Sandia National Laboratories está desenvolvendo modelagem computacional especializada e métodos de simulação para entender melhor como explosões em um campo de batalha podem levar a lesões cerebrais traumáticas e lesões em órgãos vitais, como o coração e os pulmões.

Os pesquisadores da Sandia estudaram os mecanismos por trás da lesão cerebral traumática por cerca de uma década. Seu projeto de modelagem e simulação de lesão traumática começou com uma representação de cabeça e pescoço, e agora eles criaram uma alta fidelidade, modelo digital de um homem da cintura para cima para estudar os minúsculos mecanismos por trás do trauma.

"Também estamos preocupados com a possibilidade de lesões nos sistemas de suporte de vida no torso. Tudo está interligado, "disse Paul Taylor, quem lidera o projeto. "Claramente, adoraríamos ter uma representação de um ser humano completo, mas certamente capturar todas as regiões onde os órgãos vitais estão localizados é um bom começo. "

As informações podem ajudar os fabricantes a desenvolver designs melhores para capacetes e armaduras corporais.

"Proteção do soldado, marinheiro ou fuzileiro naval é essencial, e bem alinhados com nossa missão de segurança nacional contra novas ameaças letais, "disse o gerente do programa Doug Dederman." É um privilégio para nossa equipe de sistemas militares integrados se unir ao Departamento de Defesa e às comunidades médicas para melhorar as capacidades de diagnóstico e mitigação de riscos com equipamentos de proteção aprimorados. "

O trabalho mais recente de Sandia cresceu a partir de um projeto financiado por Pesquisa e Desenvolvimento Dirigido por Laboratório que terminou no final de 2016. Ao longo do caminho, a equipe conduziu simulações de lesão cerebral traumática em macro e microescala, começou a trabalhar com médicos para correlacionar previsões de simulação com avaliações clínicas de pessoas com lesão cerebral e aumentou o tamanho de sua equipe.

Eles teorizam que um fenômeno chamado cavitação de fluido pode levar a lesão cerebral traumática. Eles desenvolveram simulações em macroescala para testar a hipótese e ampliaram seu trabalho em estudos em microescala para examinar se a explosão e o impacto contuso de pulso curto, como um projétil atingindo uma armadura corporal, pode levar à cavitação de fluido, formando bolhas cujo colapso pode danificar o cérebro sensível e o tecido pulmonar, Disse Taylor.

Cavitação é a formação de cavidades de vapor - bolhas - causadas por rápidas mudanças de pressão no fluido, que pode ocorrer por exposição à explosão. As bolhas se formam e, porque eles são instáveis, colapso imediatamente, gerar um microjet ou uma onda de choque localizada em miniatura. É um fenômeno da física comumente visto na vanguarda das hélices de navios giratórios, erodindo essas hélices.

Estudando os mecanismos por trás dos danos ao cérebro, órgãos

"Conseguimos demonstrar, pelo menos teoricamente, que o indivíduo experimenta cavitação de fluido no cérebro. Sujeitamos nosso modelo de cabeça e pescoço a explosões pela frente, Pelo lado, da parte traseira, e o que vemos são o que parecem regiões salpicadas no cérebro, "regiões localizadas experimentando cavitação, Taylor disse, apontando para o occipital, áreas temporais e do tronco cerebral em um slide de uma simulação.

"Ocorre cavitação, e se, onde pode estar ocorrendo? ", disse Candice Cooper, membro da equipe, quem desenvolveu a simulação em macroescala. "Então, olhamos para essas áreas na microescala para ver se a cavitação está realmente ocorrendo, como pode danificar esses tecidos e levar a lesões cerebrais traumáticas. "

A menor área na simulação em macroescala é de 1 milímetro cúbico, que não é pequeno o suficiente para capturar a física da cavitação de fluido muito bem, Disse Taylor.

Digite Shivonne Haniff, que realiza modelagem e simulação em microescala para complementar o trabalho em macroescala de Cooper, simulando a formação e o colapso de bolhas de cavitação no cérebro em escalas abaixo de 1 milímetro.

Um dos modelos de Haniff representa faixas de feixes de fibras axonais dentro da substância branca do cérebro. Tipicamente, axônios da matéria branca têm bainhas de mielina, um revestimento protetor, semelhante a como o isolamento protege a fiação elétrica. O revestimento de mielina acelera os pulsos neurológicos, permitindo que os humanos processem informações muito rapidamente. Doenças, como esclerose múltipla, degradam o revestimento de mielina e reduzem drasticamente a transmissão do pulso.

A equipe levanta a hipótese de que a cavitação induzida por explosão e impacto e o subsequente colapso da bolha também podem danificar o revestimento de mielina.

O vídeo de Haniff de uma simulação em microescala do colapso da bolha de cavitação dentro do feixe de fibras do axônio da matéria branca apresenta um pulso de pressão de um lado, causando o colapso assimétrico das bolhas, gerando pulsos de pressão altamente localizados e microjateamento que danifica axônios vizinhos e seu revestimento de mielina.

A equipe estudou como a amplitude da onda de compressão e o tamanho da bolha influenciaram a resistência do microjateamento.

"Para avaliar o potencial de dano de microjateamento induzido pelo colapso da bolha, examinamos as pressões e tensões de cisalhamento a jusante das bolhas. As tensões de cisalhamento no revestimento de mielina foram consideravelmente maiores do que as tensões de cisalhamento no núcleo do axônio, indicando que a mielina atua como uma barreira protetora, "Haniff disse." No entanto, danos a este revestimento de mielina podem prejudicar a transmissão de sinais nervosos, o que pode levar a problemas neurológicos. "

Ela está se concentrando agora em modelar o dano por cavitação dentro da barreira hematoencefálica, um sistema vascular semipermeável que permite a passagem de nutrientes e gases necessários ao cérebro, mas bloqueia as toxinas prejudiciais. Uma simulação de vídeo mostra bolhas de cavitação subitamente colapsando sob pressão, aumentando drasticamente a pressão e a carga de cisalhamento no tecido circundante, o que pode danificá-lo. As simulações analisam os efeitos de diferentes diâmetros de bolha, densidade da bolha e amplitudes das ondas de pressão sobre o grau de dano.

Descobrir como modelar mecanismos de danos

Cooper também conduziu modelagem e simulações para uma configuração genérica de armadura corporal. O trabalho teve como objetivo entender o problema de modelagem ao invés de chegar a conclusões aplicáveis ​​a armaduras específicas. Sua simulação estudou as pressões dentro do coração, pulmões e outros órgãos em diferentes cenários, como um soldado parado a cerca de 3 metros de uma explosão de bomba na estrada.

"Observamos a pressão, bem como o estresse de cisalhamento que pode levar ao rompimento do tecido, e descobri que, neste caso hipotético, ter acolchoamento atrás da armadura, na verdade, aumentou as pressões de pico em órgãos vitais, o coração e o fígado, o que pode causar danos, "Cooper disse." Isso também levou a um aumento nas tensões de cisalhamento em todos os órgãos que examinamos.

"Este é apenas um exemplo de como podemos usar nossas ferramentas de modelagem e simulação. Se alguém vier até nós com seu projeto de armadura e disser:'Você poderia dar uma olhada nisso, 'poderíamos variar os materiais do enchimento de espuma, o posicionamento do enchimento de espuma, o tamanho ou geometria do enchimento de espuma ou da própria placa de armadura, "disse ela." Poderíamos olhar para as variações em seu design e informá-los que essa mudança o torna melhor, essa mudança torna tudo pior. "