人們普遍認為，踢足球和橄欖球有可能導致腦震盪和其他頭部傷害。然而，關於網球卻出現了一個問題：網球需要以多快的速度飛行才有可能造成腦外傷？達拉斯一所全國排名前列的私立大學的研究人員發現，網球頭部受傷是可能的，但非常罕見。

他們利用廣泛用於預測車禍中可能出現的頭部傷害的相同技術進行了詳細的計算研究，研究結果發表在《美國機械工程師學會應用力學雜誌》上。

SMU 的機械工程學教授高鑫林和曾與他共事的前SMU 博士生李永強利用計算機對人體和網球進行建模，以確定如果網球以不同的速度、位置和角度擊中一個人的頭部會發生什麼情況。

他們發現

• 輕度腦外傷或腦震盪很少見，但當網球的速度超過每秒40 公尺時就會發生。從這個角度來看，這比獵豹跑得還快。
• 與被擊中前額或頭頂相比，球擊中頭部側面最有可能造成頭部受傷。
• 當球以90 度角擊中人時，頭部受傷的情況也比30 度角或60 度角更常見。
• 但沒有發現球的旋轉對造成頭部傷害有任何重大影響。

高說：「網球是一項世界性運動，每年有數千萬人參加，因此了解網球撞擊對頭部造成的傷害並採取防護措施非常重要。」他和現任南京航空航天大學副教授的李特別專注於確定網球是否會造成嚴重到足以被歸類為腦外傷的頭部傷害–當頭部或身體受到猛烈撞擊、打擊或顛簸時，大腦的正常功能會受到干擾。

繪製撞擊圖：一項計算研究顯示了被網球擊中的三個不同位置–正面（左）、側面（中）和冠部（右）–所產生的影響。資料來源：SMU

腦震盪被歸類為”輕度”腦外傷，因為它們不會危及生命。但腦震盪會造成持續數週或數月的問題，如頭痛、頭暈和注意力難以集中。

儘管首席研究員高表示，對婦女和兒童的研究結果可能相似，但仍需要進行更多的研究。

在這項研究中，研究人員使用了兩個所謂的有限元素（FE）模型：一個是網球模型，另一個是人的頭部模型。

這個頭部模型由全球人體模型聯盟提供，該聯盟製作了逼真的男性、女性和兒童三維模型，可用於碰撞模擬。研究人員經常使用這些（FE）頭部模型來研究頭部撞擊可能造成的腦損傷。

高和李根據真實網球的實驗，創造了一個電腦生成的網球。

理解有限元素建模的一個簡單方法是將其視為將一個大型數學問題分離成一系列較小的問題或有限元素。這樣就比較容易研究整體問題。

有限元素建模廣受工程師的歡迎，例如，汽車製造商可以利用有限元素建模來評估汽車碰撞對人體造成傷害的可能性。

SMU 的研究使用有限元素模型來預測大腦受到外力作用時的行為。研究人員透過給一個名為LS-DYNA 的電腦系統提供幾種數學演算法來實現這一目的，這些演算法代表了球或人頭部的特徵。例如，一種用於測試橡膠彈性的演算法（稱為奧格登超彈性模型）被用來表示腦組織的行為。

根據這些方程式，LS-DYNA 對現實生活中可能發生的情況進行了三維模擬。

透過這些模擬測量結果，研究人員可以確定網球的力量–以不同的速度或擊中頭部的不同部位–是否足以使人的腦組織撞擊頭骨，從而導致腦震盪或更嚴重的後果。

為了確保他們的研究結果準確無誤，高和李利用先前的創傷性腦損傷研究，如對人體屍體的實驗和對已知腦震盪患者的觀察進行了驗證。

高和他的研究團隊也發表了關於高爾夫球擊打和彈道撞擊對頭部造成傷害的研究。

參考文獻：《網球撞擊造成的頭部傷害：計算研究》，作者：李永強、高鑫林，2023 年11 月3 日，《應用力學期刊》。

doi: 10.1115/1.4063814

編譯來源：ScitechDaily