Os cientistas costumam usar modelos de computador complexos do crânio e do cérebro ao projetar capacetes para prevenir ou minimizar ferimentos na cabeça devido ao impacto. Esses modelos requerem um conhecimento complexo do comportamento do crânio e do cérebro para prever com precisão quais características de um capacete melhor protegem a cabeça.

O Laboratório de Pesquisa do Exército (ARL) recentemente se uniu a cientistas do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) para observar a microestrutura do crânio humano usando raios-X de alta energia da Fonte Avançada de Fótons (APS), um DOE Office of Science User Facility.

Uma melhor caracterização da estrutura do crânio e a compreensão da tolerância humana ao impacto balístico informarão os modelos de computador para ajudar a desenvolver capacetes mais eficazes para os soldados.

Nem todos os ossos são criados iguais

Os cientistas que estudam o osso do crânio estão apenas começando a descobrir as estruturas de pequena escala dentro do nosso capacete natural, a caveira, e a caracterização detalhada de raios-X do crânio humano na escala deste estudo não tem precedentes.

Uma das complexidades que os cientistas estão procurando - já que teria um papel fundamental no design do capacete - é a anisotropia, ou a variação das propriedades mecânicas dependendo da orientação. Em outras palavras, os cientistas querem descobrir quaisquer padrões na estrutura cristalina do osso do crânio para ver se ele se comporta de maneira diferente se pressionado - ou atingido - de um ângulo em comparação com outro.

"Outros ossos em nosso corpo apresentam anisotropia, "disse a líder da equipe ARL, Karin Rafaels." Em um fêmur, porque se destina a ser de suporte de carga, o cristal e o colágeno são organizados ao longo da direção da perna, de modo que sejam fortes nessa direção. É mais frágil no fêmur, é por isso que as fraturas são geralmente na direção perpendicular à perna. "

Os modelos de computador atuais tratam o osso do crânio como isotrópico, ou o mesmo em todas as direções. Esta é uma aproximação decente porque o crânio não foi feito para suportar carga, então a estrutura do cristal é mais aleatória em comparação com outros ossos, e quaisquer padrões seriam em uma escala muito pequena. Mas quando se trata do crânio e do impacto muito concentrado, mesmo pequenos padrões em pequena escala fazem uma grande diferença nas propriedades mecânicas do crânio, pois ele suporta uma carga em alta velocidade e em uma pequena área.

"Não importa a carga externa no crânio, os modelos prevêem que o crânio se comporte da mesma maneira, "disse o engenheiro da ARL Andrew Brown, o principal cientista do estudo. "É necessariamente esse o caso? Essa era a minha grande questão, porque na cristalografia, quão aleatório é aleatório? Podemos quantificar isso? "

O conhecimento do comportamento mecânico de todas as áreas do crânio pode ajudar os modelos de computador a determinar certos caminhos para parar ou desviar objetos balísticos que minimizam os ferimentos.

"Na APS, podemos ver se há caminhos de carregamento preferíveis, ou formas de distribuir ou direcionar a força do impacto, para que possamos projetar nossos capacetes para aproveitar a estrutura de cristal do crânio, "disse Rafaels.

Brown trouxe amostras de crânio, preservado em solução salina para permanecer vivo, de todas as partes da cabeça, incluindo dentro e ao redor de suturas, ou lugares onde os ossos do crânio se fundiram. Na linha de luz 1-ID-E do APS, eles fizeram várias varreduras de linha das amostras acima de 90 graus em dois planos perpendiculares para expor qualquer direcionalidade na estrutura. Durante um período de três dias, Brown e os cientistas da linha de luz APS Peter Kenesei e Jun-Sang Park, ambos físicos da Divisão de Ciência de Raios-X, produziram terabytes de dados que, após análise, poderia revelar anisotropia nas amostras.

"Mesmo em reconstruções rápidas dos dados, já podíamos ver diferenças entre as estruturas do fêmur em comparação com o crânio, "Rafaels disse." Mal posso esperar para ver o que encontraremos durante a análise.

Para testar as propriedades mecânicas das amostras ósseas contra suas estruturas cristalinas internas, Brown planeja usar uma estrutura de carga mecânica no ARL para comprimir as amostras radiografadas ao longo de diferentes eixos enquanto observa seu comportamento. Em seguida, ele irá combinar as estruturas com o comportamento mecânico para pesquisar tendências.

