Wetenschappers gebruiken vaak complexe computermodellen van de schedel en de hersenen bij het ontwerpen van helmen om letsel aan het hoofd als gevolg van schokken te voorkomen of te minimaliseren. Deze modellen vereisen ingewikkelde kennis van het gedrag van de schedel en de hersenen om nauwkeurig te voorspellen welke kenmerken van een helm het hoofd het beste beschermen.

Het Army Research Laboratory (ARL) heeft onlangs samengewerkt met wetenschappers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) om de microstructuur van de menselijke schedel te bekijken met behulp van hoogenergetische röntgenstralen van de Advanced Photon Source (APS), een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit.

Een betere karakterisering van de structuur van de schedel en een beter begrip van de menselijke tolerantie voor ballistische impact zal computermodellen helpen om effectievere helmen voor soldaten te ontwikkelen.

Niet alle botten zijn gelijk gemaakt

Wetenschappers die schedelbot bestuderen, beginnen net de kleinschalige structuren in onze natuurlijke helm te ontdekken. de schedel, en gedetailleerde röntgenkarakterisering van de menselijke schedel op de schaal van deze studie is ongekend.

Een van de fijne kneepjes waar de wetenschappers naar op zoek zijn - aangezien het een integrale rol zou spelen bij het ontwerpen van helmen - is anisotropie, of de variatie van mechanische eigenschappen afhankelijk van oriëntatie. Met andere woorden, de wetenschappers willen patronen in de kristalstructuur van schedelbot blootleggen om te zien of het zich anders gedraagt ​​​​als het vanuit de ene hoek wordt ingedrukt of geraakt in vergelijking met de andere.

"Andere botten in ons lichaam vertonen anisotropie, " zei ARL-teamleider Karin Rafaels. "In een dijbeen, omdat het bedoeld is om dragend te zijn, het kristal en collageen zijn georganiseerd langs de lange richting van het been, zodat het sterk is in die richting. Het is brozer over het dijbeen, daarom zijn breuken over het algemeen in de richting loodrecht op je been."

Huidige computermodellen behandelen schedelbot als isotroop, of hetzelfde in alle richtingen. Dit is een behoorlijke benadering omdat de schedel niet bedoeld is om dragend te zijn, dus de kristalstructuur is meer willekeurig in vergelijking met andere botten, en alle patronen zouden op een zeer kleine schaal zijn. Maar als het gaat om de schedel en zeer geconcentreerde impact, zelfs kleine patronen op kleine schaal maken een groot verschil in de mechanische eigenschappen van de schedel, omdat deze bestand is tegen een belasting met hoge snelheid en over een klein gebied.

"Ongeacht de externe belasting van de schedel, de modellen voorspellen dat de schedel zich op dezelfde manier gedraagt, " zei ARL-ingenieur Andrew Brown, de hoofdwetenschapper van het onderzoek. "Is dat noodzakelijkerwijs het geval? Dat was mijn grote vraag, omdat in kristallografie, hoe willekeurig is willekeurig? Kunnen we dat kwantificeren?"

De kennis van het mechanische gedrag van alle delen van de schedel zou de computermodellen kunnen helpen bij het bepalen van bepaalde paden om ballistische objecten te stoppen of af te buigen die letsel tot een minimum beperken.

"Bij de AP we kunnen zien of er laadpaden zijn die de voorkeur hebben, of manieren om de kracht van de impact te verdelen of te richten, zodat we onze helmen kunnen ontwerpen om te profiteren van de kristalstructuur van de schedel, ' zei Rafaels.

Brown bracht monsters van schedel, bewaard in een zoutoplossing om levensecht te blijven, uit alle delen van het hoofd, inclusief in en rond hechtingen, of plaatsen waar de schedelbeenderen zijn samengesmolten. Bij de 1-ID-E bundellijn van de APS, ze deden verschillende lijnscans van de monsters over 90 graden in twee loodrechte vlakken om elke richting in de structuur bloot te leggen. Over een periode van drie dagen, Brown en de APS-bundellijnwetenschappers Peter Kenesei en Jun-Sang Park, beide natuurkundigen van de afdeling X-ray Science, produceerde terabytes aan gegevens die, na analyse, zou anisotropie in de monsters kunnen onthullen.

"Zelfs bij snelle reconstructies van de gegevens, we konden al verschillen zien tussen de structuren van het dijbeen in vergelijking met de schedel, " zei Rafaels. "Ik kan niet wachten om te zien wat we vinden tijdens de analyse."

Om de mechanische eigenschappen van de botmonsters te testen tegen hun interne kristalstructuren, Brown is van plan een mechanisch laadframe bij de ARL te gebruiken om de röntgenfoto's langs verschillende assen te comprimeren terwijl ze hun gedrag observeren. Vervolgens koppelt hij de structuren aan het mechanische gedrag om trends te zoeken.

