Forfattere
Har du nogensinde undret dig over, hvordan forskere ved, hvad der sker inde i kroppen under en skade? Skader opstår, når et tryk eller træk (kraft) på kroppen bliver for stort, f.eks. ved et pludseligt stød. Men forskere kan ikke se disse kræfter, så vi bruger computermodeller til at løse dette mysterium. Vi indtaster oplysninger i computermodellerne, såsom personens størrelse, alder og aktivitet før skaden, samt detaljer om skaden. Hvis vi kan finde ud af, hvor stor en kraft der forårsagede skaden, kan det hjælpe ingeniører med at designe udstyr, der beskytter kroppen. Vi bruger forskellige typer computermodeller til at forstå forskellige skader. Stive kropsmodeller hjælper os med at studere hele kroppens bevægelser, såsom fald eller bilulykker. Muskuloskeletale modeller simulerer aktiviteter som at gå eller løfte. Finite-element-modeller ser på en enkelt kropsdel, såsom et knæledbånd i en glidende tackling. Vi har brug for at vide meget om, hvordan hver kropsdel opfører sig, og omdanne disse adfærdsmønstre til matematik, som computeren kan løse.
Dine muskler og knogler arbejder sammen for at hjælpe dig med at bevæge dig. Muskler trækker i knoglerne for at bevæge dine arme og ben, ligesom en marionetdukke. Hvor hårdt musklerne trækker i kroppen kaldes en kraft. Mennesker føler også skubbende kræfter på deres kroppe hver dag. For eksempel, når du står, skubber jorden på undersiden af dine fødder. Kræfter (skub eller træk) kan være gode og hjælpe mennesker med at bevæge sig, som de ønsker. Men for meget kraft kan få kroppen til at brække. Kræfter kan virke inde i kroppen, som mellem knoglerne i dit knæ, når du går. Kræfter virker også uden for kroppen, som jorden, der skubber på din hånd, når du falder. Når nogen kommer til skade, er der normalt en kraft, der virker på ydersiden af kroppen, som forårsager en kædereaktion af kræfter inde i kroppen. Hvis du for eksempel løfter en meget tung kasse, kan dine hænder og arme måske bære vægten uden at komme til skade. Men kræfterne går gennem hele din krop og kan være for store for din ryg. Hver kropsdel kan modstå en forskellig mængde kraft, før den brækker. Disse brudkræfter er også forskellige for forskellige mennesker.
Hvis forskere og ingeniører ved, hvor stor en kraft der forårsager en skade, kan de designe sikkerhedsudstyr, der sikrer, at kroppen ikke udsættes for kræfter, der ligger tæt på dette punkt. Ved at sikre, at de kræfter, kroppen udsættes for, er lave, kan vi forsøge at forhindre skader i at opstå. Men skader er svære at undersøge. Det er umuligt at se eller måle kræfterne inde i en levende person. Folk er normalt ikke dækket af sensorer, når de kommer til skade, og vi kan ikke skade folk med vilje for videnskabens skyld.
Computermodeller kan hjælpe os med at beregne de kræfter, der forårsager en skade, ved at simulere, hvad der skete. Lad os for eksempel sige, at en person faldt på albuen og brækkede et ben. Vi ved måske, hvordan dette ben så ud, før det blev skadet, og vi kan bruge røntgenbilleder til at se, hvordan det ser ud efter skaden. Vi ved måske også, hvad personen lavede, da vedkommende faldt. Hvis vi mangler oplysninger, såsom hvilken type underlag personen faldt på, eller hvor hurtigt vedkommende bevægede sig, gætter vi. Det gode ved computermodeller er, at vi kan prøve mange gæt. Vi kan se, hvordan vores gæt påvirker kræfterne i albuen. Hvis albuebruddet blev forårsaget af en dreng, der faldt på en legeplads, kan en sikkerhedsingeniør bruge modeller til at beslutte, om gummi eller træflis er bedst til en ny legeplads. Hvis albuebruddet skyldtes, at en teenagepige faldt af et skateboard, kan et udstyrsfirma designe nye albuebeskyttelser og bruge modellerne til at afgøre, hvor tykke de skal være, og hvilket materiale der skal bruges til polstringen. Computermodeller kan fortælle os mange ting om en skade, som vi ikke kan finde ud af ud fra billeder eller eksperimenter alene!
