超級電腦模擬急救創傷性腦損傷病患

桑迪亞國家實驗室(Sandia National Laboratories)和新墨西哥大學(University of New Mexico, UNM)的研究人員表示，正針對患了輕度創傷性腦損傷(traumatic brain injuries, TBI)的退伍軍人進行一項研究，他們運用超級電腦模擬大腦遭到爆炸波時的影響，未來可望協助改善軍用頭盔設計。

這個研究團隊是由桑迪亞國家實驗室終端彈道科技部門的專家Paul Taylor 和John Ludwigsen，以及新墨西哥大學保健科學中心的神經學家Corey Ford領導，他們希望為定義出更好的應力和能量閘值，以協助開發出更完善的軍事或運動用頭盔。他們在頭盔上放置了感測器，以確認何種爆炸程度會造成創傷性腦損傷。

創傷性腦損傷的患者經常會感覺到相當微妙的症狀，這些症狀或許很不明顯，但卻會讓他們不斷求醫尋找解答。而感測器可以提醒他們是否真的有問題，研究人員表示。

我們的最終目標是協助軍事單位和一般應用設計出保護力更好的頭盔，”Taylor說。我們現在已經知道了各種不同程度TBI的閾值條件。”

這項研究已經邁入第四年，也是最後一年，而這也是唯一整合電腦建模和爆炸波物理效應模擬，以及曾遭受腦損傷患者之核磁共振影像(MRI)的創傷性腦損傷研究，Taylor表示。

建立模擬環境

在桑迪亞國家實驗室，研究人員建立了一個人的頭頸部電腦模型。該模型包括下巴，因為許多簡易型爆炸裝置(IED)都在地面爆炸，它們發出的爆炸波在傷及大腦前會先直接衝擊到下顎和臉部結構，Taylor說。

桑迪亞國家實驗室的研究小組利用了國家圖書館的醫學人體影像資料庫專案(Medicine’s Visible Human Project)，該專案於1989年啟動，包含正常成年男性及女性解剖的完整數位影像。

研究人員建立了內含人頭內七種組織類型的幾何模型，這些組織包括頭皮、頭骨、白色及灰色的腦物質、腦膜、腦脊髓液和空腔。一年多以來，他們為300多具屍體頭部的每個組織部位切片進行了分類，將他們觀察到的組織分割成1mm的立方體，再分配到不同組織類別進行電腦模擬。

Taylor還引進了數位化處理，將不同頭盔設計的電腦斷層掃描輸入電腦進行模擬，以評估每一種頭盔的保護能力。

在一個典型的爆炸模擬中，桑迪亞國家實驗室一部搭載96顆處理器的Red Sky超級電腦，大約要花費一天才能處理一毫秒的模擬時間，而要充份擷取一起爆炸的資料至少需要5毫秒，Taylor表示。

3D模擬運用了內含大量資料的人體頭部2D多色彩圖像。

在臨床上，Ford研究了13名遭受爆炸傷害後罹患輕度腦外傷的病患。有些人驚嚇過度完全失去知覺，甚至無法再正常工作，他說。

這項研究的合作夥伴希望招募更多患者，尤其曾曝露在爆炸環境中，雖未傷及皮肉卻出現意識喪失的退伍軍人，Ford說。這些患者也不能有曾經被鈍器重傷頭部或其他損傷歷史。

一旦Taylor和Ford能確定爆炸波的能量如何沉積在大腦中及產生損害，他們能能提供設計頭盔時所需的應力和能量閾值。

我想我們能夠理解導玫TBI的物理機制。這對我們理解因爆炸波衝擊和鈍器損傷之間的關聯也很有幫助，”Taylor說。一旦我們真的瞭解，我們就能更完善地保護士兵和運動員。”