Anatomie einer Explosion: Forscher entwickeln Sensorik zur Beurteilung der Auswirkungen von Explosionen auf Soldaten

Anatomie einer Explosion: Forscher entwickeln Sensorik zur Beurteilung der Auswirkungen von Explosionen auf Soldaten
Anatomie einer Explosion: Forscher entwickeln Sensorik zur Beurteilung der Auswirkungen von Explosionen auf Soldaten
Anonim

Improvised Explosive Devices (IEDs) werden zu einem globalen Problem für die US-Streitkräfte. Um Verletzungen von Soldaten zu verhindern und Verletzte besser zu versorgen, bemüht sich das US-Militär, besser zu verstehen, wie sich Explosionen auf den menschlichen Körper auswirken.

Im Jahr 2011 wandte sich die Rapid Equipping Force (REF) der Armee an das Georgia Tech Research Institute (GTRI), um ein System zu entwickeln, das die physische Umgebung einer Explosion misst und Daten sammelt, mit denen die Erfahrungen des Soldaten korreliert werden können langfristige medizinische Folgen, insbesondere traumatische Hirnverletzungen.Die Lösung: die Integrated Blast Effect Sensor Suite (IBESS). IBESS ist das erste System, das integrierte, zeitmarkierte Daten während eines explosiven Ereignisses erfasst – ob Soldaten am Boden oder in einem Fahrzeug sitzen – und kann später dabei helfen, ein ganzheitliches Bild des Geschehens zu erstellen.

System der Systeme

Eine Explosion besteht aus zwei Teilen: einer Stoßwelle, die sich mit Überschallgeschwindigkeit ausbreitet, und Druckluft, die sich vor der Stoßwelle ausbreitet. Beide können dem menschlichen Körper erhebliche Schäden zufügen, die genauen Auswirkungen sind jedoch unklar.

"Niemand weiß, inwieweit Überdruck oder Beschleunigung Verletzungen verursachen", sagte Marty Broadwell, leitender Forschungswissenschaftler bei GTRI, der die Projekte des Instituts bei REF leitet. „Wir wissen auch nicht, wie schnell sich eine Verletzung zeigt, wie lange sie anhält oder welche Soldaten widerstandsfähiger gegen Verletzungen sind als andere. Die einzige Möglichkeit, die Auswirkungen einer Explosion zu verstehen, besteht darin, Daten zu sammeln, und genau das tut IBESS."

Wie es funktioniert

IBESS verfügt über zwei Hauptsubsysteme: eine Einheit, die vom Soldaten getragen wird, und eine Fahrzeugsensor-Suite. Das Soldatensystem ist in einem Segeltuchbeutel enth alten, der an der Rüstung eines Soldaten zwischen seinen oder ihren Schulterblättern befestigt wird. Ein Rekorder in der Tasche ist mit vier Drucksensoren verbunden, zwei auf dem Rücken und zwei an Riemen, die über der Vorderseite der Schultern hängen. Da diese Sensoren unterschiedlichen Quadranten zugewandt sind, erfasst das Gerät die Richtung und mehr Informationen als frühere Sprengmesser.

"Soldaten tragen bereits beträchtliche Ausrüstung, so dass die Reduzierung des Gewichts der Körpereinheit und des Stromverbrauchs der Batterien zu vielen Designentscheidungen führte", sagte Brian Liu, ein GTRI-Forschungsingenieur, der als technischer Leiter des Projekts fungierte. Beispielsweise bleibt der Rekorder in der Soldatenkörpereinheit im Schlafmodus, bis Druck- oder Stoßwellen einen bestimmten Schwellenwert erreichen, wodurch er aufwacht und mit der Datenaufzeichnung beginnt. Dadurch hat das System eine längere Batterielebensdauer und bleibt für den Träger relativ transparent.

Das Fahrzeugsystem dient einem doppelten Zweck: Es zeichnet Explosionsereignisse auf, die das Fahrzeug betreffen, interagiert aber auch und verbindet sich automatisch mit dem Soldatensystem. Wenn ein Soldat in ein Fahrzeug einsteigt, sendet eine in den Sitzen installierte Basisstation RFID-Signale. Wenn das Soldatensystem Daten gespeichert hat, initiieren diese Signale eine Bluetooth-Verbindung, die eine bidirektionale Kommunikation und Datenübertragung ermöglicht. Diese semi-passive RFID-Technologie basiert auf Näherung; Übertragung und Empfang erfolgen nur aus nächster Nähe, sodass IBESS den genauen Standort eines Soldaten im Fahrzeug ermitteln kann.