Computermodeller bruger software til at udføre beregninger ( for at løse matematiske ligninger, så alt i modellen først skal omdannes til matematik. Forskere indsamler oplysninger om f.eks. kroppens form, ydre kræfter, hvordan muskler og knogler bevæger sig, og egenskaber som f.eks. hvordan forskellige kropsdele strækker sig eller brækker. Disse oplysninger omdannes til tal og ligninger, som computeren kan forstå og bruge som input. Hvordan modellen kører, afhænger af, hvad vi vil vide. Det kan være så simpelt som at bruge en smartphone-app, der registrerer, hvordan kroppen bevæger sig, og automatisk omdanner det til en computermodel, eller det kan være meget komplekst og kræve supercomputere med kunstig intelligens med software, der kan tage dage eller endda uger at færdiggøre en model.
Der findes forskellige typer computermodeller, der hjælper os med at forstå kræfterne og bevægelserne i menneskekroppen. Hver enkelt er designet til at besvare specifikke spørgsmål (figur 1).
Stive kropsmodeller bruger en “helhedsorienteret” tilgang for at se, hvordan hele kroppen bevæger sig sammen. Vi forestiller os menneskekroppen som en række dele, som legoklodser, der er forbundet med led. Disse modeller beregner, hvordan ydre kræfter, der virker på kroppen (f.eks. ved en bilulykke eller et fald), skaber kræfter inde i kroppen, i knogler, led eller væv. Vi kan f.eks. bruge denne type model til at estimere kræfterne i hofteleddet under et fald eller kræfterne i nakken under en påkørsel bagfra. Vi kan hurtigt køre mange simuleringer ved at forenkle kroppen til legoklodser for hver del. Dette gør det ideelt til at teste nyt sikkerhedsudstyr [1].
I nogle skader er det ikke nok at betragte kroppen som blokke. Nogle gange er vi nødt til at vide, hvad disse blokke er lavet af – knogler, muskler, sener eller ledbånd. Hver af disse dele kan ændre kræfterne inde i kroppen. For at forstå disse dele bruger forskere muskuloskeletale (MSK) modeller, der inkluderer både knogler og muskler . MSK-modeller bruger stadig stive legemer til at gengive skeletets knogler, men inkluderer også individuelle muskler. Disse muskler kan udøve forskellige kræfter, som hjælper os med at forstå, hvordan vævene påvirkes af stød eller bevægelser, f.eks. kræfterne i en glidende tackling, der forårsager en forstuvning af anklen. MSK-modeller kan også bruges til at ændre musklernes egenskaber, f.eks. deres form eller stivhed, for at modellere specifikke muskeltilstande. For eksempel hos børn med cerebral parese kan forskere modellere bevægelser og se, hvordan de ændrer sig med forskellige behandlinger [2].
Nogle gange har vi brug for endnu flere detaljer for at forstå skader. Hvad hvis vi for eksempel vil vide, hvor i knoglen skaden specifikt kan opstå? Vil en kraft forårsage en fuldstændig brud på tværs af knoglen eller blot en lille hårfin brud? For former og materialer, der er så komplekse som menneskelige kropsdele, findes der ingen matematiske ligninger til at beregne, hvad der sker i hvert væv. I stedet bruger vi finite element-modellerder opdeler den komplekse kropsdel i meget små blokke, kaldet elementer. Vi bruger computere til at beregne, hvad der sker i hver blok i situationer, hvor mennesker udsættes for kræfter. Blokkene med de største kræfter kan fortælle os, hvilket område af kroppen der er mest tilbøjeligt til at blive beskadiget [3].
Vi har allerede talt om nogle få områder, hvor computermodeller kan hjælpe os, men der er mange andre områder, hvor de kan være nyttige. Hvis vi for eksempel vil designe en ny bil, kan vi ikke teste dens sikkerhed med rigtige mennesker i den. Derfor kan ingeniører bruge stive kropsmodeller til at finde ud af, hvad der sker med en person under en bilulykke. I sport kan vi bruge muskuloskeletale modeller til at finde ud af, hvad der sker, hvis man vrider anklen, mens man prøver at hoppe i sjippetov. Vi kan også finde ud af, hvilke kræfter der virker på en atletes led, når de løber. Denne information kan hjælpe trænere med at træne atleter i at bruge bedre teknikker eller foreslå øvelser, der styrker bestemte muskler.
