Supercomputer- Simulationen und traumatische Hirnverletzung Patienten untersucht, um Helme verbessern

Forscher der Sandia National Laboratories und der University of New Mexico vergleichen die Supercomputer- Simulationen von Druckwellen auf das Gehirn mit klinischen Studien der Veteranen leiden unter milden traumatischen Hirnverletzungen ( TBIs ) zur Verbesserung der Helm -Designs.

Paul Taylor und John Ludwigsen von Sandia Endballistik Technologie-Abteilung und Corey Ford , Neurologe an UNM Health Sciences Center , sind im letzten Jahr von einem Vier- Jahres-Studie von mild TBI durch das Office of Naval Research finanziert.

Das Team hofft, Schwellenwerte zu identifizieren Stress und Energie , auf denen eine bessere militärische und Sporthelm Entwürfe basieren könnte . Sie könnten verwendet werden, um Sensoren auf Helme platziert zu programmieren , um zu zeigen , ob eine Explosion ist stark genug, um TBI verursachen.

Viele TBI -Kranken erleben keine oder subtil unmittelbaren Symptome , die sie von der Suche nach medizinischer Aufmerksamkeit zu halten kann . Die Sensoren könnten sie auf ein potentielles Problem aufmerksam machen.

"Unser Ziel ist es, unser Militär und schließlich unsere Zivilbevölkerung durch die Beratung zu Helm -Designer helfen, damit sie einen besseren Job zu schützen gegen einige dieser Ereignisse sind wir klinisch und aus physikalischer Sicht zu sehen, tun können ", sagte Taylor, Sandia Haupt Forscher an dem Projekt. " Um das zu tun , wir müssen wissen, was sind die Schwellen Bedingungen, die mit verschiedenen Ebenen der TBI korrelieren. "

Die Studie ist die einzige TBI Forschung, die Computer- Modellierung und Simulation der physikalischen Auswirkungen einer Explosion mit Analysen der klinischen Magnetresonanzbildern ( MRI ) der Patienten, die solche Verletzungen leiden vereint , sagte Taylor.

Unmittelbar nach Druckwellen können Soldaten kurze Verluste des Bewusstseins leiden, aber mehr Schaden entsteht Wochen später , sagte Ford . Die Symptome - Kopf tut weh , Gedächtnisverlust, Stimmungsschwankungen , Depression und kognitive Probleme - können Betroffene von der Arbeit zu vermeiden, sagte er.

Taylor ist die Anwendung Stoßwellenphysikzu verstehen, wie sensible Hirngewebe wird durch Wellen von Bomben am Straßenrand oder stumpfe Auswirkungen innerhalb der ersten 5-10 Millisekunden betroffen. Das ist vor dem Kopf des Opfers bewegt sich keine signifikante Entfernung in Reaktion auf die Explosion.

" Dieses Zeug ist vorbei , bevor Sie eine Chance zu reagieren, und vermutlich , bevor Sie überhaupt wusste, es mit dir passiert ", sagte Taylor. Schnellste Reaktionszeiten beim Menschen ", wie Jugendliche sind 75-100 Millisekunden.

Ford sagt Niveaus von Energie durch eine Druckwelle in das Gehirn übertragen "könnte Teil des Verletzungsmechanismus mit TBI und der Mechanismus, mit dem es geschieht, kann nicht durch traditionelle Methoden zum Schutz den Kopf mit einem Helm gemildert werden in Verbindung gebracht werden . "

Bei Sandia , erstellt Forscher ein Computermodell von Kopf und Hals eines Mannes. Das Modell umfasst den Kiefer - eine weitere Premiere in TBI Forschung - weil viele Explosionen kommen aus improvisierte Sprengsätze ( IEDs ) ebenerdig , sendet Wellen, an der Schallgeschwindigkeit durch den Kiefer und Gesichtsform , bevor sie das Gehirn, Taylor zu erreichen genannten .

Sandia -Team verwendet die Nationalbibliothek von Visible Human Project Medicine , die 1989 gegründet wurde, um ein digitales Bild Bibliothek von Volumendaten , die vollständig, normalen erwachsenen männlichen und weiblichen bauen Anatomie .

Verwendung von Bildern des männlichen , deren Alter war in der Nähe der der meisten Militärpersonal , Taylor, mit Ford als medizinischer Berater , erstellt geometrische Modelle der sieben Gewebearten im menschlichen Kopf - Kopfhaut , Knochen, weißen und grauen Hirnsubstanz , Membranen , Rückenmarksflüssigkeit und Lufträume . Mehr als ein Jahr , katalogisiert sie jede der Gewebetypen in etwa 300 "Scheiben" des Kopfes des kadaver gesehen , Dividieren , was sie zu einem Millimeter Würfel sah und Zuweisen jeweils ein Gewebetyp für die Computersimulation .

