Røntgenbilleder af menneskeskalle for at forbedre militærhjelme

Forskere bruger ofte komplekse computermodeller af kraniet og hjernen, når de designer hjelme for at forhindre eller minimere skader på hovedet på grund af stød. Disse modeller kræver indviklet viden om kraniets og hjernens adfærd for præcist at forudsige, hvilke egenskaber ved en hjelm bedst beskytter hovedet.

Army Research Laboratory (ARL) gik for nylig sammen med forskere ved det amerikanske energiministeriums (DOE) Argonne National Laboratory for at se på mikrostrukturen af ​​det menneskelige kranie ved hjælp af højenergirøntgenstråler fra Advanced Photon Source (APS), en DOE Office of Science brugerfacilitet.

Bedre karakterisering af kraniets struktur og forståelse af menneskelig tolerance over for ballistisk påvirkning vil informere computermodeller til at hjælpe med at udvikle mere effektive hjelme til soldater.

Ikke alle knogler er skabt lige

Forskere, der studerer kranieknogler, er lige begyndt at afsløre de små strukturer i vores naturlige hjelm, kraniet, og detaljeret røntgenkarakterisering af det menneskelige kranium i denne undersøgelses skala er uden fortilfælde.

En af de forviklinger, forskerne leder efter - da det ville spille en integreret rolle i hjelmdesign - er anisotropi, eller variationen af ​​mekaniske egenskaber afhængig af orientering. Med andre ord, forskerne ønsker at afdække eventuelle mønstre i krystalstrukturen af ​​kranieknoglen for at se, om den opfører sig anderledes, hvis den trykkes - eller rammes - fra én vinkel sammenlignet med en anden.

"Andre knogler i vores krop udviser anisotropi, " sagde ARL teamleder Karin Rafaels. "I et lårben, fordi det er beregnet til at være bærende, krystal og kollagen er organiseret langs benets lange retning, så det er stærkt i den retning. Det er mere skørt over lårbenet, Derfor er brud generelt i retningen vinkelret på dit ben."

Nuværende computermodeller behandler kranieknogle som isotropisk, eller det samme i alle retninger. Dette er en anstændig tilnærmelse, fordi kraniet ikke er beregnet til at være bærende, så krystalstrukturen er mere tilfældig sammenlignet med andre knogler, og eventuelle mønstre ville være i meget lille skala. Men når det kommer til kraniet og meget koncentreret påvirkning, selv små mønstre i lille skala gør en stor forskel i kraniets mekaniske egenskaber, da det modstår en belastning ved høj hastighed og over et lille område.

"Uanset den ydre belastning på kraniet, modellerne forudsiger kraniet til at opføre sig på samme måde, " sagde ARL-ingeniør Andrew Brown, den ledende videnskabsmand på undersøgelsen. "Er det nødvendigvis tilfældet? Det var mit store spørgsmål, fordi i krystallografi, hvor tilfældigt er tilfældigt? Kan vi kvantificere det?"

Kendskabet til den mekaniske opførsel af alle områder af kraniet kan hjælpe computermodellerne med at bestemme bestemte veje til at stoppe eller afbøje ballistiske genstande, der minimerer skade.

"Hos ApS, vi kan se, om der er foretrukne læsseveje, eller måder at fordele eller dirigere påvirkningens kraft på, så vi kan designe vores hjelme til at drage fordel af kraniets krystalstruktur, sagde Rafaels.

Brown medbragte prøver af kraniet, konserveret i saltvand for at forblive naturtro, fra alle dele af hovedet, inklusive i og omkring suturer, eller steder, hvor kranieknoglerne er smeltet sammen. Ved APS'ens 1-ID-E beamline, de lavede forskellige linjescanninger af prøverne over 90 grader i to vinkelrette planer for at afsløre enhver retningsbestemthed i strukturen. Over en periode på tre dage, Brown og APS-strålelinjeforskerne Peter Kenesei og Jun-Sang Park, begge fysikere i X-ray Science Division, producerede terabytes af data, der, efter analyse, kunne afsløre anisotropi i prøverne.

"Selv i hurtige rekonstruktioner af dataene, vi kunne allerede se forskelle mellem strukturerne af lårbenet sammenlignet med kraniet, " sagde Rafaels. "Jeg kan ikke vente med at se, hvad vi finder under analysen."

For at teste de mekaniske egenskaber af knogleprøverne mod deres indre krystalstrukturer, Brown planlægger at bruge en mekanisk belastningsramme ved ARL til at komprimere røntgenprøverne langs forskellige akser, mens de observerer deres adfærd. Han vil derefter matche strukturerne med den mekaniske adfærd for at søge efter trends.

