Forskare använder ofta komplexa datormodeller av skallen och hjärnan när de designar hjälmar för att förhindra eller minimera skador på huvudet på grund av stötar. Dessa modeller kräver intrikat kunskap om beteendet hos skallen och hjärnan för att exakt förutsäga vilka egenskaper hos en hjälm som bäst skyddar huvudet.

Army Research Laboratory (ARL) slog sig nyligen ihop med forskare vid U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory för att titta på mikrostrukturen hos den mänskliga skallen med hjälp av högenergiröntgenstrålar från Advanced Photon Source (APS), en DOE Office of Science User Facility.

Bättre karakterisering av skallstrukturen och förståelse för mänsklig tolerans för ballistisk påverkan kommer att informera datormodeller för att hjälpa till att utveckla mer effektiva hjälmar för soldater.

Alla ben är inte skapade lika

Forskare som studerar skallben har precis börjat avslöja de småskaliga strukturerna i vår naturliga hjälm, skallen, och detaljerad röntgenkarakterisering av den mänskliga skallen i denna studies skala är utan motstycke.

En av de krångligheter som forskarna letar efter - eftersom det skulle spela en integrerad roll i hjälmdesign - är anisotropi, eller variationen av mekaniska egenskaper beroende på orientering. Med andra ord, forskarna vill avslöja eventuella mönster i kristallstrukturen i skallbenet för att se om det beter sig annorlunda om det trycks - eller träffas - från en vinkel jämfört med en annan.

"Andra ben i vår kropp uppvisar anisotropi, " sa ARL-teamledaren Karin Rafaels. "I ett lårben, eftersom det är tänkt att vara bärande, kristallen och kollagenet är organiserade längs benets långa riktning så att det är starkt längs den riktningen. Det är mer skört över lårbenet, vilket är anledningen till att frakturer vanligtvis är i riktningen vinkelrät mot ditt ben."

Nuvarande datormodeller behandlar skallben som isotropt, eller samma åt alla håll. Detta är en anständig uppskattning eftersom skallen inte är avsedd att vara bärande, så kristallstrukturen är mer slumpmässig jämfört med andra ben, och eventuella mönster skulle vara i mycket liten skala. Men när det kommer till skallen och mycket koncentrerad påverkan, även små mönster i liten skala gör stor skillnad i skallens mekaniska egenskaper då den tål en belastning vid hög hastighet och över en liten yta.

"Oavsett den yttre belastningen på skallen, modellerna förutspår att skallen kommer att bete sig på samma sätt, " sa ARL-ingenjören Andrew Brown, huvudforskaren i studien. "Är det nödvändigtvis så? Det var min stora fråga, eftersom i kristallografi, hur slumpmässigt är slumpmässigt? Kan vi kvantifiera det?"

Kunskapen om det mekaniska beteendet hos alla delar av skallen kan hjälpa datormodellerna att bestämma vissa vägar för att stoppa eller avleda ballistiska föremål som minimerar skador.

"På APS, vi kan se om det finns att föredra lastningsvägar, eller sätt att fördela eller styra kraften från stöten, så att vi kan designa våra hjälmar för att dra fördel av skallens kristallstruktur, sa Rafaels.

Brown tog med prover av skalle, konserverad i saltlösning för att förbli verklighetstrogen, från alla delar av huvudet, inklusive i och runt suturer, eller platser där skallbenen har smält samman. Vid 1-ID-E strållinjen för APS, de gjorde olika linjeskanningar av proverna över 90 grader i två vinkelräta plan för att exponera eventuell riktning i strukturen. Under en period av tre dagar, Brown och APS strållinjeforskarna Peter Kenesei och Jun-Sang Park, båda fysikerna på röntgenvetenskapsavdelningen, producerade terabyte av data som, efter analys, kunde avslöja anisotropi i proverna.

"Även i snabba rekonstruktioner av data, vi kunde redan se skillnader mellan strukturerna i lårbenet jämfört med skallen, " sa Rafaels. "Jag kan inte vänta med att se vad vi hittar under analysen."

För att testa de mekaniska egenskaperna hos benproverna mot deras inre kristallstrukturer, Brown planerar att använda en mekanisk lastram vid ARL för att komprimera röntgenproverna längs olika axlar samtidigt som de observerar deras beteende. Han kommer sedan att matcha strukturerna med det mekaniska beteendet för att söka efter trender.

