突然冲击:模拟MMA爆头

斯蒂芬·蒂尔南
机械工程高级讲师
塔拉理工学院
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数量持续增加，医生们很难准确诊断脑震荡。使用Ansys LS-DYNA，医生可以确定脑损伤的程度和位置，从而改善脑震荡的治疗。

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)和血液测试通常会给出不确定的结果。脑震荡是一种轻度的创伤性脑损伤，通常发生在体育活动中。

迈克尔·鲍尔(Michael Power)博士在爱尔兰都柏林的博蒙特医院(Beaumont Hospital)领导临床护理，专门治疗头部损伤——其中许多是在接触性运动中发生的。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结合起来，研究脑震荡的机制。他们试图了解模拟软件是否可以帮助定义脑震荡的原因，减少脑震荡的数量并改善脑震荡的治疗。

一个成功的演示将验证模拟作为临床医生指导管理运动相关脑震荡的关键工具。

MMA运动员脑震荡前后的MRI

CADFEM爱尔兰与塔拉理工学院(ITT)的研究人员对这项挑战表示欢迎。该团队依靠科学来量化头部撞击，这需要大脑张力测量和Ansys LS-DYNA模拟，CADFEM爱尔兰提供技术支持、亚马逊云服务和软件许可。

脑震荡研究还包括都柏林三一学院(TCD)的马修·坎贝尔博士的遗传系团队，他们首创了一种新方法，通过分析对比增强的MRI图像来确定MMA战士在战斗前后的血脑屏障变化。此外，都柏林圣詹姆斯医院的医生在比赛前后对选手进行了医学检查。

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)，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，融合了拳击、自由搏击、空手道、摔跤、柔道和柔术等多种格斗风格。拳手戴轻便手套，但没有头部保护。

研究人员之所以对综合格斗选手进行研究，是因为在比赛中频繁的头部撞击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、MRI数据和医疗筛查使研究小组能够了解严重头部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

牙套传感器和LS-DYNA模拟数据的利用不仅限于MMA，因为仪器式牙套很快就会上市。运动员将可以获得他们的加速度数据，但他们将如何使用这些数据呢?这些数据意味着什么?

如今，当一名运动员遭遇高加速度撞击时，玩家会离开游戏，让医生进行临床评估，并确定玩家何时可以返回。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，并计算大脑不同部分的水平。收到这些数据后，医生就可以做出临床解释，并做出高度准确的评估，以确定玩家何时可以重返游戏。

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，供以后用于临床分析。例如，当玩家在严重碰撞后去医院时，临床医生可以访问玩家的加速度水平历史，评估最近的扭伤水平，做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。孩子们可以戴上装有传感器的廉价护齿套，如果孩子受到严重撞击，它会通过短信提醒父母。

随着孩子的成熟，云可以用来收集和存储在体育活动中发生的大脑紧张。这些数据将使医生能够在一段时间内运行许多模型，帮助他们确定应力和损伤的积累。

当云存储数据时，它也可以更新这个人的数字双胞胎——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虚拟对手，从而为临床医生提供可预测的、知情的见解。

一名未受伤的综合格斗选手的脑部劳损图显示矢状和横切面

综合格斗运动员脑震荡的脑损伤显示矢状和横切面

准备好传感器

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捉输入数据。他们评估了大量的加速度计，从贴在运动员耳朵上的传感器到绑在发带上的传感器。这些传感器在传感器和头骨之间产生了一些滑移，影响了精度。

研究人员最终选择了一种具有六自由度(DOF)的护齿装置。它包括一个三轴加速度计和陀螺仪，可以记录冲击的线性加速度和角速度。由斯坦福大学(Stanford University)设计的护齿套采用了牙科印模，有助于它与战斗机的头骨紧密结合，以提高精度。

但仅靠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)开发的数字版本人体模型——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。事实证明没有必要使用整个身体，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。通过简化模型并隔离头部和颈部，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，测量的加速度集中在头部的重心上。

研究人员选择LS-DYNA模拟软件在GHBMC上运行，该软件是少数能够测量极短时间头部撞击的显式求解器之一。这将有助于确定大脑所经历的紧张的位置和程度，并有助于了解造成损伤和脑震荡的原因。

综合格斗解剖

在这项研究中，研究人员分析了25名优秀的业余和专业MMA拳击手，记录了8次对练和8场竞技比赛中400多次头部撞击。

在战斗中，战斗机护齿套内的微芯片收集1000 Hz的线性数据和8000 Hz的角速度数据，并用配备了300 Hz截止频率的四阶巴特沃斯低通滤波器对数据进行过滤。齿套仅在线性加速度水平超过10 g时记录数据。研究人员利用数值微分来计算旋转加速度。

每次比赛结束后，研究人员通过蓝牙将护齿套连接到笔记本电脑上，下载大量头部加速数据。

接下来，研究人员将加速度数据与战斗视频记录同步，逐帧分析视频，以寻找和选择角加速度最高的撞击水平——通常在20到30克以上——因为这些通常会产生脑震荡。

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

将拳击手赛季前和比赛后的MRI扫描与模拟数据进行比较，使研究人员能够将高压力区域联系起来，以揭示冲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损伤的位置和程度至关重要，并提供了关于影响机制的详细见解，如果没有模拟，这是不可能实现的。结果显示，战斗机更容易受到侧头撞击，从而产生更大的压力。在侧撞之后，头部突然扭转，其旋转加速度将危险的机械振动发送到大脑的胼胝体区域——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破坏两个半球之间的数据传输，可能会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、应变率和压力数据，以确定低于此阈值就不会发生损伤。

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。该验证进一步提高了仿真模型的可信度。

临床医生和体育权威最终会努力防止严重的头部损伤。一旦他们更好地理解可能导致严重创伤的打击，就可以实现这一点，而模拟增强了这种理解。

这种创伤性脑损伤的研究方法可以应用于其他运动，以开发增强的设备，例如可以对抗侧头撞击后果的增强头盔。此外，通过分析最危险的撞击，相关体育部门可以调整规则，以防止未来发生危险的撞击。