Los científicos a menudo utilizan modelos informáticos complejos del cráneo y el cerebro al diseñar cascos para prevenir o minimizar las lesiones en la cabeza debidas al impacto. Estos modelos requieren un conocimiento complejo del comportamiento del cráneo y el cerebro para predecir con precisión qué características de un casco protegen mejor la cabeza.

El Laboratorio de Investigación del Ejército (ARL) se asoció recientemente con científicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) para observar la microestructura del cráneo humano utilizando rayos X de alta energía de la Fuente de Fotones Avanzados (APS), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.

Una mejor caracterización de la estructura del cráneo y la comprensión de la tolerancia humana al impacto balístico informarán a los modelos informáticos para ayudar a desarrollar cascos más efectivos para los soldados.

No todos los huesos son iguales

Los científicos que estudian el hueso del cráneo recién están comenzando a descubrir las estructuras a pequeña escala dentro de nuestro casco natural, la calavera, y la caracterización detallada de rayos X del cráneo humano a la escala de este estudio no tiene precedentes.

Una de las complejidades que están buscando los científicos, ya que desempeñaría un papel integral en el diseño de cascos, es la anisotropía, o la variación de las propiedades mecánicas en función de la orientación. En otras palabras, los científicos quieren descubrir cualquier patrón en la estructura cristalina del hueso del cráneo para ver si se comporta de manera diferente si se presiona (o se golpea) desde un ángulo en comparación con otro.

"Otros huesos de nuestro cuerpo exhiben anisotropía, "dijo la líder del equipo ARL Karin Rafaels." En un fémur, porque está destinado a soportar cargas, el cristal y el colágeno están organizados a lo largo de la dirección longitudinal de la pierna para que sea fuerte en esa dirección. Es más frágil en el fémur, razón por la cual las fracturas son generalmente en la dirección perpendicular a la pierna ".

Los modelos informáticos actuales tratan el hueso del cráneo como isotrópico, o lo mismo en todas las direcciones. Esta es una aproximación decente porque el cráneo no está destinado a soportar cargas, por lo que la estructura del cristal es más aleatoria en comparación con otros huesos, y cualquier patrón sería a muy pequeña escala. Pero cuando se trata del cráneo y el impacto muy concentrado, Incluso los patrones leves a pequeña escala marcan una gran diferencia en las propiedades mecánicas del cráneo, ya que soporta una carga a alta velocidad y en un área pequeña.

"No importa la carga externa en el cráneo, los modelos predicen que el cráneo se comportará de la misma manera, "dijo el ingeniero de ARL Andrew Brown, el científico principal del estudio. "¿Es ese necesariamente el caso? Esa fue mi gran pregunta, porque en cristalografía, ¿Qué tan aleatorio es aleatorio? ¿Podemos cuantificar eso? "

El conocimiento del comportamiento mecánico de todas las áreas del cráneo podría ayudar a los modelos informáticos a determinar ciertas vías para detener o desviar objetos balísticos que minimicen las lesiones.

"En el APS, podemos ver si hay rutas de carga preferibles, o formas de distribuir o dirigir la fuerza del impacto, para que podamos diseñar nuestros cascos para aprovechar la estructura cristalina de la calavera, "dijo Rafaels.

Brown trajo muestras de cráneo, conservado en solución salina para que siga siendo realista, de todas las partes de la cabeza, incluso dentro y alrededor de las suturas, o lugares donde los huesos del cráneo se han fusionado. En la línea de luz 1-ID-E del APS, Hicieron varios barridos lineales de las muestras a más de 90 grados en dos planos perpendiculares para exponer cualquier direccionalidad en la estructura. Durante un período de tres días, Brown y los científicos de la línea de luz APS Peter Kenesei y Jun-Sang Park, ambos físicos de la División de Ciencias de Rayos X, produjo terabytes de datos que, después del análisis, podría revelar anisotropía en las muestras.

"Incluso en reconstrucciones rápidas de los datos, ya pudimos ver diferencias entre las estructuras del fémur en comparación con el cráneo, ", Dijo Rafaels." No puedo esperar a ver lo que encontramos durante el análisis ".

Para probar las propiedades mecánicas de las muestras de hueso contra sus estructuras cristalinas internas, Brown planea usar un marco de carga mecánico en el ARL para comprimir las muestras de rayos X a lo largo de diferentes ejes mientras observa su comportamiento. Luego emparejará las estructuras con el comportamiento mecánico para buscar tendencias.

