Blast wave propagation into the brain

Abstract

Military personnel are exposed to blast waves during training and combat. IED’s (Improvised Explosive Devices) have for some time caused more fatalities than other threats for Norwegian soldiers, and there have also been cases of close-in detonation without fatalities. This report addresses damage to the brain as a result of a blast wave propagating through it. International experience indicates that such damage can occur at relatively small pressure levels. Even at levels occurring in peace time training with heavy weapons, the brain is affected by the same mechanisms, leading to small hemorrhages in brain tissue. Even if blast waves induced in training does not lead to TBI (Traumatic Brain Injury), the long term effects of repeated exposure is not known. This work tries to shed light on the underlying mechanisms that lead to both TBI from IEDs and mTBI (mild Traumatic Brain Injury) from training. This is done by numerical simulation of propagation of blast waves through the skull and brain, as well as taking advantage of data from animal experiments performed by other groups. First we validate our numerical method by performing 2D simulations of blast wave propagation inside a pig head and comparing with actual pressure measurements in pig brains. Then we apply 3D simulations to examine the response of the human brain to blast waves from different sources, including 155 mm artillery, 12.7 mm rifle and a moderate sized IED of 7.5 kg homemade explosives located at 4.5 meter distance. The various simulations provided new insight into the nature of blast wave propagation into the brain. The blast wave was seen to propagate into the brain directly through the skull bone with the general size and shape of the blast wave mostly unaffected by openings in the bone (nose, ears, eyes, throat). Thus, the skull bone does not offer much protection to the brain. However, the orientation of the head relative to the blast wave was seen to have a huge effect on the pressure distribution inside the brain. In general the full 3D results were consistent with the 2D results. We now have a validated numerical method for studying the pressure propagation, and other physical parameters, inside a human head exposed to a blast wave. This could be useful in further exploring the mechanisms that possibly lead to brain injury, both from “weak” shock waves from weapons and from “strong” shock waves from an IED.

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 avsjokkbølger 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.