Blast wave propagation into the brain

Militært personell utsettes for sjokkbølger både under trening og kamp. IED’er (Improvised Explosive Devices) har i en periode ført til flere dødsfall for norske soldater, og det har også vært en rekke hendelser med ”nærkontakt”. Denne rapporten ser på hjerneskade som følge av sjokkbølger. Internasjonal erfaring tyder på at slik skade kan skje selv ved relativt små trykk. Til og med ved trykknivåer som soldatene utsettes for ved trening med tunge våpen i fredstid, påvirkes hjernen av samme fysiske mekanismer, noe som kan føre til små blødninger i hjernevevet.

Selv om dette ikke fører til TBI (Traumatic Brain Injury), så er langtidseffektene av gjentatte slike påvirkninger ukjent. Dette arbeidet prøver å kaste lys over de underliggende mekanismene som fører til både TBI fra IED’er og mTBI (mild Traumatic Brain Injury) fra trening. Dette gjøres ved numeriske simuleringer av propagasjon av sjokkbølger gjennom hodeskallen og hjernen, samt ved å utnytte data fra dyreforsøk utført av andre grupper. Vi validerer først den numeriske metoden ved å utføre 2D-simuleringer av sjokkbølger som propagerer inn i en grisehjerne og sammenligne med faktiske målinger. Deretter bruker vi 3D-simuleringer til å undersøke responsen til en menneskehjerne på sjokkbølger fra forskjellige kilder, inkludert 155 mm artilleri, 12.7 mm rifle og en IED av moderat størrelse (7.5 kg HME (hjemmelaget eksplosiv) på 4.5 meters avstand.

De forskjellige simuleringene gav oss ny innsikt i hvordan sjokkbølger propagerer inn i hjernen. Vi så at bølgen ble overført til hjernen direkte via hodeskallen og at sjokkbølgens form stort sett var uavhengig av hodeskallens åpninger (nese, øyne, ører etc.). Hodeskallen gir derfor ikke noen særlig beskyttelse mot sjokkbølger. Imidlertid hadde hodets orientering i forhold til sjokkbølgen stor effekt på trykkfordelingen i hjernen.

Generelt var resultatene fra 3D-simuleringene konsistente med 2D-resultatene. Vi har dermed en validert numerisk metode for å studere trykkpropagering, og andre fysiske parametere, i et menneskehode som utsettes for en sjokkbølge. Dette kan være nyttig for å videre utforske mekanismene som muligens fører til hjerneskade, både fra ”svake” sjokkbølger fra våpen eller ”sterke” sjokkbølger fra en IED.