Sandia National Laboratories développe des méthodes de modélisation et de simulation informatiques spécialisées pour mieux comprendre comment les explosions sur un champ de bataille pourraient entraîner des lésions cérébrales traumatiques et des lésions des organes vitaux, comme le cœur et les poumons.

Les chercheurs de Sandia ont étudié les mécanismes derrière les lésions cérébrales traumatiques pendant environ une décennie. Leur projet de modélisation et de simulation de blessures traumatiques a commencé par une représentation de la tête et du cou, et maintenant ils ont créé une haute fidélité, modèle numérique d'un homme de la taille jusqu'à étudier les mécanismes infimes derrière le traumatisme.

"Nous sommes également préoccupés par la possibilité de blessures aux systèmes de survie dans le torse. Tout est interconnecté, " a déclaré Paul Taylor, qui dirige le projet. "Clairement, nous aimerions avoir une représentation d'un être humain à part entière, mais capturer toutes les régions où se trouvent les organes vitaux est un très bon début."

Les informations pourraient aider les fabricants à développer de meilleures conceptions pour les casques et les gilets pare-balles.

"Protection du soldat, marin ou marin est indispensable, et bien aligné avec notre mission de sécurité nationale contre les menaces mortelles difficiles et nouvelles, " a déclaré le directeur du programme Doug Dederman. " C'est un privilège pour notre personnel des systèmes militaires intégrés de faire équipe avec le ministère de la Défense et les communautés médicales pour améliorer à la fois les capacités de diagnostic et l'atténuation des risques avec un équipement de protection amélioré. "

Les travaux les plus récents de Sandia sont issus d'un projet financé par un laboratoire de recherche et développement qui s'est achevé fin 2016. En cours de route, l'équipe a mené des simulations de lésions cérébrales traumatiques à l'échelle macro et microscopique, a commencé à travailler avec des médecins pour corréler les prédictions de simulation avec les évaluations cliniques des personnes atteintes de lésions cérébrales et a augmenté la taille de leur équipe.

Ils théorisent qu'un phénomène appelé cavitation fluide peut conduire à une lésion cérébrale traumatique. Ils ont développé des simulations à grande échelle pour tester l'hypothèse et ont étendu leur travail à des études à micro-échelle pour examiner si le souffle et les impulsions courtes ont un impact contondant, tel qu'un projectile frappant un gilet pare-balles, pourrait conduire à la cavitation des fluides, formant des bulles dont l'effondrement pourrait endommager les tissus sensibles du cerveau et des poumons, dit Taylor.

La cavitation est la formation de cavités de vapeur - bulles - causées par des changements rapides de pression dans le fluide, qui peut se produire à la suite d'une exposition à l'explosion. Des bulles se forment et, car ils sont instables, s'effondrer immédiatement, générer un microjet ou une onde de choc localisée miniature. C'est un phénomène physique couramment observé à la pointe des hélices de navires en rotation, éroder ces hélices.

Étudier les mécanismes à l'origine des dommages au cerveau, organes

« Nous avons pu démontrer, au moins théoriquement, que l'individu subit une cavitation de fluide dans le cerveau. Nous avons soumis notre modèle tête-cou à des explosions de face, du côté, de l'arrière, et ce que nous voyons, c'est ce qui ressemble à des régions poivrées dans le cerveau, " des régions localisées connaissant de la cavitation, Taylor a dit, pointant vers l'occipital, zones temporales et du tronc cérébral sur une lame d'une simulation.

"Est-ce que la cavitation se produit, et si oui, où cela pourrait-il se produire ?" a déclaré Candice Cooper, membre de l'équipe, qui a développé la simulation à l'échelle macro. "Ensuite, nous examinons ces zones à l'échelle microscopique pour voir si la cavitation se produit effectivement, comment cela pourrait-il endommager ces tissus et conduire à une lésion cérébrale traumatique. "

La plus petite zone dans la simulation à l'échelle macro est de 1 millimètre cube, qui n'est pas assez petit pour bien capturer la physique de la cavitation des fluides, dit Taylor.

