I Sandia National Laboratories stanno sviluppando metodi di modellazione e simulazione al computer specializzati per comprendere meglio come le esplosioni su un campo di battaglia potrebbero portare a lesioni cerebrali traumatiche e lesioni agli organi vitali, come cuore e polmoni.

I ricercatori di Sandia hanno studiato i meccanismi alla base del trauma cranico per circa un decennio. Il loro progetto di modellazione e simulazione di lesioni traumatiche è iniziato con una rappresentazione della testa e del collo, e ora hanno creato un'alta fedeltà, modello digitale di un uomo dalla vita in su per studiare i minuscoli meccanismi alla base del trauma.

"Siamo anche preoccupati per la possibilità di lesioni ai sistemi di supporto vitale nel busto. Tutto è interconnesso, " ha detto Paul Taylor, chi guida il progetto. "Chiaramente, ci piacerebbe avere una rappresentazione di un essere umano completo, ma sicuramente catturare tutte le regioni in cui si trovano gli organi vitali è un ottimo inizio".

Le informazioni potrebbero aiutare i produttori a sviluppare progetti migliori per caschi e giubbotti antiproiettile.

"Protezione del soldato, marinaio o marinaio è essenziale, e ben allineato con la nostra missione di sicurezza nazionale contro le nuove minacce letali e impegnative, " ha dichiarato il responsabile del programma Doug Dederman. "È un privilegio per il nostro personale dei sistemi militari integrati collaborare con il Dipartimento della Difesa e le comunità mediche per migliorare sia le capacità diagnostiche che la mitigazione del rischio con dispositivi di protezione migliorati".

Il lavoro più recente di Sandia è nato da un progetto finanziato da ricerca e sviluppo diretto dal laboratorio che si è concluso alla fine del 2016. Lungo la strada, il team ha condotto simulazioni di lesioni cerebrali traumatiche su macroscala e microscala, ha iniziato a lavorare con i medici per correlare le previsioni di simulazione con le valutazioni cliniche delle persone con lesioni cerebrali e ha aumentato le dimensioni del loro team.

Teorizzano che un fenomeno chiamato cavitazione dei fluidi possa portare a lesioni cerebrali traumatiche. Hanno sviluppato simulazioni su macroscala per testare l'ipotesi e hanno esteso il loro lavoro a studi su microscala per esaminare se l'esplosione e l'impatto contundente a breve impulso, come un proiettile che colpisce l'armatura, potrebbe portare alla cavitazione del fluido, formando bolle il cui collasso potrebbe danneggiare il cervello sensibile e il tessuto polmonare, ha detto Taylor.

La cavitazione è la formazione di cavità di vapore - bolle - causate da rapidi cambiamenti di pressione nel fluido, che può verificarsi dall'esposizione all'esplosione. Si formano bolle e, perché sono instabili, crollare subito, generando un microjet o un'onda d'urto localizzata in miniatura. È un fenomeno fisico comunemente visto all'avanguardia delle eliche rotanti delle navi, erodendo quelle eliche.

Studiare i meccanismi alla base del danno al cervello, organi

"Siamo stati in grado di dimostrare, almeno teoricamente, che l'individuo sperimenta la cavitazione fluida nel cervello. Abbiamo sottoposto il nostro modello testa-collo a esplosioni dalla parte anteriore, dal lato, da dietro, e quello che vediamo sono quelle che sembrano regioni pepate nel cervello, "regioni localizzate in cui si verifica la cavitazione, Taylor ha detto, indicando l'occipitale, aree temporali e del tronco cerebrale su una diapositiva da una simulazione.

"Si verifica la cavitazione, e se così fosse, dove potrebbe accadere?" ha detto il membro del team Candice Cooper, che ha sviluppato la simulazione su macroscala. "Quindi esaminiamo quelle aree su microscala per vedere se si sta effettivamente verificando la cavitazione, come potrebbe danneggiare questi tessuti e portare a lesioni cerebrali traumatiche".

L'area più piccola nella simulazione su macroscala è di 1 millimetro cubo, che non è abbastanza piccolo da catturare molto bene la fisica della cavitazione dei fluidi, ha detto Taylor.

