Polacy opracowują modele numeryczne głowy. Chcą stworzyć kask przyszłości i poprawić bezpieczeństwo m.in. motocyklistów

Urazy głowy to jedne z głównych powodów niepełnosprawności i śmierci. Co czwarty ranny w wypadkach drogowych doznaje urazów głowy. W 2016 roku w Polsce zginęły w wypadkach motocyklowych 244 osoby. Bezpieczeństwo głów w razie upadków i wypadków mogą poprawić opracowywane modele numeryczne głowy. Takie prace trwają na Politechnice Wrocławskiej. Na badania naukowcy otrzymali 1,2 mln zł, a na ich realizację mają 3 lata. Efektem ich pracy będzie kask przyszłości, który może znaleźć zastosowanie nie tylko w motoryzacji, lecz także w sporcie.

– Model numeryczny głowy to odzwierciedlenie numeryczne obiektu rzeczywistego, czyli naszej głowy na ekranie komputera. Możemy mieć model człowieka, czyli manekin, którym testujemy np. wypadki samochodowe, ale dalszą i bardziej zaawansowana strukturą jest właśnie model numeryczny ciała człowieka na ekranie komputera, dzięki metodzie elementów skończonych – tłumaczy w rozmowie z agencją informacyjną Newseria Innowacje dr Mariusz Ptak, Wydział Mechaniczny Politechniki Wrocławskiej.

Modele numeryczne głowy powstają na bazie plików obrazu cyfrowego DICOM, będących wynikiem obrazowania medycznego, czyli tomografii komputerowej, zabiegów skanowania głowy i rezonansu magnetycznego.

– Takie pliki na Wydziale Mechanicznym możemy w prosty sposób obrobić i dostać geometrię głowy człowieka. Oczywiście nie jest to dzień czy dwa na otrzymanie modelu geometrycznego, potrzebujemy na to zazwyczaj kilku tygodni, ale niezbędny dla nas jest właśnie ten pierwszy człon, jakim są neurochirurdzy i wyjście od szpitali, z których pobierane są gotowe pliki DICOM – wskazuje dr Mariusz Ptak.

Na Wydziale Mechanicznym Politechniki Wrocławskiej trwają prace nad projektem „Numeryczny system wielowariantowych modeli głowy człowieka do symulacji patofizjologii urazów czaszkowo-mózgowych”. W wyniku badań powstanie geometria mózgu. Na badania, które mają trwać 3 lata, naukowcy z Politechniki Wrocławskiej dostali 1,2 mln zł dzięki grantowi z programu „Lider”, organizowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju. Walidacja projektu ma być dwuetapowa.

– Będziemy się opierać na podstawie danych literaturowych, które zostały przeprowadzone zarówno w latach 70., jak i w obecnym wieku na ludzkich zwłokach. Drugim etapem walidacji będzie współpraca z Uniwersytetem Przyrodniczym we Wrocławiu, gdzie zamiast obiektu rzeczywistego, którym jest nasz mózg, będziemy używać mózgu świńskiego, który jest bardzo zbliżony do struktury mechanicznej mózgu człowieka. Spreparowany mózg będzie poddawany różnym przyspieszeniom, które będziemy rejestrować. Kolejnym etapem będzie porównanie naszego modelu numerycznego z wynikami badań na obiekcie rzeczywistym mózgów świńskich – mówi ekspert.

Każdy test zostanie zarejestrowany, dzięki czemu będzie można szczegółowo ocenić, co dzieje się z mózgiem np. podczas wypadku, kiedy w głowę uderza ciężki przedmiot, w trakcie zderzenia. Efektem trzyletniego projektu mają być modele numeryczne mózgu: dziecka (w wieku ok. 3 lat), osoby dorosłej i osoby starszej (powyżej 60 lat). Każdy z nich ma powstać w dwóch kodach numerycznych – ABAQUS i LS-DYNA, używanych w USA i Europie.

 – Mózg ludzki oraz inne struktury głowy człowieka zmieniają się wraz z wiekiem. Naszym odbiorcą mogą być firmy motoryzacyjne, które dzięki modelom numerycznym mogą zastąpić uproszczone manekiny fizyczne i zastosować nasze modele numeryczne w kontekście badań bezpieczeństwa np. swoich pojazdów czy badań obrażeń pieszego podczas wypadków, co jest obecnie praktycznie niemożliwe – podkreśla przedstawiciel Wydziału Mechanicznego Politechniki Wrocławskiej.

Urazy mózgu są jedną z najczęstszych przyczyn niepełnosprawności i śmierci, a dochodzi do nich przede wszystkim podczas wypadków drogowych. Według bazy IDB (EU Injury Database) nawet co czwarty ranny w wypadkach drogowych doznaje właśnie urazów głowy. Według danych Komendy Głównej Policji, w 2016 roku doszło do niemal 2,3 tys. wypadków z udziałem motocyklistów, w których śmierć poniosło 232 kierujących jednośladami i 12 pasażerów. W porównaniu z 2015 rokiem zginęło o 18 proc. motocyklistów więcej.  

Dzięki prowadzonym badaniom będzie można stworzyć kaski, które możliwie w jak największym stopniu ochronią przed negatywnymi skutkami wypadków. Zdaniem eksperta idealny kask powinien dodatkowo też chronić odcinek szyjny.

– Kaski powinny uwzględnić przyspieszenia kątowe. Obecnie testowane są kaski tylko na przyspieszenia liniowe, czyli tzw. upadek, bez uwzględnienia prędkości albo przyspieszenia kątowego, rotacji naszej głowy. Kaski przyszłości powinny być również przygotowane na podwójne uderzenia – kaski, które są produkowane dzisiaj, pozwalają przeżyć nam pierwsze uderzenie w przypadku wypadku motocyklowego, ale nie są przygotowane na drugie i trzecie – przekonuje dr Mariusz Ptak.

W „Journal of the American Medical Association” opublikowano badania przeprowadzone na 202 zmarłych osobach, które z różnym zaangażowaniem grały w futbol amerykański, w tym 111 profesjonalnych zawodników ligi NFL. Wynika z nich, że na Chroniczną Encefalopatię Pourazową (CTE) cierpiało 87 proc. wszystkich przebadanych oraz aż 99 proc. spośród zawodników NFL. CTE to choroba spowodowana częstymi, powtarzającymi się urazami głowy. O problemie tym opowiada film Wstrząs z Willem Smithem w roli głównej. Obecne kaski, wykorzystywane nawet w tak profesjonalnych ligach, jak NFL, nie chronią zatem głowy przed częstymi urazami. Kask przyszłości dopiero powstaje.

– Kask przyszłości powstaje, jesteśmy na etapie patentowania naszego rozwiązania, które dotyczy materiału zastosowanego w kasku, jak i ochrony przed podwójnym i potrójnym uderzeniem, tzw. multi-impact, aby kask był przygotowany nie tylko na pierwsze uderzenie, lecz także na kolejne – tłumaczy dr Mariusz Ptak.