"Ett mönster vi kan hitta är en korrelation mellan styrkan hos provet längs en viss axel parad med en kristallinriktning längs samma axel, sa Brown.

Utveckling av en fraktur

För det mesta, forskarna letade efter strukturella mönster i skallprover i ett oskadat tillstånd. Dock, några av skallproverna som användes i studien hade redan existerande frakturer från ett tidigare ARL-experiment. Dessa specifika prover gav forskarna i den aktuella studien möjligheten att se hur en skallfraktur – ett resultat av en kulas inverkan på en hjälm, och sedan av den där hjälmen på skallen – påverkade mikrostrukturen inuti skallen.

"Ju snabbare kulan, ju mindre skala skadan kan vara på skallen, sa Rafaels, vars bakgrund är inom biomekanik. "APS tillät oss att se hur belastningar överförs genom kristallstrukturen och hur energin sprids runt frakturen. Ju mer vi förstår hur skallen beter sig, desto mer kan vi förstå vad som händer med hjärnan."

Forskarna använde småvinklar spridning vid APS för att avslöja förändringar i kristallstrukturens periodicitet på grund av sprickorna. På nanoskala, skallens kristallstruktur är uppbyggd kring flexibla kollagenfibrer. Blodplättar som bildar kristallen är i allmänhet förskjutna runt 67 nanometer från varandra på kollagenet.

"Vi förväntar oss att se en topp från spridningen med liten vinkel som visar ungefär 67 nm avstånd, " sa Brown, "så när det avståndet skiftar, vi vet att kollagenet sträcks ut eller komprimeras, och vi får en uppfattning om vilken typ av belastning i skallen från skadan."

Forskarna kan använda dessa data för att göra en karta över töjningen runt frakturen och införliva informationen i beräkningsmodellerna. Om modellerna inkluderar detta beteende hos benet, de kan exakt förutsäga vilka typer av sprickor som sprider sig och hur, med slutmålet att förhindra spridning.

Nästa steg

Teamet har lämnat ett nytt förslag för att fördjupa sig i denna studie med hjälp av APS. Brown vill utföra in situ spridningsexperiment där skallbenet komprimeras mekaniskt vid strållinjen. Hur belastningen på benet förändras som en funktion av applicerad belastning för prover med bearbetade skåror och prover som innehåller en befintlig fraktur kommer att ge insikt i mekaniska trösklar för frakturförökning.

För både det aktuella experimentet och framtida experiment, forskarna har tagit mycket hjälp av Jonathan Almer, APS-fysiker och gruppledare på avdelningen för röntgenvetenskap, och Stuart Stock, en materialvetare och fakultetsmedlem vid Northwestern Universitys Feinberg School of Medicine. Både Almer och Stock har lång erfarenhet av avbildning av ben och har publicerat i ämnet sedan 2005. Brown och Stock går i spetsen för dataanalys, och Almer är en integrerad del av den experimentella designen och datainsamlingen.

"Andrew kontaktade APS, och tillsammans designade vi ett genomförbart experiment, och vi tog också in Stuart för att samarbeta, ", sa Almer. "Argonne bidrar ofta till användarexperimenten på dessa sätt, hjälpa till att planera och genomföra experimentet, och sedan länka forskare med experter på området."

Brown använde APS för att avbilda metaller 2014, och valde att återvända för sin oöverträffade ljuskälla och bosatta forskare.

"APS är en imponerande maskin som många experter inom sina områden använder för att bidra till alla typer av tvärvetenskaplig forskning, " sa Brown. "Du kan inte få den här ljuskällan i ett labb. Det är en mycket ekonomisk lösning, och du använder tekniker som du inte kan använda någon annanstans."

Den här studien, och studierna som kommer, tillåta forskare att ta en titt inuti skallen för att avslöja mönster i dess arkitektur och de mekanismer som driver dess beteende.

"Kula till hjälm till hud till skalle till hjärna, " sa Rafaels. "Vi måste få modellerna rätt hela vägen - för vårt arméuppdrag och för vår förståelse av ben i allmänhet."