Entra Shivonne Haniff, che esegue la modellazione e la simulazione su microscala per integrare il lavoro su macroscala di Cooper, simulando la formazione e il collasso di bolle di cavitazione nel cervello in scale inferiori a 1 millimetro.

Uno dei modelli di Haniff rappresenta le tracce del fascio di fibre assonali all'interno della sostanza bianca del cervello. Tipicamente, gli assoni della sostanza bianca hanno guaine mieliniche, un rivestimento protettivo, simile a come l'isolamento protegge i cavi elettrici. La guaina mielinica accelera gli impulsi neurologici, consentendo agli esseri umani di elaborare le informazioni molto rapidamente. Malattie, come la sclerosi multipla, degradano la guaina mielinica e riducono drasticamente la trasmissione degli impulsi.

Il team ipotizza che anche la cavitazione indotta da esplosione e impatto e il successivo collasso delle bolle potrebbero danneggiare la guaina mielinica.

Il video di Haniff di una simulazione in microscala del collasso della bolla di cavitazione all'interno del fascio di fibre dell'assone della sostanza bianca introduce un impulso di pressione da un lato, provocando il collasso asimmetrico delle bolle, generando impulsi di pressione altamente localizzati e microgetti che danneggiano gli assoni vicini e la loro guaina mielinica.

Il team ha studiato come l'ampiezza dell'onda di compressione e la dimensione delle bolle influenzano la forza del microjetting.

"Per valutare il potenziale di danno dal microjetting indotto dal collasso delle bolle, abbiamo esaminato le pressioni e le sollecitazioni di taglio a valle delle bolle. Le sollecitazioni di taglio nella guaina mielinica erano considerevolmente superiori alle sollecitazioni di taglio nel nucleo dell'assone, indicando che la mielina agisce come una barriera protettiva, "Haniff ha detto. "Tuttavia, il danneggiamento di questa guaina mielinica potrebbe compromettere la trasmissione dei segnali nervosi, che può portare a problemi neurologici."

Ora si sta concentrando sulla modellazione del danno da cavitazione all'interno della barriera emato-encefalica, un sistema vascolare semipermeabile che consente il passaggio di nutrienti e gas necessari al cervello ma blocca le tossine dannose. Una simulazione video mostra le bolle di cavitazione che collassano improvvisamente sotto pressione, aumentando drasticamente la pressione e il carico di taglio sul tessuto circostante, che può danneggiarlo. Le simulazioni esaminano gli effetti di diversi diametri delle bolle, densità delle bolle e ampiezze dell'onda di pressione sul grado di danno.

Elaborare come modellare i meccanismi di danno

Cooper ha anche condotto modelli e simulazioni per una configurazione di armatura generica. Il lavoro mirava a comprendere il problema della modellazione piuttosto che a giungere a conclusioni applicabili a specifiche armature. La sua simulazione ha studiato le pressioni all'interno del cuore, polmoni e altri organi in diversi scenari, come un soldato in piedi a circa 10 piedi da un'esplosione di una bomba sul ciglio della strada.

"Abbiamo esaminato la pressione e lo stress da taglio che può portare alla lacerazione dei tessuti, e ha scoperto che in questo caso teorico, avere un'imbottitura dietro l'armatura ha effettivamente aumentato le pressioni di picco negli organi critici per la vita, il cuore e il fegato, che potrebbe causare danni, " Cooper ha detto. "Ha anche portato ad un aumento delle sollecitazioni di taglio in tutti gli organi che abbiamo esaminato.

"Questo è solo un esempio di come possiamo usare i nostri strumenti di modellazione e simulazione. Se qualcuno venisse da noi con il suo progetto di armatura e dicesse, 'Vuoi dare un'occhiata a questo, 'potremmo variare i materiali dell'imbottitura in schiuma, il posizionamento dell'imbottitura in schiuma, la dimensione o la geometria dell'imbottitura in schiuma o della corazza stessa, " ha detto. "Potremmo esaminare le variazioni sul loro design e far loro sapere che questo cambiamento lo rende migliore, quel cambiamento peggiora le cose."