突然冲击:模拟MMA头部射击

斯蒂芬·蒂尔南
机械工程高级讲师
塔拉赫特理工学院
爱尔兰都柏林

随着综合格斗和许多其他运动中头部受伤的人数不断增加，医生们很难准确诊断脑震荡。使用Ansys LS-DYNA，医生可以确定大脑损伤的大小和位置，使他们能够改善脑震荡的治疗。

临床医生不清楚如何测量头部撞击造成的损伤，以及如何诊断脑震荡，因为磁共振成像(mri)、计算机断层扫描(CT)和血液检查通常会给出不确定的结果。脑震荡是一种轻微的创伤性脑损伤，通常发生在体育活动中。

迈克尔·鲍尔博士是爱尔兰都柏林博蒙特医院的临床护理负责人，该医院专门治疗头部受伤，其中许多是在身体接触运动中发生的。几年前，他与Ansys在爱尔兰的渠道合作伙伴CADFEM爱尔兰公司合作，将工程模拟与临床专业知识相结合，研究脑震荡的机制。他们试图了解模拟软件是否可以帮助确定脑震荡的原因，减少脑震荡的数量并改善脑震荡的治疗。

成功的演示将验证模拟作为临床医生指导运动相关脑震荡管理的重要工具。

综合格斗运动员脑震荡前后的核磁共振成像

爱尔兰CADFEM和Tallaght理工学院(ITT)的研究人员对这一挑战表示欢迎。该团队依靠科学来量化头部撞击，这需要脑应变测量和Ansys LS-DYNA模拟，CADFEM爱尔兰公司提供技术支持，亚马逊云服务和软件许可。

脑震荡研究还纳入了都柏林三一学院(TCD)马修·坎贝尔博士的遗传学系团队，他开创了一种分析对比增强MRI图像的新方法，以确定综合格斗选手赛前和后的血脑屏障变化。此外，都柏林圣詹姆斯医院的医生在战斗前后对战斗人员进行了医疗检查。

研究人员在综合格斗(MMA)比赛中收集了头部加速度数据，并将这些信息用于人类头部数字模型的有限元分析(FEA)中，以识别和测量大脑的压力。综合格斗是一项全面接触的竞技运动，包括拳击、自由搏击、空手道、摔跤、柔道和柔术。拳击手戴着轻便的手套，但没有头部保护。

研究人员之所以研究综合格斗选手，是因为在比赛中频繁撞击头部可以收集到重要的头部加速度数据，从而为撞击后的头部运动提供独特的见解。

模拟应变数据、核磁共振数据和医疗筛查使该小组能够了解头部严重撞击后发生的大脑变化的性质、严重程度和位置。

展望未来:让体育运动更安全

利用护齿传感器和LS-DYNA模拟数据扩展到MMA之外，因为仪器护齿很快就会商业化。运动员将获得他们的加速度数据——但他们将如何处理这些数据呢?这些数据意味着什么?

今天，当运动员经历高加速度撞击时，球员会离开比赛，让医生进行临床评估，并确定球员何时可以回来。在未来，通过应用基于LS-DYNA模拟的工作流程，临床医生可以获得球员的加速水平，在云中快速运行模型，将其转换为应变水平，并计算大脑不同部位的水平。接收到这些数据后，医生就可以做出临床解释和高度准确的评估，以确定球员何时可以重返赛场。

使用这项技术，运动员的加速水平数据可以被收集并存储在云端多年，以供临床分析使用。例如，当玩家在遭受严重撞击后去医院时，临床医生可以访问玩家的加速水平历史，评估最近的紧张水平，得出诊断并提供准确的评估。

另一个潜在的用途是监测和管理儿童在运动中的健康状况。孩子们可以戴上廉价的装有传感器的护齿器，如果孩子受到严重影响，它会通过短信提醒父母。

随着孩子的成熟，云可以用来收集和储存在体育活动中发生的大脑紧张。这些数据将使医生能够长时间运行许多模型，帮助他们确定压力和损伤的积累。

当云存储数据时，它也可以更新这个人的数字孪生——他们的虚拟副本。这两者将在数字上交织在一起，使人们能够将牙套传感器数据传输给他们的虚拟同行，这反过来又为临床医生提供预测性的、知情的见解。

