Волны давления в мозге от удара футбольным мячом: новые данные британских учёных

В последние годы научное сообщество и футбольные организации всё больше обеспокоены долгосрочными рисками для здоровья профессиональных игроков. Крупные эпидемиологические исследования в Великобритании, Швеции и Франции свидетельствуют о повышенном риске нейродегенеративных заболеваний у бывших футболистов. Основным предполагаемым фактором риска считаются повторяющиеся удары мячом по голове, которые происходят эпизодически, но многочисленно за карьеру.

Ранее учёные пытались оценить ускорение головы после удара, силу воздействия и движение черепа. Эти данные помогали понять риск сотрясения мозга или переломов, но не объясняли, как именно возникают микроповреждения тканей, ведущие к медленной деградации мозга спустя десятилетия. Новое исследование британских учёных направлено именно на этот механизм.

Экспериментальная модель: суррогат головы и гидрофон

Учёные из Университета Лафборо создали специальный суррогат головы для измерений в условиях, максимально приближенных к реальным. Вместо обычных манекенов для краш-тестов они использовали половинку черепа, напечатанную на 3D-принтере из пластика, идентичного по механическим свойствам человеческой кости. Внутренняя полость была заполнена гелем, который по плотности и скорости распространения звука точно имитирует ткани мозга и спинномозговую жидкость.

В центр этого геля на глубине всего пяти миллиметров от внутренней поверхности черепа исследователи поместили сверхчувствительный датчик — гидрофон. Этот датчик способен регистрировать мельчайшие колебания давления в жидкой среде. Пневматическая пушка разгоняла футбольные мячи до скоростей, характерных для реальной игры: от 13 до 23 метров в секунду.

Результаты: давление, сравнимое с гидравлическим прессом

Всего было проведено 430 экспериментов с 20 различными мячами — от исторических кожаных реплик, имитирующих мячи середины XX века, до современных синтетических моделей, используемых на крупнейших турнирах. Результаты показали, что каждый удар мяча генерировал волну давления, которая достигала датчика внутри черепа уже в первые 100 микросекунд. Это в тысячи раз быстрее, чем начинается смещение головы.

Самое сильное давление, зафиксированное датчиком, достигло 31 килопаскаля. Это давление сопоставимо с тем, которое создаётся внутри мощного гидравлического пресса, используемого в промышленности для формовки металла. Более того, это значение превышает предельно допустимые уровни воздействия ударной волны для военнослужащих США на тренировках, установленные на отметке 27 килопаскалей.

Воздействие разных мячей оказалось не одинаковым. Разница в пиковом давлении достигала девяти раз, а разница в передаваемой энергии — почти 55 раз. Современные синтетические мячи и клееные мячи создавали значительно более мощные волны, в то время как традиционные кожаные мячи в сухом состоянии демонстрировали самый низкий уровень давления.

Однако у кожаных мячей выявили уязвимость: после пребывания во влажной среде, что моделировало игру под дождём, их масса увеличивалась, а создаваемое ими давление возрастало в четыре-пять раз, приближаясь к показателям самых жестких синтетических мячей. Таким образом, классические кожаные мячи под дождём становятся самыми опасными.

Исследование, опубликованное в издании The Journal of Sports Engineering and Technology, предоставляет новые данные для понимания механизмов повреждения мозга при повторяющихся ударах. Эти результаты могут помочь в разработке более безопасного спортивного инвентаря и пересмотре тренировочных методик, особенно для юных футболистов, у которых, как показали другие исследования, после отбиваний мяча головой ухудшаются результаты когнитивных тестов.