"Um padrão que podemos encontrar é uma correlação entre a força da amostra ao longo de um determinado eixo emparelhado com um alinhamento de cristal ao longo desse mesmo eixo, "Brown disse.

Evolução de uma fratura

Em geral, os cientistas procuraram padrões estruturais em amostras de crânio sem lesões. Contudo, algumas das amostras de crânio usadas no estudo tinham fraturas pré-existentes de um experimento anterior de ARL. Essas amostras específicas deram aos cientistas do estudo atual a oportunidade de ver como uma fratura no crânio - resultante do impacto de uma bala em um capacete, e então daquele capacete no crânio - afetou a microestrutura dentro do crânio.

"Quanto mais rápido a bala, quanto menor o dano ao crânio, "disse Rafaels, cuja formação é em biomecânica. “O APS nos permitiu ver como as cargas são transmitidas através da estrutura do cristal e como a energia é dispersa ao redor da fratura. Quanto mais entendemos como o crânio se comporta, mais podemos entender o que acontece com o cérebro. "

Os cientistas usaram o espalhamento de pequeno ângulo no APS para descobrir mudanças na periodicidade da estrutura do cristal devido às fraturas. Na nanoescala, a estrutura cristalina do crânio é construída em torno de fibras de colágeno flexíveis. As plaquetas que formam o cristal são geralmente distribuídas em torno de 67 nanômetros umas das outras no colágeno.

"Esperamos ver um pico do espalhamento de pequeno ângulo mostrando um espaçamento de aproximadamente 67 nm, "Brown disse, "então, quando o espaçamento muda, sabemos que o colágeno está sendo esticado ou comprimido, e temos uma ideia do tipo de lesão no crânio devido ao ferimento. "

Os cientistas podem usar esses dados para fazer um mapa da deformação em torno da fratura e incorporar as informações aos modelos computacionais. Se os modelos incluem este comportamento do osso, eles podem prever com precisão quais tipos de fraturas se propagam e como, com o objetivo final de impedir a propagação.

Próximos passos

A equipe apresentou uma nova proposta para se aprofundar neste estudo usando o APS. Brown deseja realizar experimentos de espalhamento in situ do osso do crânio sendo mecanicamente comprimido na linha de luz. A maneira como a deformação no osso muda em função da carga aplicada para espécimes com entalhes usinados e espécimes contendo uma fratura existente fornecerá uma visão dos limites mecânicos para a propagação da fratura.

Tanto para o experimento atual quanto para os experimentos futuros, os cientistas conseguiram muita ajuda de Jonathan Almer, Físico APS e líder de grupo na Divisão de Ciência de Raios-X, e Stuart Stock, cientista de materiais e membro do corpo docente da Feinberg School of Medicine da Northwestern University. Tanto Almer quanto Stock têm vasta experiência em imagens ósseas e publicam sobre o assunto desde 2005. Brown e Stock estão liderando a análise de dados, e Almer é parte integrante do projeto experimental e coleta de dados.

"Andrew contatou a APS, e juntos projetamos um experimento viável, e também trouxemos Stuart para colaborar, "Almer disse." Argonne frequentemente contribui para os experimentos do usuário dessas maneiras, ajudando a planejar e conduzir o experimento, e, em seguida, ligando cientistas a especialistas na área. "

Brown usou o APS para criar imagens de metais em 2014, e optou por voltar para sua fonte de luz incomparável e cientistas residentes.

"O APS é uma máquina impressionante que muitos especialistas em suas áreas usam para contribuir com todos os tipos de pesquisa interdisciplinar, "Brown disse." Você não pode obter esta fonte de luz em um laboratório. É uma solução muito econômica, e você está usando técnicas que não pode usar em nenhum outro lugar. "

Este estudo, e os estudos que virão, permitem que os cientistas dêem uma olhada dentro do crânio para revelar padrões em sua arquitetura e os mecanismos que conduzem seu comportamento.

"Bala para capacete, pele, crânio, cérebro, "Rafaels disse." Precisamos acertar os modelos do começo ao fim - para nossa missão do Exército e para nossa compreensão dos ossos em geral. "