Entre Shivonne Haniff, qui effectue la modélisation et la simulation à micro-échelle pour compléter le travail à macro-échelle de Cooper, simuler la formation et l'effondrement de bulles de cavitation dans le cerveau à des échelles inférieures à 1 millimètre.

L'un des modèles de Haniff représente les pistes de faisceaux de fibres axonales dans la substance blanche du cerveau. Typiquement, les axones de la matière blanche ont des gaines de myéline, un revêtement protecteur, similaire à la façon dont l'isolation protège le câblage électrique. Le gainage de myéline accélère les pouls neurologiques, permettant aux humains de traiter l'information très rapidement. Maladies, comme la sclérose en plaques, dégrader la gaine de myéline et réduire considérablement la transmission des impulsions.

L'équipe émet l'hypothèse que la cavitation induite par les explosions et les impacts et l'effondrement ultérieur des bulles pourraient également endommager la gaine de myéline.

La vidéo de Haniff d'une simulation à l'échelle microscopique de l'effondrement de bulles de cavitation dans le faisceau de fibres axonales de matière blanche introduit une impulsion de pression d'un côté, provoquant un effondrement asymétrique des bulles, générer des impulsions de pression très localisées et des microjets qui endommagent les axones voisins et leur gaine de myéline.

L'équipe a étudié comment l'amplitude des ondes de compression et la taille des bulles influençaient la force des microjets.

"Pour évaluer le potentiel de dommages du microjet induit par l'effondrement des bulles, nous avons examiné les pressions et les contraintes de cisaillement en aval des bulles. Les contraintes de cisaillement dans la gaine de myéline étaient considérablement plus élevées que les contraintes de cisaillement dans le noyau axonal, indiquant que la myéline agit comme une barrière protectrice, " dit Haniff. " Cependant, des dommages à cette gaine de myéline pourraient altérer la transmission des signaux nerveux, ce qui peut conduire à des problèmes neurologiques."

Elle se concentre maintenant sur la modélisation des dommages causés par la cavitation au sein de la barrière hémato-encéphalique, un système vasculaire semi-perméable qui permet le passage des nutriments et des gaz nécessaires au cerveau mais bloque les toxines nocives. Une simulation vidéo montre des bulles de cavitation s'effondrant soudainement sous pression, augmentant considérablement la pression et la charge de cisaillement sur les tissus environnants, ce qui peut l'endommager. Les simulations examinent les effets de différents diamètres de bulles, densité des bulles et amplitudes des ondes de pression sur le degré d'endommagement.

Comment modéliser les mécanismes d'endommagement

Cooper a également mené des modélisations et des simulations pour une configuration de gilet pare-balles générique. Le travail visait à comprendre le problème de modélisation plutôt que de parvenir à des conclusions applicables à une armure spécifique. Sa simulation a étudié les pressions dans le cœur, poumons et autres organes dans différents scénarios, comme un soldat debout à environ 10 pieds d'un attentat à la bombe en bordure de route.

« Nous avons examiné la pression ainsi que la contrainte de cisaillement qui peut entraîner une déchirure des tissus, et trouvé que dans ce cas théorique, le rembourrage derrière l'armure a en fait augmenté les pressions maximales dans les organes vitaux, le coeur et le foie, ce qui pourrait entraîner des dommages, " a déclaré Cooper. " Cela a également conduit à une augmentation des contraintes de cisaillement dans tous les organes que nous avons examinés.

« Ceci n'est qu'un exemple de la façon dont nous pouvons utiliser nos outils de modélisation et de simulation. Si quelqu'un venait nous voir avec sa conception de blindage et disait :'Voudriez-vous jeter un oeil à ceci, ' nous pourrions varier les matériaux du rembourrage en mousse, le positionnement du rembourrage en mousse, la taille ou la géométrie du rembourrage en mousse ou de la plaque de blindage elle-même, " a-t-elle dit. " Nous pourrions examiner les variations de leur conception et leur faire savoir que ce changement l'améliore, ce changement aggrave la situation."