"Een patroon dat we kunnen vinden is een correlatie tussen de sterkte van het monster langs een bepaalde as gecombineerd met een kristaluitlijning langs diezelfde as, ' zei Bruin.

Evolutie van een fractuur

Voor het grootste gedeelte, de wetenschappers zochten naar structurele patronen in schedelmonsters in ongedeerde staat. Echter, sommige van de schedelmonsters die in het onderzoek werden gebruikt, hadden reeds bestaande fracturen van een eerder ARL-experiment. Deze specifieke monsters gaven de wetenschappers in het huidige onderzoek de mogelijkheid om te zien hoe een schedelbreuk - als gevolg van de impact van een kogel op een helm, en vervolgens van die helm op de schedel - beïnvloedde de microstructuur in de schedel.

"Hoe sneller de kogel, hoe kleiner de schade aan de schedel kan zijn, " zei Rafaels, wiens achtergrond in de biomechanica ligt. "Met de APS konden we zien hoe belastingen door de kristalstructuur worden overgedragen en hoe de energie rond de breuk wordt verspreid. Hoe meer we begrijpen hoe de schedel zich gedraagt, hoe meer we kunnen begrijpen wat er met de hersenen gebeurt."

De wetenschappers gebruikten kleine-hoekverstrooiing bij de APS om veranderingen in de periodiciteit van de kristalstructuur als gevolg van de breuken aan het licht te brengen. Op nanoschaal is de kristalstructuur van de schedel is opgebouwd rond flexibele collageenvezels. Bloedplaatjes die het kristal vormen, bevinden zich over het algemeen ongeveer 67 nanometer van elkaar op het collageen.

"We verwachten een piek te zien van de kleine-hoekverstrooiing met een afstand van ongeveer 67 nm, ’ zei Bruin, "dus wanneer die afstand verschuift, we weten dat het collageen wordt uitgerekt of samengedrukt, en we krijgen een idee van het soort spanning in de schedel van de verwonding."

De wetenschappers kunnen deze gegevens gebruiken om een ​​kaart van de spanning rond de breuk te maken en de informatie in de rekenmodellen op te nemen. Als de modellen dit gedrag van het bot bevatten, ze kunnen nauwkeurig voorspellen welke soorten breuken zich voortplanten en hoe, met als einddoel verspreiding te voorkomen.

Volgende stappen

Het team heeft een nieuw voorstel ingediend om met het APS dieper op dit onderzoek in te gaan. Brown wil in situ verstrooiingsexperimenten uitvoeren waarbij schedelbot mechanisch wordt samengedrukt bij de bundellijn. De manier waarop de belasting op het bot verandert als functie van de uitgeoefende belasting voor specimens met machinaal bewerkte inkepingen en specimens die een bestaande breuk bevatten, zal inzicht verschaffen in mechanische drempels voor breukvoortplanting.

Voor zowel het huidige experiment als toekomstige experimenten, de wetenschappers hebben veel hulp ingeroepen van Jonathan Almer, APS-fysicus en groepsleider in de afdeling X-ray Science, en Stuart Stock, een materiaalwetenschapper en faculteitslid van de Feinberg School of Medicine van de Northwestern University. Zowel Almer als Stock hebben uitgebreide ervaring met het in beeld brengen van bot en publiceren al sinds 2005 over dit onderwerp. Brown en Stock lopen voorop in data-analyse, en Almer is een integraal onderdeel van het experimentele ontwerp en de gegevensverzameling.

"Andrew nam contact op met de APS, en samen ontwierpen we een haalbaar experiment, en we hebben ook Stuart erbij gehaald om samen te werken, Almer zei. "Argonne draagt ​​vaak op deze manieren bij aan de gebruikersexperimenten, helpen bij het plannen en uitvoeren van het experiment, en vervolgens wetenschappers te koppelen aan experts in het veld."

Brown gebruikte de APS om metalen in 2014 af te beelden, en koos ervoor om terug te keren voor zijn ongeëvenaarde lichtbron en ingezeten wetenschappers.

"De APS is een indrukwekkende machine die veel experts in hun vakgebied gebruiken om bij te dragen aan allerlei interdisciplinair onderzoek, ' zei Brown. 'Je kunt deze lichtbron niet in een laboratorium krijgen. Het is een zeer economische oplossing, en je gebruikt technieken die je nergens anders kunt gebruiken."

Deze studie, en de studies die komen gaan, laat wetenschappers een kijkje nemen in de schedel om patronen in de architectuur en de mechanismen die het gedrag aansturen te onthullen.

"Kogel naar helm naar huid naar schedel naar hersenen, "Zei Rafaels. "We moeten de modellen helemaal goed hebben - voor onze legermissie en voor ons begrip van bot in het algemeen."