Taylor auch importiert digital verarbeitet , Computertomographie ( CT) der verschiedenen Helmdesigns in die Simulationen , um die schützende Verdienste aller gegen Explosionsbelastung zu bewerten.

In einer typischen Explosion Simulation, 96 Prozessoren auf Sandia Red Sky Supercomputer über einen Tag dauern , um eine Millisekunde simulierter Zeit zu verarbeiten und mindestens 5 Millisekunden erforderlich sind, um eine einzige Explosion Ereignis zu erfassen , sagte Taylor.

Die 3-D -Simulationen werden mit zweidimensionalen bunten Bilder der Kopf eines Mannes , die eine enorme Menge an Daten aufzuzeichnen visualisiert. Taylor und Ford haben sich auf drei Arten von Energie konzentriert in das Gehirn, die dazu führen können, TBI : Druck isotropen Energie mit Brech verbunden sind; Zug- isotropen Energie, die Teile des Gehirns zu erweitern und könnte zu Kavitation führen neigt ; und Scherenergie , die Verzerrung und Reißen von Weichgewebe verursacht. Der Druck und die Spannung innerhalb des Gehirns zeigen sich als Farben Bewegen in Zeitlupe durch und um das Gehirn Hohlraum auf Videos von den Simulationen erstellt.

Auf der klinischen Seite , studierte Ford 13 Probanden, die mild TBI erlitten nach IEDs explodierte in der Nähe von ihnen . Einige waren fassungslos , die meisten verlor das Bewusstsein zumindest kurzzeitig , und die meisten können nicht einen Job zu halten , sagte er.

Die Forschungspartner hoffen, mehr Patienten, vor allem militärische Veteranen , die zu Explosionen , die nicht in die Haut eindringen und haben die ein Bewusstseinsverlust erlitten ausgesetzt waren, zu rekrutieren, sagt Ford . Die Bewerber müssen keine andere Geschichte der bedeutenden stumpfe Traumata .

Eine Reihe von Tests gemessen die Themen " Gedächtnis, Sprache und Intelligenz. Diese Ergebnisse wurden mit den Veränderungen in der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRI) von den Patienten korreliert. Die 3-D- fMRI -Studien können im Gehirn für Prozesse wie Bewegung , Vision und Aufmerksamkeit verwendet, zu erkennen und Kartennetzwerke . Durch den Vergleich dieser Daten mit denen einer Kontrollgruppe , Ford identifiziert eine Untergruppe von Netzwerken Anzeige abnormaler Hirnaktivität bei den Patienten . Diese Ergebnisse wurden dann mit Energiedeposition Karten von den Computersimulationen vorhergesagt, verglichen.

Die Forschung hat gezeigt , dass bestimmte Regionen der Patienten "Gehirn sind hyperaktiv , vielleicht , weil sie kompensieren benachbarten , beschädigte Bereiche des Gehirns, die mit hoher Energie von den Explosionen betroffen waren . Die hyperaktiven Regionen sind diejenigen, die mindestens Zug- und Scherenergienerfahren nach den Computersimulationen , die verwendet werden können , um vorherzusagen , wo die Hyperaktivität wird wahrscheinlich auftreten , sagen sie.

Die Studien zeigten auch Probleme mit , wie die Patienten visuelle Informationen , die ihre Beschwerden über Schwierigkeiten mit Aufmerksamkeitsspanne entsprach , sagte Ford .

"Das ist unser Weg, um zu überprüfen , was die Simulation zeigt, mit der klinischen Realität ", sagte er .

Nachdem Taylor und Ford genau festzustellen, wie und wo die Wellenenergie im Gehirn abgelagert führt zu Verletzungen , können sie Schwellen von Stress und Energieniveaus , die TBI führen zur Prüfung durch Helm Designer bieten , sagte Taylor.

"Ich möchte, dass wir in der Lage, die physikalischen Mechanismen, die zu TBI führen zu verstehen. Es wäre auch sinnvoll sein , wenn wir die Verbindung zwischen Hochladeund stumpfen Trauma Auswirkungen ", sagte Taylor. " Sobald wir verstehen , dass wir in umfassender schützen wir sowohl unsere warfighters und Athleten gegen diese Art von Verletzungen sein."