Rozmowa z dr. inż. Mariuszem Ptakiem o tym, jak się najlepiej zabezpieczyć przed urazem głowy

Dr inż. Mariusz Ptak, tegoroczny laureat Nagrody Naukowej POLITYKI w kategorii Nauki Techniczne, o tym, jak łatwo o uraz na drodze, ringu lub lodowisku, ale też jak w prosty sposób można się przed jego konsekwencjami zabezpieczyć.

PAWEŁ WALEWSKI: – Co pan myśli o tych, którzy na hulajnogach i rowerach miejskich jeżdżą bez kasków?

DR INŻ. MARIUSZ PTAK: – Postępują nierozważnie, ale nie ma przepisów, które by to regulowały. Z drugiej strony do takiego wypożyczanego pojazdu bardzo rzadko jest dołączony kask – to mimo wszystko rzecz osobista. Ale znów nosić ją zawsze przy sobie to spora niewygoda. Na szczęście są już pomysły na ochronne nakrycia głowy, które przypominają zwykłą czapkę z daszkiem i które można schować do podręcznej torby. Mój zespół wykonał taki prototyp.

Czy obecne kaski zapewniają skuteczną ochronę?

Tak, jeśli spełniają kilka warunków.

Przede wszystkim muszą być dobrze dopasowane i opięte. A ja często widzę, jak dzieci w tym samym kasku jeżdżą na rowerkach przez kilka sezonów, mimo że szybko rosną. Dorośli też powinni zmieniać te nakrycia głowy co parę lat, bo niszczą się pod wpływem promieniowania słonecznego i wilgoci. Kaski przeznaczone dla motocyklistów są trwalsze, ale i tak spełniają swoją funkcję tylko połowicznie. Testowane są na przyspieszenia liniowe, czyli na ryzyko upadku, bez uwzględnienia rotacji głowy i możliwości podwójnego uderzenia. A przecież podczas kraksy motocyklista nierzadko koziołkuje, wiele razy uderzając o asfalt i inne przeszkody. Polistyren, z którego jest wytworzony kask, pęka, bo traci energochłonność, czyli zdolność pochłaniania energii w trakcie takiego wypadku. Producenci przekonują jednak, że spełniają wymogi bezpieczeństwa.

Oczywiście lepiej jeździć w kasku niż bez, ale obecne normy według mnie kompletnie nie przystają do warunków panujących na drogach. Dlatego mimo homologacji mogą nie ochraniać przed skutkami najcięższych urazów. Zwłaszcza że testowane w nich „głowy” to metalowe kule z zamontowanym czujnikiem przyspieszenia. Jaki zatem według pańskiego zespołu powinien być kask przyszłości?

Pewnych rzeczy w fizyce nie przeskoczymy. Ale możemy np. zwiększyć grubość kasku lub zrobić go z innego materiału, tym samym podnosząc jego energochłonność. Jednym z najlepszych okazał się zwykły korek. On świetnie absorbuje energię, więc wykonane z niego ochronne nakrycia głowy będą przygotowane nie tylko na pierwsze uderzenie, lecz także na kolejne. Równie dobrym materiałem może być poliuretan nasączony tzw. płynami nienewtonowskimi, jak np. mączka ziemniaczana wymieszana z wodą. One nie mają stałej lepkości, więc twardnieją pod wpływem szybkich uderzeń.

Co było impulsem do rozpoczęcia takich badań?

W mojej rodzinie wiele lat temu wydarzył się groźny wypadek motocyklowy, więc sprawa ma dla mnie wymiar osobisty. Ale już na początku pracy naukowej zauważyłem, że miliardowe nakłady idą na poprawę bezpieczeństwa kierowców – sprawdza się, jak działają w samochodach pasy, poduszki gazowe, strefy zgniotu

Dr inż. Mariusz Ptak jest adiunktem w Katedrze Konstrukcji i Badań Maszyn na Wydziale Mechanicznym Politechniki Wrocławskiej i kierownikiem projektu aHEAD. Zajmuje się m.in. symulacjami numerycznymi, biomechaniką obrażeń głowy, rekonstrukcją wypadków drogowych oraz bezpieczeństwem pieszych, rowerzystów i motocyklistów. Jest autorem lub współautorem 40 artykułów w renomowanych czasopismach międzynarodowych, uczestnikiem wielu ważnych projektów naukowych. Ma też na swoim koncie kilka zgłoszeń patentowych.

