Gli scienziati usano spesso modelli computerizzati complessi del cranio e del cervello quando progettano caschi per prevenire o ridurre al minimo le lesioni alla testa dovute all'impatto. Questi modelli richiedono una conoscenza approfondita del comportamento del cranio e del cervello per prevedere con precisione quali caratteristiche di un casco proteggono meglio la testa.

L'Army Research Laboratory (ARL) ha recentemente collaborato con gli scienziati dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) per esaminare la microstruttura del cranio umano utilizzando raggi X ad alta energia dall'Advanced Photon Source (APS), una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE.

Una migliore caratterizzazione della struttura del cranio e la comprensione della tolleranza umana all'impatto balistico informeranno i modelli computerizzati per aiutare a sviluppare elmetti più efficaci per i soldati.

Non tutte le ossa sono uguali

Gli scienziati che studiano l'osso del cranio stanno appena iniziando a scoprire le strutture su piccola scala all'interno del nostro elmo naturale, il teschio, e la dettagliata caratterizzazione a raggi X del cranio umano alla scala di questo studio non ha precedenti.

Una delle complessità che gli scienziati stanno cercando, poiché svolgerebbe un ruolo fondamentale nella progettazione del casco, è l'anisotropia, o la variazione delle proprietà meccaniche a seconda dell'orientamento. In altre parole, gli scienziati vogliono scoprire eventuali schemi nella struttura cristallina dell'osso del cranio per vedere se si comporta diversamente se premuto o colpito da un'angolazione rispetto a un'altra.

"Altre ossa nel nostro corpo mostrano anisotropia, " ha detto il capo del team ARL Karin Rafaels. "In un femore, perché è pensato per essere portante, il cristallo e il collagene sono organizzati lungo la direzione lunga della gamba in modo che sia forte lungo quella direzione. È più fragile attraverso il femore, ecco perché le fratture sono generalmente nella direzione perpendicolare alla gamba."

Gli attuali modelli informatici trattano l'osso del cranio come isotropo, o lo stesso in tutte le direzioni. Questa è un'approssimazione decente perché il cranio non è pensato per essere portante, quindi la struttura cristallina è più casuale rispetto ad altre ossa, e qualsiasi modello sarebbe su scala molto ridotta. Ma quando si tratta del cranio e dell'impatto molto concentrato, anche piccoli modelli su piccola scala fanno una grande differenza nelle proprietà meccaniche del cranio poiché resiste a un carico ad alta velocità e su una piccola area.

"Non importa il carico esterno sul cranio, i modelli prevedono che il cranio si comporti allo stesso modo, ", ha affermato l'ingegnere ARL Andrew Brown, lo scienziato capo dello studio. "È necessariamente così? Questa era la mia grande domanda, perché in cristallografia, quanto è casuale? Possiamo quantificarlo?"

La conoscenza del comportamento meccanico di tutte le aree del cranio potrebbe aiutare i modelli al computer a determinare determinati percorsi per fermare o deviare oggetti balistici che riducono al minimo le lesioni.

"All'APS, possiamo vedere se ci sono percorsi di carico preferibili, o modi per distribuire o dirigere la forza dell'impatto, in modo che possiamo progettare i nostri caschi per sfruttare la struttura cristallina del teschio, " disse Raffaele.

Brown ha portato campioni di cranio, conservato in soluzione salina per rimanere realistico, da tutte le parti della testa, comprese dentro e intorno alle suture, o luoghi in cui le ossa del cranio si sono fuse insieme. Alla linea di luce 1-ID-E dell'APS, hanno eseguito varie scansioni lineari dei campioni su 90 gradi in due piani perpendicolari per esporre qualsiasi direzionalità nella struttura. Nell'arco di tre giorni, Brown e gli scienziati della linea di luce dell'APS Peter Kenesei e Jun-Sang Park, entrambi i fisici della Divisione di Scienze dei Raggi X, ha prodotto terabyte di dati che, dopo l'analisi, potrebbe rivelare anisotropia nei campioni.

"Anche nelle ricostruzioni veloci dei dati, potremmo già vedere differenze tra le strutture del femore rispetto al cranio, " Rafaels ha detto. "Non vedo l'ora di vedere cosa troviamo durante l'analisi."

Per testare le proprietà meccaniche dei campioni ossei rispetto alle loro strutture cristalline interne, Brown prevede di utilizzare un telaio di carico meccanico presso l'ARL per comprimere i campioni ai raggi X lungo diversi assi osservando il loro comportamento. Quindi abbinerà le strutture al comportamento meccanico per cercare le tendenze.

