Neue Skalierung Gesetz hilft vorherzusagen, den Menschen die Gefahr von Explosion-induzierten traumatischen Gehirnverletzungen

Seit Beginn der militärischen Auseinandersetzungen im Irak und in Afghanistan, mehr als 300.000 Soldaten in die Vereinigten Staaten zurück mit Schädel-Hirn-Verletzungen, die durch die Exposition gegenüber sprengwirkungs – und insbesondere die Exposition gegenüber improvised explosive devices “ (IEDs. Symptome von Schädel-Hirn-Verletzungen reichen von mild, wie anhaltende Kopfschmerzen und übelkeit, die zu schweren Beeinträchtigungen in Gedächtnis und Erkenntnis.

Seit 2007, das US Department of Defense hat man erkannt, dass die Bedeutung und Komplexität dieses Problems und hat erhebliche Investitionen getätigt, bei Schädel-Hirn-Verletzungen Forschung. Dennoch, es bleiben viele Lücken im wissenschaftlichen Verständnis der Auswirkungen von Explosionen auf das menschliche Gehirn; die meisten neuen wissen kommen aus Experimenten mit Tieren.

Jetzt MIT-Forscher entwickelt haben, eine Skalierung Gesetz, das sagt ein Mensch das Risiko von Schädigungen des Gehirns, basierend auf früheren Studien der Blasten‘ Auswirkungen auf die Gehirne von Tieren. Die Methode kann helfen, die militärische entwickeln, mehr Schutzhelme, sowie Hilfe ärzte bei der Diagnose Schädel-Hirn-Verletzungen – oft bezeichnet als die „unsichtbaren Wunden“ des Kampfes.

„Wir sind wirklich mit Schwerpunkt auf milden traumatischen Hirnverletzung, wo man am wenigsten weiß, das problem ist aber das größte“, sagt Raul Radovitzky, professor für Luft-und Raumfahrt und stellvertretender Direktor des MIT-Institute for Soldier Nanotechnologies (ISN). „Es bleibt oft unentdeckt. Und es ist breiter Konsens, dass dies eindeutig ein großes Problem.“

Während die bisherigen skalierungsgesetze vorausgesagt, dass Menschen Gehirne wäre widerstandsfähiger zu Blasten als bei den Tieren‘, Radovitzky team fand genau das Gegenteil: dass in der Tat, die Menschen sind viel anfälliger, als Sie haben dünnere Schädel zu schützen, die viel größere Gehirne.

Eine Gruppe IST Forscher unter der Leitung von Aur-Lüge Jean, postdoc in Radovitzky Gruppe, entwickelt Simulationen von Mensch, Schwein und Ratte Köpfe, ausgesetzt und jeweils zu Explosionen von verschiedenen Intensität. Ihre Simulationen vorhergesagt, die Auswirkungen der Explosionen “ Druckwellen, wie Sie vermehrt durch die Schädel und Gehirne der einzelnen Arten. Basierend auf der daraus resultierenden Unterschiede in den intrakraniellen Druck entwickelte das team eine Gleichung oder Skalierung Gesetz, zur Abschätzung der Gefahr von Schädigungen des Gehirns und für die einzelnen Arten.

„Die große Sache über das tun dies auf dem computer ist, dass es erlaubt Ihnen, zu reduzieren und möglicherweise schließlich zu beseitigen Tierversuche,“ Radovitzky sagt.

Das MIT-team und co-Autor James Q. Zheng, leitender Wissenschaftler am US-Armee-Soldat-Schutz und individuelle Ausrüstung-Programm, Sie ausführlich über Ihre Ergebnisse in dieser Woche in den Proceedings of the National Academy of Sciences.

Luft (durch den) Kopf

Eine Druckwelle ist der shockwave-oder Wand von Druckluft, die rauscht nach außen vom Epizentrum der explosion. Abgesehen von den körperlichen Auswirkungen der Granatsplitter und andere Chemische Elemente, die Druckwelle allein kann zu schweren Verletzungen der Lunge und des Gehirns. Im Gehirn, eine shockwave kann slam durch weiches Gewebe, mit potenziell verheerenden Auswirkungen.