Ingeniører er altid på udkig efter måder at gøre miljøet mere sikkert for at forhindre skader. Så hver gang du ser sikkerhedsudstyr – sikkerhedsseler i biler, hjelme i sport, faldsikring på en byggeplads – skal det alt sammen designes og testes. Hvordan ved du, om en sikkerhedssele vil beskytte dig? Eller hvilke bilsæder der er sikrest for babyer? Computermodeller er en meget vigtig del af at sikre, at det sikkerhedsudstyr, vi fremstiller, beskytter mennesker. Ved at teste forskellige designs i computermodeller kan vi estimere de ydre kræfter, som kroppen udsættes for. Vi kan fortsætte med at foretage designændringer for at sikre, at disse kræfter forbliver under de niveauer, der kan forårsage en skade [4].
Selvom computermodeller kan hjælpe os med at besvare vigtige spørgsmål om, hvordan menneskekroppen fungerer, er det ikke så let at lave en model, som det ser ud til. Vi kan ikke bruge computermodeller til alt. For det første er alle forskellige. Vi har forskellige højder og vægt, og selv indvendigt er vores knogler og muskler unikke. Det betyder, at computermodeller skal tage højde for forskellige mennesker [2]. For det andet afhænger det, vi får ud af disse modeller, af det, vi lægger ind. For eksempel har vi måske ikke alle de input, vi har brug for til at køre en model. Derfor prøver forskerne forskellige gæt, indtil modellens resultater matcher det, de forventer at se. Selvom modeller kan fortælle os meget om sikkerhed og menneskekroppen, er de ikke den eneste måde at finde ud af disse ting på. Nogle gange bruges eksperimentelle tests, og nogle gange kombineres eksperimentelle tests med modeller for at give os et bedre billede. Det tager år af forskning at opbygge bare én model, og mange forskere bygger videre på hinandens arbejde for at forbedre modellerne. Der er stadig meget arbejde at gøre , før vi kan forstå menneskekroppen fuldstændigt, men hver model hjælper os med at komme lidt tættere på.
Video 1: En oversigt over, hvordan forskere bruger computermodeller til at studere vores krop.
Kraft: Et tryk/træk på et objekt. Kræfter kan komme fra inde i kroppen (som muskler, der trækker i knogler) eller uden for kroppen (som tyngdekraften, der holder dig på jorden).
Computermodel: En digital version af et objekt fra virkeligheden, der er bygget på en computer, så forskere kan teste ideer og situationer for at se, hvad der kan ske, uden at bruge rigtige mennesker.
Software: Et sæt computerprogrammer, der fortæller en computer, hvad den skal gøre. Speciel software kan køre på computere for at løse komplicerede matematiske problemer.
Supercomputer: En meget kraftig computer, der kan løse meget store problemer hurtigere end en almindelig computer.
Stive kropsmodeller: Computermodeller, der forenkler kroppen til sammenhængende dele, som Lego-klodser, for at undersøge, hvordan kroppen bevæger sig, og hvordan ydre kræfter påvirker den.
Muskuloskeletale modeller: Computermodeller, der omfatter både knogler og muskler, for at undersøge, hvordan disse væv arbejder sammen for at skabe bevægelse eller forårsage skader.
Cerebral parese: En tilstand, der påvirker bevægelse, balance og kropsholdning hos de berørte personer.
Finite element-modeller: Computermodeller, der opdeler en kropsdel i mange små stykker (elementer), så forskere kan se nøjagtigt, hvordan kræfterne fordeles i vævet, og hvor der kan opstå skader.
