Sử dụng ANSYS mô phỏng chấn động não khi chơi thể thao

Đăng ngày 3 tháng 2, 2015 bởi Thierry Marchal, Giám đốc phụ trách mảng công nghiệp các sản phẩm chăm sóc sức khỏe, xây dựng tiêu dùng tại ANSYS

Các mùa giải NFL Super Bowl (Siêu cúp bóng bầu dục Mỹ) luôn thu hút nhiều sự quan tâm và năm nay, xin chúc mừng đội New England Patriots đã giành chức vô địch.

Nhưng ngay sau chiến thắng của đội Pats thì các cuộc tranh cãi bắt đầu xuất hiện. Cầu thủ Cliff Avril chơi ở vị trí phòng ngự của Seahawks đã phải chia tay với giải Super Bowl trong quý 3 sau khi được chẩn đoán bị chấn động mạnh. Còn tay bắt bóng Julian Edelman của Patriots được tiếp tục chơi sau khi vượt qua cuộc kiểm tra chấn động trong suốt mùa giải Super Bowl vào chủ nhật này.

Sự cần thiết của việc giảm thiểu tổn thương não trong các va chạm

Bóng bầu dục hấp dẫn người hâm mộ bởi nó yêu cầu khả năng điều khiển cơ thể một cách điêu luyện để đạt hiệu quả cao, chiến lược đào tạo và tập luyện đều phải chuyên nghiệp cho một môn thể thao phức tạp. Trong khi quan sát các cầu thủ trên sân một cách thích thú, tôi cũng cảm thấy rất lo lắng khi các vận động viên có thể gặp chấn thương hoặc tổn hại về sức khỏe khi chơi bóng.

Năm 2013, Hội Y học Thể thao Hoa Kỳ (AMSSM) đã đưa ra một tuyên bố dự đoán có khoảng 3,8 triệu chấn động trong thể thao hàng năm – với hơn 50% các chấn thương dạng chấn động không được báo cáo. NFL hiện đang đặt ra những quy định mới để giảm thiểu nguy cơ tổn thương não sau chấn thương (Traumatic Brain Injury – TBI).

Nếu chúng ta không thể loại bỏ các va chạm đã trở thành một phần của môn thể thao này, chúng ta hoàn toàn vẫn có thể giảm thiểu chúng và tiến tới hy vọng ngăn chặn hoàn toàn.

Trao đổi với một người bạn của tôi, Tiến sĩ Jean-Marc Raymacker - bác sĩ thần kinh học của bệnh viện St. Peter Hospital ở Ottignies, Bỉ. Tôi đã được biết rằng sóng va chạm (shock wave) được gây ra bởi các va chạm, nhanh chóng lan truyền từ trước ra sau não, không những có thể hủy hoại cục bộ các tế bào, mà còn làm biến dạng các mạch máu.

Điều đó dẫn đến các vấn đề tâm lý học thần kinh (neuropsychology) chẳng hạn như vấn đề về khả năng tập trung. Giảm thiểu tổn thương tới não bằng việc sử dụng mũ bảo hiểm để hấp thụ bớt sóng va chạm và giảm ứng suất khuếch đại đột ngột từ sóng va chạm phản xạ vào não là giải pháp dễ dàng nhất.

Sóng va chạm lan truyền trong não cầu thủ: chúng ta gần như có thể cảm thấy sự đau đớn.

Đột phá trong việc sử dụng mô phỏng để phát triển các sản phẩm giúp hấp thụ sóng va chạm

Một sáng kiến mang lại hiệu quả yêu cầu cách thức nhanh chóng kiểm tra các hiệu chỉnh thiết kế khác nhau – một cách để đo va chạm của các thay đổi đó là sử dụng nguyên mẫu ảo hoàn toàn. Mô hình hóa ứng xử của não người dưới các điều kiện khác nhau là một thách thức lớn và đáng ngại.

Các nhà nghiên cứu đã mô phỏng một vài chức năng liên quan đến não bao gồm điều trị chứng phình động mạch, Deep Brain Stimulation (DBS) cho bệnh Parkinson và bệnh động kinh; neuromodulation để điều trị trầm cảm và trợ giúp phục hồi hậu đột quỵ.

Việc đang là đối tác với các công ty hàng đầu như Simpleware giúp ANSYS tạo ra được mô hình hình học chi tiết của đầu người, bao gồm các bộ phận khác nhau của não, và mũ bảo hiểm bóng bầu dục. Điều đó cho phép các chuyên gia mô phỏng của chúng tôi, Chris Quan và Bence Gerber, tạo một mô hình tham số bao gồm cả mũ bảo hiểm và hệ thống đầu đặc trưng có cả não của vận động viên.

Đường cong biểu diễn sự phát triển của ứng suất trong não

Ngay sau va chạm, ứng suất đột ngột tăng trong não. Việc sử dụng hợp lý các vật liệu hấp thụ sẽ giảm đáng kể mức độ ứng suất não phải chịu.

Các kết quả mang lại thông tin đáng giá về độ lớn và sự lan truyền của ứng suất trong các phần khác nhau của não phụ thuộc vào vị trí va chạm. Hiệu chỉnh các đặc tính vật liệu của một số bộ phận mũ bảo hiểm để kiểm tra nhiều vật liệu hấp thụ sóng va chạm hơn chẳng hạn như chất đàn hồi hoặc vật liệu composite cho thấy các ứng suất não phải chịu đã giảm đáng kể.

Trong tương lai, chúng ta có thể làm các mũ bảo hiểm tùy biến cho mỗi cầu thủ, sử dụng sản xuất tự động dựa trên bản quét (scan) đầu của cầu thủ và kết hợp với việc mô phỏng các va chạm tiềm tàng.

Tiến sĩ Raymacker đã ngạc nhiên và thích thú với các kết quả mô phỏng này, trích dẫn một thông cáo AAN gần đây: “Bạn chỉ có một bộ não và điều quan trọng là xử lý nó tốt và nghe theo lời khuyên chỉ dẫn của Viện Thần kinh học Hòa Kỳ về chấn động trong thể thao.”

Ông đang khuyến khích các nhà phát triển phần mềm, nhà thiết kế mũ bảo hiểm và các đồng nghiệp thần kinh học của mình hợp tác chặt chẽ để thiết kế trang thiết bị an toàn hơn và tạo ra các mô hình não cao cấp hơn phản ảnh các chấn thương trong các môn thể thao như hockey trên băng hay đấm bốc (boxing).

Đặc biệt lưu ý tới các va chạm nhỏ lặp lại, đặc biệt trên các vận động viên trẻ có não vẫn đang trưởng thành, là cần thiết để ngăn chặn nguy cơ tàn tật trong tương lai.

Nếu chúng ta có mất đôi phút để giải thích làm cách nào bơm phồng những quả bóng bầu dục đúng cách, thì chúng ta có thể mất thêm vài tháng nữa trước khi mùa bóng tiếp theo diễn ra, với các thiết kế trang thiết bị mới để bảo vệ tốt hơn các vận động viên của chúng ta.

Đó là thời gian để tập hợp lại các đồng nghiệp của tôi - Chris và Bence, đối tác của chúng tôi Simpleware, các nhà thần kinh học, các khách hàng để đảm bảo mùa Super Bowl 2016 sẽ an toàn hơn với các ngôi sao.

---

Nguồn: ANSYS Inc.

Làm ơn ghi rõ "Nguồn Advantech, Jsc." hoặc "Theo www.advantech.vn" nếu bạn muốn phổ biến thông tin này