"Et mønster, vi kan finde, er en korrelation mellem styrken af ​​prøven langs en bestemt akse parret med en krystaljustering langs den samme akse, " sagde Brown.

Udvikling af et brud

For det meste, forskerne ledte efter strukturelle mønstre i kranieprøver i en uskadet tilstand. Imidlertid, nogle af kranieprøverne brugt i undersøgelsen havde allerede eksisterende frakturer fra et tidligere ARL-eksperiment. Disse specifikke prøver gav forskerne i den aktuelle undersøgelse mulighed for at se, hvordan et kraniebrud - som følge af en kugles påvirkning på en hjelm, og så af den hjelm på kraniet - påvirkede mikrostrukturen inde i kraniet.

"Jo hurtigere kuglen er, jo mindre skala skaden kan være på kraniet, sagde Rafaels, hvis baggrund er i biomekanik. "APS gav os mulighed for at se, hvordan belastninger transmitteres gennem krystalstrukturen, og hvordan energien spredes rundt om bruddet. Jo mere vi forstår, hvordan kraniet opfører sig, jo mere kan vi forstå, hvad der sker med hjernen."

Forskerne brugte spredning med små vinkler ved APS til at afdække ændringer i krystalstrukturens periodicitet på grund af brud. På nanoskala, kraniets krystalstruktur er bygget op omkring fleksible kollagenfibre. Blodplader, der danner krystallen, er generelt forskudt omkring 67 nanometer fra hinanden på kollagenet.

"Vi forventer at se en top fra spredningen med små vinkler, der viser cirka 67 nm afstand, " sagde Brown, "så når den mellemrum skifter, vi ved, at kollagenet strækkes eller komprimeres, og vi får en idé om typen af ​​belastning i kraniet fra skaden."

Forskerne kan bruge disse data til at lave et kort over belastningen omkring bruddet og inkorporere informationen i beregningsmodellerne. Hvis modellerne inkluderer denne opførsel af knoglen, de kan præcist forudsige, hvilke slags brud der forplanter sig og hvordan, med det endelige mål at forhindre spredning.

Næste skridt

Holdet har indsendt et nyt forslag til at dykke dybere ned i denne undersøgelse ved hjælp af APS. Brown ønsker at udføre in situ spredningseksperimenter med kranieknogler, der bliver mekanisk komprimeret ved beamline. Den måde, hvorpå belastningen på knoglen ændrer sig som funktion af påført belastning for prøver med bearbejdede hak og prøver, der indeholder en eksisterende fraktur, vil give indsigt i mekaniske tærskler for frakturudbredelse.

For både det nuværende eksperiment og fremtidige eksperimenter, forskerne har fået meget hjælp fra Jonathan Almer, APS fysiker og gruppeleder i X-ray Science Division, og Stuart Stock, en materialeforsker og fakultetsmedlem af Northwestern University's Feinberg School of Medicine. Både Almer og Stock har stor erfaring med billeddannelse af knogler og har udgivet om emnet siden 2005. Brown og Stock går i spidsen for dataanalyse, og Almer er en integreret del af det eksperimentelle design og dataindsamling.

"Andrew kontaktede APS, og sammen designede vi et gennemførligt eksperiment, og vi hentede også Stuart til at samarbejde, " sagde Almer. "Argonne bidrager ofte til brugereksperimenterne på disse måder, hjælpe med at planlægge og udføre eksperimentet, og derefter forbinde videnskabsmænd med eksperter på området."

Brown brugte APS til at afbilde metaller i 2014, og valgte at vende tilbage for sin enestående lyskilde og fastboende videnskabsmænd.

"APS er en imponerende maskine, som en masse eksperter inden for deres områder bruger til at bidrage til alle former for tværfaglig forskning, " sagde Brown. "Du kan ikke få denne lyskilde i et laboratorium. Det er en meget økonomisk løsning, og du bruger teknikker, du ikke kan bruge andre steder."

Dette studie, og de kommende studier, tillade videnskabsmænd at tage et kig ind i kraniet for at afsløre mønstre i dens arkitektur og de mekanismer, der driver dens adfærd.

"Kugle til hjelm til hud til kranie til hjerne, " sagde Rafaels. "Vi er nødt til at få modellerne rigtigt hele vejen igennem - for vores hærmission og for vores forståelse af knogler generelt."