Im Jahr 2010, Radovitzky Gruppe, arbeiten im Konzert mit der Verteidigung und Veterans Brain Injury Center, ein Teil der US-Militär health system, entwickelt eine ausgeklügelte, image-based-computational-Modell des menschlichen Kopfes, das veranschaulicht, in welcher Weise unter Druck stehende Luft bewegt sich durch seine weiche Gewebe. Mit diesem Modell zeigten die Forscher, wie die Energie von einer Druckwelle kann leicht erreichen das Gehirn durch öffnungen wie die Augen und die Nasennebenhöhlen – und auch, wie die das Gesicht bedeckt mit einer Maske können verhindern, dass solche Verletzungen. Seitdem, das team hat sich entwickelt, die ähnliche Modelle für Schweine und Ratten, die Erfassung der mechanischen Reaktion des Hirngewebes zu Schockwellen.

In Ihrer aktuellen Arbeit haben die Forscher berechnet, die Anfälligkeit der einzelnen Arten zu-Hirn-Verletzungen durch Schaffung einer mathematischen Beziehung zwischen Eigenschaften der Schädel, Gehirn und die umliegenden Fleisch, und die Ausbreitung der ankommenden Wellen. Die Gruppe als jedes Gehirn-Struktur – Volumen, Dichte und Geschwindigkeit – wie schnell stress Wellen breiten sich durch ein Gewebe. Dann simuliert das Gehirn die Reaktion auf die Explosionen von verschiedenen Intensität.

„Was die simulation ermöglicht es Ihnen, zu tun ist, nehmen Sie das, was außen geschieht, das ist der selbe über Spezies, und schauen, wie stark war die Wirkung der Explosion im inneren des Gehirns“, meint Jean.

Im Allgemeinen fanden Sie, dass ein Tier den Schädel und andere fleischige Strukturen, die handeln wie ein Schild, Abstumpfung, die Auswirkungen einer Druckwelle: je dicker diese Strukturen sind, desto weniger anfällig ist ein Tier zu Verletzungen führen. Im Vergleich mit den prominenteren Schädel von Ratten und Schweine, die für den Menschen dünneren Schädel erhöht das Risiko für Schädel-Hirn-Verletzungen.

Die Verlagerung des Problems

Dieser Befund widerspricht früheren Theorien, die gehalten, dass ein Tier anfällig für Explosionen, hängt von seiner Gesamtmasse, aber das ignoriert die Rolle von Schutz-physischen Strukturen. Nach diesen Theorien, die Menschen, die mehr Masse als Schweine oder Ratten, würden besser geschützt werden, gegen Druckwellen.

Radovitzky sagt diese Argumentation ergibt sich aus Studien von „blast Lunge“ – Explosion-induzierten Verletzungen wie reißen, Blutungen und Schwellungen der Lunge, wo es gefunden wurde, dass die Masse zählt: je größer ein Tier ist, desto widerstandsfähiger kann es zu Lungenschäden. Informiert durch solche Studien, das Militär hat seit entwickelt, kugelsichere Westen, die drastisch verringert die Anzahl von Explosion-induzierten Lungen-Verletzungen in den letzten Jahren.

„Es wurden im wesentlichen keine gemeldeten Fälle von blast lung in den letzten 10 Jahren im Irak oder in Afghanistan,“ Radovitzky Noten. „Jetzt haben wir verschoben das problem auf Schädel-Hirn-Verletzungen.“

In Zusammenarbeit mit der Armee Kolleginnen und Kollegen, Radovitzky und seine Gruppe sind grundlegende Forschung zu helfen, die Armee zu entwickeln, Helme, besserer Schutz von Soldaten. Zu diesem Zweck ist das team erweitern die Vorgehensweise bei der simulation verwendeten Sie zur Explosion zu anderen Arten von Bedrohungen.

Seine Gruppe ist auch die Zusammenarbeit mit phoniatern am Massachusetts General Hospital, wo die Opfer von den Boston-Marathon Bombardierung behandelt werden, für die geplatzten Trommelfelle.

„Sie haben eine genaue Karte, wo jedes Opfer wurde, relativ zu der Explosion,“ Radovitzky sagt. „Im Prinzip könnten wir simulieren die Veranstaltung, um herauszufinden, das Niveau der Exposition der einzelnen Opfer, steckte es in unserer Skalierung Gesetz, und wir konnten zu schätzen, Ihr Risiko für die Entwicklung einer Schädel-Hirn-Verletzungen, die möglicherweise nicht erkannt werden, in einem MRT.“

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