– a mało kto interesuje się losem innych uczestników ruchu. Tymczasem połowa z ponad miliona ludzi, którzy co roku giną na świecie wskutek obrażeń spowodowanych zdarzeniami drogowymi, to piesi, rowerzyści i motocykliści.

Mimo że układy naczyniowy i nerwowy mózgu są naturalnie chronione, to nie są przystosowane do tak dużych przeciążeń i dynamicznych zmian mechanicznych, do których dochodzi podczas wypadków. Celem naszego projektu aHEAD (aheadproject.org), finansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju, jest opracowanie zaawansowanych modeli numerycznych głowy człowieka, aby symulacje urazów czaszkowo-mózgowych poprawiły bezpieczeństwo.

Model numeryczny głowy to nie tylko jej obwód, przydatny przy okazji kupowania kapelusza?

Nie. To efekt przełożenia mechaniki i neurochirurgii na język cyfrowy. Mówiąc najprościej: odzwierciedlenie głowy na ekranie komputera. Do tej pory przy testach zderzeniowych i symulo

waniu wypadków używane są manekiny albo te nieszczęsne metalowe kule. Nasz model jest dużo bardziej zaawansowaną technologią. Przedstawia parametry głowy idealnie odwzorowujące kości czaszki, mózg i móżdżek – z ich właściwościami materiałowymi. To znaczy uwzględniamy np. wytrzymałość czaszki albo jak mocno odkształca się tkanka mózgowa pod obciążeniem i jaka jest jej odporność na urazy.

Skąd czerpiecie te informacje?

Na przykład z testów na mózgach świńskich, których struktura mechaniczna przypomina ludzką. Ale też z danych z literatury oraz – przede wszystkim – od neurochirurgów z Wrocławia i Legnicy. Otrzymujemy od nich gotowe pliki z badań tomografii głowy i obrabiamy, by móc wprowadzić je do naszego oprogramowania. Tak powstaje geometria ludzkiej głowy w wymiarze 3D, której przypisujemy zaawansowane właściwości materiałowe.

Nie ma to nic wspólnego z animacjami imitującymi testy zderzeniowe, które można nieraz oglądać w telewizji. Nasz projekt pozwala na fizyczną symulację wypadków i to jest podstawowa różnica na jego korzyść. Możemy się np. dokładnie dowiedzieć, co dzieje się z mózgowiem, kiedy głowa rowerzysty jadącego w tempie spacerowym 10 km/h uderza w maskę samochodu. Komputer oblicza wszystkie parametry i po kilkunastu godzinach otrzymujemy wynik.

Na co ta wiedza pozwala?

Przy rekonstrukcji wypadku mało kto skupia się na biomechanice urazu. Wystarczą informacje z badań obrazowych czaszki albo sekcji zwłok – i na tym koniec. Nam udaje się zobaczyć, co dzieje się z tkankami podczas takiego wypadku i na ile był on krytyczny dla ofiary. Możemy m.in. zmierzyć ciśnienie panujące w jej głowie i sprawdzić, czy doszło do śmiertelnego zagrożenia, albo stwierdzić, czy gdyby samochód jechał wolniej, ofiara mogłaby przeżyć. Nieraz zdarzają się wypadki, w których człowieka poturbowały dwa samochody, ale nie można bezsprzecznie wskazać, które trafienie okazało się groźniejsze dla jego czaszki. Dzięki naszym modelom numerycznym pomagamy już policji i sądowi zweryfikować hipotezy.

Ostatecznym efektem państwa prac będzie uzyskanie trzech modeli głowy: dziecka, osoby dorosłej i seniora. Na czym polegają różnice?