"Un modello che possiamo trovare è una correlazione tra la forza del campione lungo un certo asse accoppiata con un allineamento del cristallo lungo lo stesso asse, " disse Bruno.

Evoluzione di una frattura

Per la maggior parte, gli scienziati hanno cercato modelli strutturali in campioni di cranio in uno stato illeso. Però, alcuni dei campioni di cranio utilizzati nello studio avevano fratture preesistenti da un precedente esperimento ARL. Questi campioni specifici hanno dato agli scienziati nell'attuale studio l'opportunità di vedere come una frattura del cranio, derivante dall'impatto di un proiettile su un casco, e poi di quell'elmo sul cranio, ha influito sulla microstruttura all'interno del cranio.

"Più veloce è il proiettile, minore è la scala il danno può essere al cranio, " disse Raffaele, il cui background è in biomeccanica. "L'APS ci ha permesso di vedere come i carichi vengono trasmessi attraverso la struttura cristallina e come l'energia si disperde attorno alla frattura. Più capiamo come si comporta il cranio, più riusciamo a capire cosa succede al cervello."

Gli scienziati hanno utilizzato la diffusione a piccolo angolo presso l'APS per scoprire i cambiamenti nella periodicità della struttura cristallina dovuti alle fratture. Alla nanoscala, la struttura cristallina del cranio è costruita attorno a fibre di collagene flessibili. Le piastrine che formano il cristallo sono generalmente sfalsate di circa 67 nanometri l'una dall'altra sul collagene.

"Ci aspettiamo di vedere un picco dallo scattering a piccolo angolo che mostri una spaziatura di circa 67 nm, "Bruno ha detto, "quindi quando quella spaziatura cambia, sappiamo che il collagene viene allungato o compresso, e abbiamo un'idea del tipo di ceppo nel cranio dalla ferita."

Gli scienziati possono utilizzare questi dati per creare una mappa della deformazione attorno alla frattura e incorporare le informazioni nei modelli computazionali. Se i modelli includono questo comportamento dell'osso, possono prevedere con precisione quali tipi di fratture si propagano e come, con l'obiettivo finale di prevenire la propagazione.

Prossimi passi

Il team ha presentato una nuova proposta per approfondire questo studio utilizzando l'APS. Brown vuole eseguire esperimenti di diffusione in situ dell'osso del cranio che viene compresso meccanicamente sulla linea di luce. Il modo in cui la deformazione sull'osso cambia in funzione del carico applicato per campioni con intagli lavorati e campioni contenenti una frattura esistente fornirà informazioni sulle soglie meccaniche per la propagazione della frattura.

Sia per l'esperimento in corso che per gli esperimenti futuri, gli scienziati hanno chiesto molto aiuto a Jonathan Almer, Fisico dell'APS e capogruppo della Divisione di Scienze dei Raggi X, e Stuart Stock, uno scienziato dei materiali e membro di facoltà della Feinberg School of Medicine della Northwestern University. Sia Almer che Stock hanno una vasta esperienza nell'imaging osseo e pubblicano sull'argomento dal 2005. Brown e Stock sono all'avanguardia nell'analisi dei dati, e Almer è parte integrante del disegno sperimentale e della raccolta dati.

"Andrew ha contattato l'APS, e insieme abbiamo progettato un esperimento fattibile, e abbiamo anche portato Stuart a collaborare, " Ha detto Almer. "Argonne spesso contribuisce agli esperimenti degli utenti in questi modi, aiutando a pianificare e condurre l'esperimento, e poi collegando scienziati con esperti del settore".

Brown ha utilizzato l'APS per l'immagine dei metalli nel 2014, e ha scelto di tornare per la sua impareggiabile fonte di luce e per gli scienziati residenti.

"L'APS è una macchina impressionante che molti esperti nei loro campi utilizzano per contribuire a tutti i tipi di ricerca interdisciplinare, "Ha detto Brown. "Non è possibile ottenere questa fonte di luce in un laboratorio. È una soluzione molto economica, e stai usando tecniche che non puoi usare da nessun'altra parte."

Questo studio, e gli studi a venire, consentire agli scienziati di dare un'occhiata all'interno del cranio per rivelare i modelli nella sua architettura e i meccanismi che guidano il suo comportamento.

"Proiettile all'elmo alla pelle al cranio al cervello, " Ha detto Rafaels. "Dobbiamo ottenere i modelli fino in fondo, per la nostra missione dell'esercito e per la nostra comprensione delle ossa in generale".