[1] Tierney, G. J., og Simms, C. 2019. Forudsigelseskapacitet for MADYMO-multikropsmodellen af menneskekroppen anvendt på hovedkinematik under rugby union-tacklinger. Appl. Sci. 9:726. doi: 10.3390/app9040726
[2] Febrer-Nafría, M., Nasr, A., Ezati, M., Brown, P., Font-Llagunes, J. M., og McPhee, J. 2022. Predictive multibody dynamic simulation of human neuromusculoskeletal systems: a review. Multibody Syst. Dyn. 58:299–339. doi: 10.1007/s11044-022-09852-x
[3] Obaid, N., Bojic, A. M., Jannesar, S., Salegio, E., Nout-Lomas, Y., Beattie, M., et al. 2023. Effekt af stødparametre på en unilateral kontusionsmodel af rygmarvsskade i en virtuel population af ikke-menneskelige primater. Neurotrauma Rep. 4:367–74. doi: 10.1089/neur.2023.0006
[4]Kapoor, T., Altenhof, W., Howard, A., Snowdon, A., Rasico, J., Zhu, F., et al. 2010. Modforanstaltninger til at mindske hoved- og nakkeskader hos småbørn i frontale og laterale bilulykker. Int. J. Crashworthiness 15:17–37. doi: 10.1080/13588260902986010
Kan legetøjshjerter fungere lige så godt som et rigtigt hjerte? For at finde ud af det købte vi seks legetøjshjerter, lige fra et uhyggeligt Halloween-hjerte, der slog, til et farverigt plys-hjerte. Vores gæt var, at legetøjshjerter ikke ville fungere lige så godt som et rigtigt menneskehjerte! Vi testede legetøjet i vores laboratorium ved hjælp af nøjagtig de samme værktøjer og metoder, som vi bruger til at teste rigtige hjerter og mekaniske blodpumper. Vi kiggede på flow, tryk, volumen og hvor godt legetøjshjertet pumpede vand. Vi bad også tre hjertekirurger om at bedømme hvert legetøjshjerte ud fra, hvor virkelige de så ud, og hvilke egenskaber de kunne lide. Som forventet var legetøjshjerterne ikke realistiske og kunne ikke pumpe lige så godt som et rigtigt hjerte. Denne artikel kombinerer menneskers sundhed og ingeniørarbejde i et sjovt og fjollet videnskabeligt spørgsmål. Vi håber, at læserne vil finde den lærerig og underholdende!
… Har du nogensinde undret dig over, hvordan forskere ved, hvad der sker inde i kroppen under en skade? Skader opstår, når et tryk eller træk (kraft) på kroppen bliver for stort, f.eks. ved et pludseligt stød. Men forskere kan ikke se disse kræfter, så vi bruger computermodeller til at løse dette mysterium. Vi indtaster oplysninger i computermodellerne, såsom personens størrelse, alder og aktivitet før skaden, samt detaljer om skaden. Hvis vi kan finde ud af, hvor stor en kraft der forårsagede skaden, kan det hjælpe ingeniører med at designe udstyr, der beskytter kroppen. Vi bruger forskellige typer computermodeller til at forstå forskellige skader. Stive kropsmodeller hjælper os med at studere hele kroppens bevægelser, såsom fald eller bilulykker. Muskuloskeletale modeller simulerer aktiviteter som at gå eller løfte. Finite-element-modeller ser på en enkelt kropsdel, såsom et knæledbånd i en glidende tackling. Vi har brug for at vide meget om, hvordan hver kropsdel opfører sig, og omdanne disse adfærdsmønstre til matematik, som computeren kan løse.
…
Elektrofysiologi er studiet af kroppens elektricitet. Det er også en måde, hvorpå forskere studerer hjerneceller, der kaldes neuroner. In vivo-elektrofysiologi er en teknik, der giver os mulighed for at studere, hvad der sker blandt grupper af neuroner i levende organismer. Den del af udtrykket, der hedder “in vivo”, betyder “i livet”. Måling af elektrisk aktivitet fra levende organismer kan afsløre realtidskommunikation mellem neuroner, hvilket hjælper os med at forstå, hvordan hjernen producerer adfærd. Når vi studerer hjernen og lærer mere om, hvordan den fungerer, kan vi få et bedre indblik i hjernesygdomme og hjerne-relaterede handicap – og forhåbentlig finde nye måder at behandle dem på.
…
Hvad er bevidsthed, og hvordan kan vi vide, hvem – eller hvad – der har det? Bevidsthed er evnen til at have oplevelser, såsom at se, føle, tænke eller vide, at man eksisterer. Forskere mener, at det afhænger af hjernen, men de forstår stadig ikke fuldt ud, hvordan det fungerer. Det er svært at studere bevidsthed på , fordi det er personligt og ikke kan måles direkte. Forskere bruger værktøjer som hjerneafbildning, virtual reality og computermodeller samt filosofi til at undersøge, hvornår og hvordan bevidsthed opstår hos mennesker og dyr – og om maskiner nogensinde også kan få det. At forstå bevidsthed kan hjælpe læger med at behandle hjerneskader og psykiske sygdomme, forbedre den måde, vi passer på dyr, og forberede os på fremtidige teknologier. Det rejser også store spørgsmål om retfærdighed, fri vilje og livets og sindets natur. Efterhånden som videnskaben kommer tættere på at løse dette mysterium, kan svarene ændre den måde, vi ser os selv og vores plads i verden på.
…