Struktura głowy i sam mózg zmieniają się wraz z wiekiem. Nie chcemy stworzyć modelu uniwersalnego – ale trzy, które będą odpowiadały rzeczywistym parametrom ludzi z trzech pokoleń. Oczywiście największy problem był z głową małego dziecka. Bo o ile badania tomografii lub rezonansu wykonywane są u wielu dorosłych, o tyle u np. trzylatków bardzo rzadko. A same obrazy zdjęć rentgenowskich nam nie wystarczają, ponieważ RTG obrazuje jedynie kości, a nie parametry mózgowe. Naszym zadaniem było połączyć jedno z drugim. Mamy już jednak gotowy ten model, jeden z najbardziej zaawansowanych na świecie, wymaga tylko walidacji, czyli badań porównawczych. Modele dla osoby dorosłej oraz seniora zostaną ukończone w najbliższych miesiącach.

Kolejną grupą narażoną na ryzyko urazów głowy są sportowcy: bokserzy, gracze futbolu amerykańskiego, hokeiści, narciarze. Jak poprawić ich bezpieczeństwo?

Pracujemy nad opaską, która w powiązaniu z modelem numerycznym pozwoli na bieżąco śledzić, co się dzieje podczas otrzymywania ciosów. Dziś nawet w warunkach kontrolowanych, gdy uderzymy mocno czołem w ścianę (proszę tego nie sprawdzać!), nie wiemy, jakie przeciążenia zachodzą w głowie, a co dopiero u sportowców, którzy, mimo ochraniaczy lub kasków, narażeni są na niebezpieczne kontuzje (hokeiści zazwyczaj taranują przeszkodę głową – zdarzają się wtedy wstrząśnienia mózgu). Nasza opaska z wbudowanymi akcelerometrami, żyroskopami i monitoringiem elektroencefalografii, czyli zapisem bioelektrycznej czynności mózgu, da nam odpowiedzi. To bardzo ważne, bo lekarze, mając większą świadomość, co faktycznie wydarzyło się w czaszce, mogą zastosować lepsze leczenie.

Dlaczego dotychczas ich wiedza była niewystarczająca?

Obracali się wokół hipotez, od kilkudziesięciu lat wciąż niezweryfikowanych. Przy uderzeniach czołowych np. największe obrażenia dotyczą potylicznej części mózgu. I nie wiadomo dlaczego. Owszem, jasne jest, że na skutek bezwładności tylne tkanki uderzają o twardą kość czaszki z tyłu. Ale czy fala poprzeczna i wzdłużna, które podczas takiego urazu przechodzą przez mózg, czasami się nie pokrywają i nie tworzą swoistej koncentracji naprężeń? Nie da się tego sprawdzić inaczej, niż stosując model numeryczny głowy. Nie wyobrażam sobie badań na ochotnikach, bo trzeba by okładać ich pięściami i zaglądać im w tym czasie do mózgu.

Czy taką opaskę będzie mógł kupić każdy, kto uprawia sport zagrożony urazami głowy?

Opaska została zgłoszona do patentu i mam nadzieję, że trafi na rynek w przyszłym roku. To będzie cenna podpowiedź dla trenerów i zawodników, jak ćwiczyć i szkolić się bezpiecznie.

Przydałaby się podobna dla rodziców, jak chronić głowy swoich dzieci. Wielu chyba nie zdaje sobie sprawy, na jakie ryzyko je czasem wystawia.

Chcemy w 2020 r. opracować system, który umożliwi weryfikację poziomu obciążenia głowy małego dziecka podczas potrząsania. Będzie współpracował z aplikacją na smartfonach, aby rodzice – może już w szkołach rodzenia – mogli zobaczyć, co może się stać w głowie niemowlaka lub kilkulatka. Bo ze świadomością dorosłych co do skutków urazów u dzieci jest u nas rzeczywiście fatalnie.

No właśnie, dlaczego tyle dzieci jeździ na rowerach w fotelikach, ale bez kasków?

To chyba wynika z braku wyobraźni rodziców. A te foteliki są o wiele słabiej przebadane niż samochodowe – nasze badania z wykorzystaniem symulacji numerycznych były opublikowane jako pierwsze na świecie. Zdarza się, że podczas wypadku niezabezpieczona głowa dziecka uderza

o asfalt lub pojazd. Kask to obowiązek dla kierującego rowerem i jego małego pasażera. Także dlatego, że maluch widzący przed sobą rodzica w kasku będzie wiedział, że zawsze tak trzeba. n