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炸彈的威力,會對腦部有什麼樣的傷害? 電腦模擬告訴你

人腦受到震波影響,看不出外傷

2014年七月的最後一天,高雄發生了石化氣爆事件,數十人死亡,數百人受傷,我們不願在去想整件事情的悲傷。石化氣爆的能量,就跟炸彈一樣。隨著炸彈爆開來,伴隨著火燒、震動、坍塌、熱氣、巨響,都讓現場的受害者感受極端的痛苦。但還有一個傷害,較容易被忽略,因為看不出外傷,影響也是比較緩慢的,那就是爆炸產生的巨大震波對人體的器官的影響。 試想想,雖然逃過現場的立即傷害了,命也保住了,但是,這一遭留下什麼痕跡?

自從美國派兵伊拉克和阿富汗,每年都有超過三十萬回到美國的士兵,因為戰地的無預警炸彈爆炸的影響,帶有腦部傷害。這種創傷型的腦部傷害,可以是輕微的症狀,像是揮之不去的頭痛和噁心,到嚴重的記憶或者認知受損。

電腦模擬人腦受震波影響
Credit: MIT News

震波對人腦的傷害

2007年開始,美國國防部認知道這個問題的嚴重和複雜性,決心投資創傷型腦部傷害的研究。儘管如此,科學家對腦內部產生的傷害,大部分的知識來自於動物實驗,對於爆炸對人腦的影響所知有限。現在MIT的研究員,根據先前的動物實驗,發展了新的比例定律 (scaling law)模型,來預測爆炸的震波對人類腦部的傷害。這個模型,可以幫助設計士兵的安全帽,也可以用來幫助臨床對腦部傷害的診斷,尤其針對看不見的腦部傷害。以前的比例定律,認為人腦相較動物腦對爆炸威力更有彈性。但是,MIT的研究團隊,研究得到相反結論。事實上,人類頭殼骨的厚度相對腦部大小而言,較動物脆弱。

為了了解腦內部的傷害,科學家利用模擬的方式,模擬人、豬、老鼠的腦,給予不同強度的爆炸力。這種模擬,可以預估爆炸產生的震波自頭殼到腦部傳遞過程的影響。根據腦內壓力,研究員發展了一個方程式,或者稱做比例定律,來預測各種生物腦部受到震波的傷害。因為用電腦模擬,所以可以自由增減震波強度,也可以減少動物實驗。

爆炸產生的波動,是ㄧ種震波,或者說是因為空氣受到壓縮,急著衝出爆炸中心而產生。除了爆炸碎片和化學傷害,這種震波也會對像是肺臟和腦部產生嚴重傷害。震波經過腦部,可能重擊腦內軟組織,造成慘烈的破壞。

電腦如何模擬人腦

2010年,MIT的Radovitzky研究群,就建立了以影像和電腦結合的人頭模型,用來描述受壓的空氣如何通過軟組織。透過這個模型,研究員發現高能量的爆炸波動式如何輕易的經過頭部的開放位置,像是眼睛,鼻孔進入腦部,同時,了解適當的面罩是如何預防這樣的傷害。自此之後,研究團隊也對豬和老鼠發展了類似的模型,來截取腦部受到震波後的機械反應。

現在,這個團隊,利用數學模型,精確的建立了頭骨,腦和周圍組織,包含他們的密度,體積,結構,計算爆炸的壓力震波經過腦部,如何傳遞擴散開來。這種電腦模擬的優點之一,就是可以知道內部的變化。

人腦的電腦模擬模型
Credit:MIT News

模擬結果得到新的理論

整體而言,模擬結果顯示,頭殼和其他生物結構,就像一個保護殼,可以削弱震波的力量,如果這層結構越厚,傷害越小。人類相較其他動物的頭殼而言,腦部傷害的風險較大。等等,這樣的結論正確嗎?

的確,過去的理論,認為生物體對爆炸的脆弱性,根據生物體的質量而不同。這種理論,忽略了物理結構的功能。如果按照過去的理論,人類的體重較豬或老鼠重,那麼腦應該較不易受到傷害。其實這樣的理論,起自爆炸對肺臟的影響。爆炸導致肺臟的損害,例如出血、水腫,這些都和質量有關。也就是說越大的動物,肺臟的傷害越小。根據這項理論,過去也為士兵開發出防彈背心。所以過去十年,在伊拉克的士兵,都沒有什麼肺臟受傷害的例子。現在,研究將著重在腦部的傷害研究,另外,也和聽力專家合作,耳膜破裂的治療案例。

經過電腦模擬,可以精確看到爆炸震波對腦部的影響,是電腦核磁共振影像,無法看到的。

文章參考:MIT News;圖片來源:Jose-Luis Olivares/MIT A Health Blog CC Licensed。

【作者簡介】 BioMeder

生醫人網摘的編輯。熱愛創新和用腦袋的事物,堅持文章要有邏輯,藉由報導、解析生醫領域的創新和應用來傳播知識。

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