网球场上的意外风险：脑损伤

他们利用广泛用于预测车祸中可能出现的头部伤害的相同技术进行了详细的计算研究，研究结果发表在《美国机械工程师学会应用力学杂志》上。

SMU 的机械工程学教授高鑫林和曾与他共事的前 SMU 博士生李永强利用计算机对人体和网球进行建模，以确定如果网球以不同的速度、位置和角度击中一个人的头部会发生什么情况。

他们发现

• 轻度脑外伤或脑震荡很少见，但当网球的速度超过每秒 40 米时就会发生。从这个角度来看，这比猎豹跑得还快。

• 与被击中前额或头顶相比，球击中头部侧面最有可能造成头部受伤。

• 当球以 90 度角击中人时，头部受伤的情况也比 30 度角或 60 度角更常见。

• 但没有发现球的旋转对造成头部伤害有任何重大影响。

高说："网球是一项世界性运动，每年有数千万人参加，因此了解网球撞击对头部造成的伤害并采取防护措施非常重要。"他和现任南京航空航天大学副教授的李特别专注于确定网球是否会造成严重到足以被归类为脑外伤的头部伤害--当头部或身体受到猛烈撞击、打击或颠簸时，大脑的正常功能会受到干扰。

绘制撞击图：一项计算研究显示了被网球击中的三个不同位置--正面（左）、侧面（中）和冠部（右）--所产生的影响。资料来源：SMU

脑震荡被归类为"轻度"脑外伤，因为它们不会危及生命。但脑震荡会造成持续数周或数月的问题，如头痛、头晕和注意力难以集中。

尽管首席研究员高表示，对妇女和儿童的研究结果可能相似，但还需要进行更多的研究。

在这项研究中，研究人员使用了两个所谓的有限元（FE）模型：一个是网球模型，另一个是人的头部模型。

这个头部模型由全球人体模型联盟提供，该联盟制作了逼真的男性、女性和儿童三维模型，可用于碰撞模拟。研究人员经常使用这些（FE）头部模型来研究头部撞击可能造成的脑损伤。

高和李根据对真实网球的实验，创建了一个计算机生成的网球。

理解有限元建模的一个简单方法是将其视为将一个大型数学问题分离成一系列较小的问题或有限元。这样就更容易研究整体问题。

有限元建模广受工程师们的欢迎，例如，汽车制造商可以利用有限元建模来评估汽车碰撞对人体造成伤害的可能性。

SMU 的研究使用有限元模型来预测大脑在受到外力作用时的行为。研究人员通过给一个名为 LS-DYNA 的计算机系统提供几种数学算法来实现这一目的，这些算法代表了球或人头部的特征。例如，一种用于测试橡胶弹性的算法（称为奥格登超弹性模型）被用来表示脑组织的行为。

根据这些方程式，LS-DYNA 对现实生活中可能发生的情况进行了三维模拟。

通过这些模拟测量结果，研究人员可以确定网球的力量--以不同的速度或击中头部的不同部位--是否足以使人的脑组织撞击头骨，从而导致脑震荡或更严重的后果。

为了确保他们的研究结果准确无误，高和李利用以前的创伤性脑损伤研究，如对人体尸体的实验和对已知脑震荡患者的观察进行了验证。

高和他的研究团队还发表了关于高尔夫球击打和弹道撞击对头部造成伤害的研究。

参考文献：《网球撞击造成的头部伤害：计算研究》，作者：李永强、高鑫林，2023 年 11 月 3 日，《应用力学学报》。

doi: 10.1115/1.4063814

编译来源：ScitechDaily