Sandia National Laboratories está desarrollando modelos informáticos especializados y métodos de simulación para comprender mejor cómo las explosiones en un campo de batalla podrían provocar lesiones cerebrales traumáticas y lesiones en órganos vitales. como el corazón y los pulmones.

Los investigadores de Sandia han estudiado los mecanismos detrás de la lesión cerebral traumática durante aproximadamente una década. Su proyecto de simulación y modelado de lesiones traumáticas comenzó con una representación de cabeza y cuello, y ahora han creado una alta fidelidad modelo digital de un hombre de cintura para arriba para estudiar los diminutos mecanismos detrás del trauma.

"También nos preocupa la posibilidad de lesiones en los sistemas de soporte vital del torso. Todo está interconectado, "dijo Paul Taylor, quien lidera el proyecto. "Claramente, nos encantaría tener una representación de un ser humano completo, pero ciertamente capturar todas las regiones donde se encuentran los órganos críticos para la vida es un muy buen comienzo ".

La información podría ayudar a los fabricantes a desarrollar mejores diseños para cascos y chalecos antibalas.

"Protección del soldado, marinero o marino es imprescindible, y bien alineado con nuestra misión de seguridad nacional contra nuevas y desafiantes amenazas letales, ", dijo el director del programa Doug Dederman." Es un privilegio para nuestro personal de sistemas militares integrados trabajar en equipo con el Departamento de Defensa y las comunidades médicas para mejorar tanto las capacidades de diagnóstico como la mitigación de riesgos con equipos de protección mejorados ".

El trabajo más reciente de Sandia surgió de un proyecto financiado por Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio que concluyó a fines de 2016. En el camino, el equipo llevó a cabo simulaciones de lesiones cerebrales traumáticas tanto a macroescala como a microescala, comenzó a trabajar con médicos para correlacionar las predicciones de simulación con evaluaciones clínicas de personas con lesión cerebral y aumentó el tamaño de su equipo.

Teorizan que un fenómeno llamado cavitación de fluidos puede provocar una lesión cerebral traumática. Desarrollaron simulaciones a macroescala para probar la hipótesis y ampliaron su trabajo a estudios a microescala para examinar si la explosión y el impacto contundente de pulso corto, como un proyectil que golpea una armadura corporal, podría provocar cavitación de líquidos, formando burbujas cuyo colapso podría dañar el tejido sensible del cerebro y los pulmones, Taylor dijo.

La cavitación es la formación de cavidades de vapor (burbujas) causadas por cambios rápidos de presión en el fluido, que puede ocurrir por exposición a explosiones. Se forman burbujas y, porque son inestables, colapsar inmediatamente, generando un microjet o una onda de choque localizada en miniatura. Es un fenómeno de la física que se ve comúnmente en la vanguardia de las hélices de los barcos giratorios, erosionando esas hélices.

Estudiar los mecanismos detrás del daño cerebral, organos

"Hemos podido demostrar, al menos teóricamente, que el individuo experimenta cavitación de fluidos en el cerebro. Hemos sometido a nuestro modelo cabeza-cuello a ráfagas de frente, desde el lado, desde la parte trasera, y lo que vemos son lo que parecen regiones salpicadas en el cerebro, "regiones localizadas que experimentan cavitación, Taylor dijo, apuntando al occipital, áreas temporal y del tronco encefálico en una diapositiva de una simulación.

"¿Se produce cavitación, y de ser así, ¿Dónde podría estar ocurriendo? ", dijo Candice Cooper, miembro del equipo. quien desarrolló la simulación a macroescala. "Luego, observamos esas áreas en la microescala para ver si realmente se está produciendo cavitación, cómo podría dañar estos tejidos y provocar una lesión cerebral traumática ".

El área más pequeña en la simulación de macroescala es 1 milímetro cúbico, que no es lo suficientemente pequeño para capturar muy bien la física de la cavitación de fluidos, Taylor dijo.

Entra Shivonne Haniff, que realiza modelado y simulación a microescala para complementar el trabajo a macroescala de Cooper, simulando la formación y colapso de burbujas de cavitación en el cerebro en escalas por debajo de 1 milímetro.

Uno de los modelos de Haniff representa pistas de haces de fibras axonales dentro de la materia blanca del cerebro. Típicamente, los axones de materia blanca tienen vainas de mielina, una capa protectora, similar a cómo el aislamiento protege el cableado eléctrico. El revestimiento de mielina acelera los pulsos neurológicos, permitiendo a los humanos procesar información muy rápidamente. Enfermedades como la esclerosis múltiple, degradan el revestimiento de mielina y reducen drásticamente la transmisión del pulso.

El equipo plantea la hipótesis de que la cavitación inducida por explosiones e impactos y el posterior colapso de las burbujas también podrían dañar el revestimiento de mielina.

El video de Haniff de una simulación a microescala del colapso de la burbuja de cavitación dentro del haz de fibras del axón de materia blanca introduce un pulso de presión desde un lado, causando colapso asimétrico de las burbujas, generando pulsos de presión altamente localizados y microjet que dañan los axones vecinos y su vaina de mielina.

El equipo estudió cómo la amplitud de la onda de compresión y el tamaño de las burbujas influían en la fuerza del microchorro.

"Para evaluar el daño potencial del microjet inducido por el colapso de las burbujas, observamos las presiones y las tensiones cortantes aguas abajo de las burbujas. Las tensiones cortantes en la vaina de mielina fueron considerablemente más altas que las tensiones cortantes en el núcleo del axón, lo que indica que la mielina actúa como una barrera protectora, "Haniff dijo." Sin embargo, el daño a esta vaina de mielina podría afectar la transmisión de señales nerviosas, lo que puede provocar problemas neurológicos ".

Ella se está enfocando ahora en modelar el daño por cavitación dentro de la barrera hematoencefálica, un sistema vascular semipermeable que permite el paso de los nutrientes y gases que necesita el cerebro pero bloquea las toxinas dañinas. Una simulación de video muestra burbujas de cavitación colapsando repentinamente bajo presión, aumentar drásticamente la presión y la carga de cizallamiento en el tejido circundante, que puede dañarlo. Las simulaciones analizan los efectos de diferentes diámetros de burbujas, densidad de burbujas y amplitudes de onda de presión sobre el grado de daño.

Descubriendo cómo modelar los mecanismos de daño

Cooper también realizó modelos y simulaciones para una configuración de armadura corporal genérica. El trabajo tenía como objetivo comprender el problema del modelado en lugar de llegar a conclusiones aplicables a armaduras específicas. Su simulación estudió las presiones dentro del corazón, pulmones y otros órganos en diferentes escenarios, como un soldado parado a unos 10 pies de la explosión de una bomba al borde de la carretera.

"Observamos la presión y el esfuerzo cortante que puede provocar el desgarro del tejido, y encontró que en este caso teórico, tener acolchado detrás de la armadura en realidad aumentó las presiones máximas en los órganos críticos para la vida, el corazón y el hígado, que podría provocar daños, "Dijo Cooper." También condujo a un aumento de las tensiones cortantes en todos los órganos que examinamos.

"Este es solo un ejemplo de cómo podemos usar nuestras herramientas de modelado y simulación. Si alguien viniera a nosotros con su diseño de armadura y dijera:¿Podrías echar un vistazo a esto? 'podríamos variar los materiales del relleno de espuma, el posicionamiento del acolchado de espuma, el tamaño o la geometría del acolchado de espuma o de la propia placa de blindaje, ", dijo." Podríamos ver variaciones en su diseño y hacerles saber que este cambio lo mejora, ese cambio lo empeora ".