"Un patrón que podemos encontrar es una correlación entre la fuerza de la muestra a lo largo de un cierto eje emparejado con una alineación de cristal a lo largo de ese mismo eje, "Dijo Brown.

Evolución de una fractura

En la mayor parte, los científicos buscaron patrones estructurales en muestras de cráneos en un estado ileso. Sin embargo, algunas de las muestras de cráneo utilizadas en el estudio tenían fracturas preexistentes de un experimento ARL anterior. Estas muestras específicas dieron a los científicos del estudio actual la oportunidad de ver cómo una fractura de cráneo, resultante del impacto de una bala en un casco, y luego de ese casco en el cráneo - afectó la microestructura dentro del cráneo.

"Cuanto más rápida sea la bala, Cuanto menor sea el daño en el cráneo, "dijo Rafaels, cuya formación es en biomecánica. "El APS nos permitió ver cómo se transmiten las cargas a través de la estructura cristalina y cómo se dispersa la energía alrededor de la fractura. Cuanto más entendemos cómo se comporta el cráneo, cuanto más entendamos lo que le sucede al cerebro ".

Los científicos utilizaron la dispersión de ángulo pequeño en el APS para descubrir cambios en la periodicidad de la estructura cristalina debido a las fracturas. A nanoescala, la estructura cristalina del cráneo está construida alrededor de fibras de colágeno flexibles. Las plaquetas que forman el cristal generalmente están escalonadas alrededor de 67 nanómetros entre sí en el colágeno.

"Esperamos ver un pico de la dispersión de ángulo pequeño que muestre un espaciado de aproximadamente 67 nm, "Brown dijo, "así que cuando ese espaciado cambia, sabemos que el colágeno se estira o comprime, y nos hacemos una idea del tipo de tensión en el cráneo a causa de la lesión ".

Los científicos pueden usar estos datos para hacer un mapa de deformación alrededor de la fractura e incorporar la información en los modelos computacionales. Si los modelos incluyen este comportamiento del hueso, Pueden predecir con precisión qué tipo de fracturas se propagan y cómo, con el objetivo final de prevenir la propagación.

Próximos pasos

El equipo ha presentado una nueva propuesta para profundizar en este estudio utilizando el APS. Brown quiere realizar experimentos de dispersión in situ de huesos del cráneo comprimidos mecánicamente en la línea de luz. La forma en que cambia la tensión en el hueso en función de la carga aplicada para muestras con muescas mecanizadas y muestras que contienen una fractura existente proporcionará información sobre los umbrales mecánicos para la propagación de la fractura.

Tanto para el experimento actual como para los experimentos futuros, los científicos han contado con mucha ayuda de Jonathan Almer, Físico de APS y líder de grupo en la División de Ciencias de Rayos X, y Stuart Stock, científico de materiales y miembro de la facultad de la Facultad de Medicina Feinberg de la Universidad de Northwestern. Tanto Almer como Stock tienen una amplia experiencia en imágenes de huesos y han estado publicando sobre el tema desde 2005. Brown y Stock están a la vanguardia del análisis de datos, y Almer es parte integral del diseño experimental y la recopilación de datos.

"Andrew se puso en contacto con la APS, y juntos diseñamos un experimento factible, y también trajimos a Stuart para colaborar, ", Dijo Almer." Argonne a menudo contribuye a los experimentos del usuario de estas formas, ayudar a planificar y realizar el experimento, y luego vincular a los científicos con expertos en el campo ".

Brown usó el APS para obtener imágenes de metales en 2014, y eligió regresar por su incomparable fuente de luz y científicos residentes.

"El APS es una máquina impresionante que muchos expertos en sus campos utilizan para contribuir a todo tipo de investigación interdisciplinaria, "Dijo Brown." No se puede obtener esta fuente de luz en un laboratorio. Es una solución muy económica, y estás usando técnicas que no puedes usar en ningún otro lugar ".

Este estudio, y los estudios por venir, permiten a los científicos echar un vistazo al interior del cráneo para revelar patrones en su arquitectura y los mecanismos que impulsan su comportamiento.

"Bala a casco a piel a cráneo a cerebro, ", Dijo Rafaels." Tenemos que hacer bien los modelos hasta el final, para nuestra misión del Ejército y para nuestra comprensión de los huesos en general ".