在桑迪亚，研究人员创建了一个男性头部和颈部的计算机模型。泰勒说，这个模型包括了下颚，这是创伤性脑损伤研究中的另一个第一次，因为很多爆炸是由地面上的简易爆炸装置(ied)发出的，在到达大脑之前，以音速通过下颚和面部结构发送冲击波。
桑迪亚的团队使用了国家医学图书馆的可视人体项目，该项目成立于1989年，建立了一个数字图像库，其中包含了完整的、正常的成年男性和女性解剖数据。
泰勒利用这名年龄与大多数军事人员相近的男性的图像，与福特作为医疗顾问，创建了人类头部七种组织类型的几何模型——头皮、骨骼、白质和灰质、膜、脑脊液和空气空间。在一年多的时间里，他们对尸体头部大约300个“切片”中看到的组织类型进行了分类，将他们看到的组织划分为1毫米的立方体，并为每个组织分配了一种组织类型，以供计算机模拟。
Taylor还将各种头盔设计的数字处理、计算机断层扫描(CT)扫描导入仿真，以评估每种头盔对爆炸载荷的防护性能。
泰勒说，在一次典型的爆炸模拟中，桑迪亚的红色天空超级计算机上的96个处理器大约需要一天来处理1毫秒的模拟时间，而捕捉一次爆炸事件至少需要5毫秒。
3d模拟是通过记录大量数据的男性头部的二维多色图像实现的。泰勒和福特重点研究了进入大脑可能导致创伤性脑损伤的三种能量:与挤压相关的压缩各向同性能量;拉伸各向同性能量，倾向于扩大大脑的部分，并可能导致空化;以及导致软组织扭曲和撕裂的剪切能量。在模拟制作的视频中，大脑内部的压力和压力表现为颜色在颅腔内和周围以慢动作移动。
在临床方面，福特研究了13名在附近发生爆炸后遭受轻微创伤的受试者。他说，一些人被震晕了，大多数人至少暂时失去了知觉，大多数人不能继续工作。
福特说，研究伙伴希望招募更多的病人，特别是退伍军人，他们暴露在没有穿透皮肤的爆炸中，并遭受了意识丧失。候选人必须没有其他严重的钝器外伤史。
一系列测试测试了受试者的记忆力、语言和智力。这些结果与患者的功能磁共振成像(fMRI)改变相关。3d功能磁共振成像研究可以检测和绘制大脑中用于运动、视觉和注意力等过程的网络。通过将这些数据与对照组的数据进行比较，福特确定了患者大脑中显示异常活动的一组网络。然后将这些结果与计算机模拟预测的能量沉积图进行比较。
研究表明，患者大脑的某些区域极度活跃，这可能是因为这些区域正在补偿邻近的、被爆炸高能量击中的受损区域。他们说，根据计算机模拟，过度活跃的区域是那些经历最少剪切和拉伸能量的区域，这可以用来预测过度活跃可能发生的地方。
福特说，研究还显示了患者如何使用视觉信息的问题，这与他们对注意力持续时间有困难的抱怨相对应。
他说:“这是我们用临床现实验证模拟结果的方法。”
泰勒说，一旦泰勒和福特确定了储存在大脑中的波能是如何以及在哪里导致损伤的，他们就可以提供导致创伤性脑损伤的压力阈值和能量水平，供头盔设计师考虑。
“我希望我们能够理解导致脑外伤的物理机制。如果我们能把爆炸载荷和钝器撞击创伤联系起来，这也会很有用，”泰勒说。“一旦我们理解了这一点，我们就可以更全面地保护我们的战士和运动员免受这类伤害。”
来源:http://www.sandia.gov