一名未受伤的综合格斗选手的脑劳损显示矢状和横切面

脑震荡的综合格斗选手的脑劳损显示矢状和横切面

配备传感器

为了有效地测量头部加速度和撞击的严重程度，研究人员需要一个加速度计来捕获输入数据。他们评估了许多加速度计，从贴在运动员耳朵上的传感器到贴在头带上的传感器。这些传感器在传感器和头骨之间产生了一些滑动，影响了精度。

研究人员最终选择了一种具有6个自由度的护齿装置。它包括一个三轴加速度计和陀螺仪，可以记录撞击的线性加速度和角速度。由斯坦福大学(Stanford University)设计的这种护齿器是用牙模制造的，它可以帮助它与格斗者的头骨紧密结合，从而提高准确性。

但仅凭传感器数据并不能说明全部情况。研究人员使用了全球人体模型联盟(GHBMC)开发的人体模型的数字版本——一种由汽车制造商和美国大学联合开发的最先进的全身模型——来破译应变、压力和应力。事实证明，使用整个身体是不必要的，因为短时间的加速撞击——通常在5到10毫秒之间——只会影响头部和颈部。通过简化模型并分离头部和颈部，研究人员减少了计算时间。修正后的模型由大约20万个元素组成，测量了集中在头部重心上的加速度。

研究人员选择LS-DYNA模拟软件在GHBMC上运行，这是为数不多的能够测量头部撞击持续时间非常短的显式求解器之一。这将有助于确定大脑所经历的压力的位置和程度，并使人们能够理解是什么导致了损伤和脑震荡。

综合格斗剖析

在这项研究中，研究人员分析了25名优秀的业余和专业综合格斗选手，记录了8次对打和8场比赛中400多次头部撞击。

在战斗中，战斗机护齿内的微芯片收集1000赫兹的线性数据和8000赫兹的角速度数据，用一个截止频率为300赫兹的四阶巴特沃斯低通滤波器过滤数据。只有当线性加速度水平超过10g时，护齿器才会记录数据。研究人员利用数值微分来计算旋转加速度。

每次打架后，研究人员通过蓝牙将护齿连接到笔记本电脑上，下载大量头部加速度数据。

接下来，研究人员将加速度数据与打斗视频记录同步，逐帧分析视频，以找到并选择角加速度最高水平的撞击——通常高于20g至30g——因为这些通常会产生脑震荡。

然后使用LS-DYNA在数字GHBMC模型的头部上运行选定的冲击载荷，将数据转置到头部重心的节点上，并转置到显示与模型相同坐标系的坐标系中。此外，对角速度数据进行微分，得到角加速度。模拟只需要三个半小时，在亚马逊云上使用36个核心。

将运动员季前和赛后的核磁共振扫描与模拟数据进行比较，研究人员可以将高应变区域联系起来，以揭示撞击是否破坏了这些区域的血脑屏障，从而导致脑震荡。

Ls-dyna模拟大获全胜

LS-DYNA被证明对于确定大脑应变的位置和大小至关重要，并提供了对影响机制的详细见解，如果没有模拟，这是不可能的。结果显示，战斗机更容易受到侧面头部撞击，这会造成更多的压力。在侧面撞击之后，头部突然扭曲，它的旋转加速度将危险的机械振动发送到大脑的胶质区——这是一束神经，作为交流中心，连接大脑的左右半球。大脑胼胝体区域的损伤会扰乱大脑半球之间的数据传输，可能导致脑震荡和严重的神经问题。

同样重要的是，LS-DYNA还帮助研究人员建立应变、应变速率和压力数据，以确定不发生损伤的阈值。

此外，这项研究标志着LS-DYNA和MRI成像首次建立了在特定位置显示血脑屏障损伤的相关性。这一验证进一步增强了人们对模拟模型的信心。

临床医生和体育当局最终努力防止严重的头部伤害。一旦他们更好地理解了可能导致严重创伤的打击，这一点就可以实现，而模拟可以增强这种理解。

这种创伤性脑损伤研究方法可以应用于其他运动项目，以开发增强型设备，例如可以抵消头部侧面撞击后果的加固头盔。此外，通过分析最危险的打击，相关体育当局可以调整规则，以防止未来发生危险的影响。