Sensoren sind auch am Innenrahmen und den Sitzen des Fahrzeugs installiert. Kommt es zu einer Explosion oder einem Überschlag, erfassen diese Sensoren Linearbeschleunigungs- und Winkelrotationsdaten. Das Soldatensystem wacht ebenfalls auf und beginnt, Daten aufzuzeichnen und zu übertragen. Ein Einplatinencomputer aggregiert Daten sowohl vom Fahrzeug- als auch vom Soldatensystem und leitet sie dann zur endgültigen Speicherung an eine robuste Blackbox weiter.

IBESS wurde speziell entwickelt, um den enormen Kräften einer IED-Explosion standzuh alten.

"Materialien, Montagestrategien und Strategien zur mechanischen Isolierung wurden verwendet, um sicherzustellen, dass die Geräte bei "überlebenswerten" Ereignissen erfolgreich Daten erfassen", erklärte Liu. "Wir haben zuerst untersucht, welche Arten von Explosionen für berittene und abgesessene Operationen überlebensfähig sind, und dann viele Tests auf diesen Ebenen zur Überprüfung durchgeführt."

IBESS ist in vielerlei Hinsicht innovativ:

• Synchronisierte Daten: Im Gegensatz zu früheren Generationen von Schlagmessern sind alle Daten in IBESS mit Zeitstempeln versehen, wobei die GPS-Zeit als gemeinsame Zeitquelle verwendet wird. „Mit diesen Daten können wir ein Ereignis nachbauen“, erklärte Liu. „Auch wenn Soldaten nicht miteinander verkabelt sind, wissen wir, dass sie im selben Fahrzeug saßen und dasselbe Ereignis erlebt haben – und können beurteilen, wie sich ein Ereignis ausgebreitet hat.“

• Skalierbarkeit: GTRI-Forscher verwendeten so viele Standard- und Standardkomponenten wie möglich. „Diese offene Architektur macht es einfacher, das System zu erweitern“, bemerkte Douglas Woods, GTRI-Forschungswissenschaftler und IBESS-Programmmanager.

• Anonymität: Durch Nutzung des Personal Key Identifier (PKI) des Common Access Card (CAC)-Systems des US-Verteidigungsministeriums kann IBESS Informationen sammeln, die eindeutig mit einzelnen Soldaten verknüpft sind. Die Verwendung der PKI macht die Daten praktisch anonym, sodass andere Forscher sie untersuchen können, ohne die Privatsphäre zu gefährden oder personenbezogene Daten zu enth alten.

Ein weiteres Markenzeichen des Projekts war der schnelle Zeitplan für die Fertigstellung. REF erteilte GTRI im Juli 2011 den Auftrag. Die Forscher schlossen im September vorläufige Entwürfe ab, und Anfang 2012 testeten und verfeinerten sie das System. IBESS-Einheiten begannen im August mit dem Versand nach Übersee, und jetzt wurde das System an mehr als 650 Soldaten ausgegeben und wird in 42 Fahrzeugen in Afghanistan installiert.

"Unsere Zusammenarbeit mit GTRI war hervorragend", sagte Joe Rozmeski, stellvertretender Leiter des Technologiemanagements von REF. „Ursprünglich aufgrund seiner Sensorexpertise ausgewählt, hat sich GTRI als idealer Partner für uns erwiesen.Sie verstehen ihre Rolle perfekt und sind im Einklang mit den Zielen des REF für die integrierte Erforschung und Sammlung von Explosionseffekten."

Die Herausforderung verstehen

Auf dem Höhepunkt des Projekts waren mehr als 50 Forscher mit Fachkenntnissen von Elektronik über Maschinenbau bis hin zu Gesundheitssystemen beteiligt. Diese Vielf alt an Disziplinen war entscheidend für den Erfolg von IBESS.

"Wenn Sie den Kontext nicht verstehen, in dem ein Gerät verwendet wird, werden Sie nicht die richtigen Informationen sammeln", sagte Shean Phelps, M.D., ein leitender Forschungswissenschaftler, der 2011 zu GTRI kam. Ein Rentner Armeeoffizier Phelps war Waffenspezialist (Green Beret) und Team-Sergeant, bevor er Arzt wurde, und war nicht nur maßgeblich an der Initiierung des IBESS-Projekts beteiligt, sondern auch an der Vermittlung operativer und medizinischer Perspektiven.

Traumatische Hirnverletzungen sind in den letzten Jahren zu einem immer größeren Problem geworden. "Aufgrund verbesserter Ausrüstung und medizinischer Versorgung überleben Menschen schwere Explosionen", erklärte Phelps.„Uns fehlt jedoch ein klares Verständnis der durch Explosionen verursachten Verletzungen des menschlichen Nervensystems. Leichte traumatische Hirnverletzungen sind besonders besorgniserregend, da sie ein breites Spektrum an Symptomen aufweisen und in Tests nicht zuverlässig auftauchen, sodass wir nicht effektiv arbeiten können Langzeitfolgen diagnostizieren, behandeln und kontrollieren."

Mit IBESS können komplexe Kontextdaten gesammelt werden, um die Erfahrungen der Soldaten mit ihren Krankenakten zu verknüpfen und später ein Explosionsereignis mit einer traumatischen Hirnverletzung zu korrelieren. IBESS ist sowohl für die medizinische als auch für die technische Gemeinschaft ein großer Schritt nach vorne, sagte Phelps: „Wir haben jetzt eine Plattform, die sich dramatisch von früheren Bemühungen zur Erfassung von Explosionsdaten unterscheidet, da sie mit Zeitstempeln versehen, vollständig zwischen Menschen und Fahrzeugen integriert ist und in der Lage ist, eine Standort einer Person in einem Fahrzeug - und in der Lage, Daten von jedem Sensor zu akzeptieren."

Was kommt noch

Die laufenden Arbeiten werden von einem Team von GTRI-Forschungsingenieuren unter der Leitung von Allesio Medda durchgeführt, die eine strukturierte Datenbank und Analysewerkzeuge für die von IBESS gesammelten Daten aufbauen.Andere GTRI-Forscher installieren Sensoren in der Ohrmuschel von Kommunikations-Headsets, die von Soldaten getragen werden und die Linear- und Rotationsbeschleunigung auf sechs Achsen messen. Nach dem Testen werden diese Headsets an 200 Army Rangers ausgegeben.

Derzeit erfasst IBESS nur Umweltdaten. Aufgrund seiner offenen Architektur können jedoch auch andere Diagnosefunktionen einfach integriert werden. Beispielsweise könnten Sensoren hinzugefügt werden, um Herzfrequenz, Blutdruck, Sauerstoff- und Flüssigkeitsgeh alt, Körpertemperatur und EKG-Aktivität zu überwachen.

Mit solchen biometrischen Sensoren könnte IBESS die körperliche Verfassung von Soldaten im Training oder auf dem Schlachtfeld zu Triagezwecken oder zur Beurteilung ihrer Fähigkeit, einen bestimmten Job zu erledigen, auswerten. Daten aus dem System könnten verwendet werden, um die Ausrüstung und das Fahrzeugdesign zu verbessern. Beispielsweise könnte eine Ausrüstung entwickelt werden, um eine Stoßwelle abzulenken oder ihre Frequenz zu ändern, wenn sich herausstellt, dass eine bestimmte Frequenz das Gehirn schädigt. IBESS könnte auch für nichtmilitärische Anwendungen angepasst werden, wie etwa die Überwachung von Bauarbeitern, Rennfahrern oder älteren Menschen in ihren Häusern.

"Das Sammeln physikalischer Daten über die Explosionsumgebung ist der entscheidende erste Schritt, bevor das System medizinisch prädiktiv gemacht werden kann", betonte Woods. „Eine Explosion ist ein physikalisches Phänomen. Um das Ausmaß von Verletzungen zu verstehen und wie man sie verhindern kann, muss man zuerst die Physik verstehen.“

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