2019-11-07 21:05:01
人类头骨的X光片可改善军用头盔

科学家在设计头盔时经常使用复杂的头骨和大脑计算机模型,以防止或最小化因撞击而对头部造成的伤害。这些模型需要对头骨和大脑的行为有全面的了解,才能准确预测头盔最能保护头部的特征。

陆军研究实验室(ARL)最近与美国能源部(DOE)阿贡国家实验室的科学家合作,使用来自先进光子源(APS)的高能X射线观察了人类头骨的微观结构。 DOE科学办公室用户设施。

更好地表征颅骨结构并了解人类对弹道撞击的承受能力将为计算机模型提供帮助,以帮助他们开发出更有效的士兵头盔。

并非所有骨骼都是一样的

研究头骨的科学家才刚刚开始发现我们天然头盔,头骨内的小规模结构,而在这项研究的规模上对人类头骨进行详细的X射线表征是前所未有的。

科学家正在寻找的复杂性之一(因为它将在头盔设计中起着不可或缺的作用)是各向异性,或机械性能根据方向的变化。换句话说,科学家们希望揭示颅骨的晶体结构中的任何图案,以查看如果从一个角度与另一个角度进行挤压(或击打),头骨的行为是否不同。

ARL小组负责人Karin Rafaels说:“我们体内的其他骨骼表现出各向异性。” “在股骨中,由于要承受负荷,因此晶体和胶原蛋白沿腿的长方向组织,因此沿该方向牢固。在股骨上较脆,这就是为什么骨折通常垂直于你的腿。”

当前的计算机模型将颅骨视为各向同性的,或者在各个方向上都是相同的。这是一个不错的近似值,因为头骨并不意味着要承受负荷,因此与其他骨骼相比,晶体结构更加随机,并且任何模式的规模都非常小。但是,当涉及到头骨和非常集中的撞击时,即使是小规模的细微花纹也对头骨的机械性能产生很大的影响,因为它可以承受高速且小面积的载荷。

该研究的首席科学家ARL工程师安德鲁·布朗(Andrew Brown)表示:“无论头骨上的外部负载如何,模型都可以预测头骨的行为方式相同。” “那是必然的吗?那是我的大问题,因为在晶体学中,随机是多么随机?我们可以量化它吗?”

头骨所有区域的机械行为的知识可以帮助计算机模型确定某些路径,以停止或偏转弹道物体,从而最大程度地减少伤害。

拉斐尔说:“在APS,我们可以看到是否有更好的加载路径,或者是分配或引导冲击力的方式,以便我们可以设计头盔来利用头骨的晶体结构。”

布朗从头部的各个部位(包括缝合线内部和周围)或头骨骨头融合在一起的地方带来了保存在盐水中的栩栩如生的头骨样本。在APS的1-ID-E光束线上,他们在两个垂直平面内对样品进行了90度以上的各种线扫描,以暴露结构中的任何方向性。在三天的时间里,X射线科学部的物理学家Brown和APS束线科学家Peter Kenesei和Jun-Sang Park产生了数TB的数据,经过分析,这些数据可以揭示样品中的各向异性。

拉法尔斯说:“即使快速重建数据,我们也已经看到股骨的结构与头骨之间的差异。” “我等不及要看我们在分析中发现了什么。”

为了测试骨样品相对于其内部晶体结构的机械性能,Brown计划在ARL处使用机械载荷框架沿不同轴压缩X射线样品,同时观察其行为。然后,他将结构与机械行为进行匹配以寻找趋势。

布朗说:“我们可能发现的一种模式是,沿某个轴的样品强度与沿同一轴的晶体排列成对。”

骨折的演变

在大多数情况下,科学家们在未受伤的头骨样品中寻找结构模式。但是,该研究中使用的某些头骨样品先前已经有来自ARL实验的骨折。这些特定的样本为当前研究中的科学家提供了一个机会,以查看颅骨骨折(是由子弹对头盔的撞击导致的,然后是头盔对颅骨的撞击导致的)如何影响颅骨内部的微观结构。

拉斐尔说:“子弹速度越快,对颅骨的伤害就越小。”他的背景是生物力学。 “ APS使我们能够看到载荷如何通过晶体结构传输以及能量如何在骨折周围分散。我们对头骨的行为了解得越多,就越能了解大脑发生了什么。”

科学家使用APS处的小角度散射来发现由于断裂而导致的晶体结构周期性变化。在纳米尺度上,头骨的晶体结构围绕着柔性胶原纤维而建。形成晶体的血小板通常在胶原蛋白上彼此错开约67纳米。

布朗说:“我们期望从小角度散射中看到一个峰,显示出约67 nm的间距,因此,当间距发生变化时,我们知道胶原蛋白正在被拉伸或压缩,并且我们了解了菌株的类型在受伤的头骨上。”

科学家可以使用这些数据绘制骨折周围的应变图,并将这些信息整合到计算模型中。如果模型包括骨骼的这种行为,则它们可以准确地预测哪些类型的骨折以及如何扩展,最终目的是防止扩展。

下一步

该团队已提交了一项新建议,以使用APS深入研究该研究。布朗想对在束线处被机械压缩的头骨进行原位散射实验。带有机械加工槽口的试样和包含现有裂缝的试样的骨骼应变随施加载荷的变化而变化的方式,将有助于洞察断裂扩展的机械阈值。

对于当前的实验和未来的实验,科学家们都从APS物理学家,X射线科学部负责人乔纳森·阿尔默(Jonathan Almer)以及西北大学Feinberg医学院的材料科学家兼研究员Stuart Stock获得了很多帮助。 Almer和Stock都具有丰富的骨骼成像经验,并且自2005年以来就一直在发表有关该主题的文章。Brown和Stock是引领数据分析的先锋,而Almer是实验设计和数据收集的组成部分。

阿尔默说:“安德鲁(Andrew)联系了APS,我们共同设计了一个可行的实验,并且还引进了Stuart进行协作。” “ Argonne通常通过这些方式为用户实验做出贡献,帮助计划和进行实验,然后将科学家与该领域的专家联系起来。”

布朗在2014年使用APS对金属进行成像,并选择返回其无与伦比的光源和驻地科学家。

布朗说:“ APS是一台令人印象深刻的机器,许多领域的专家都在使用它来促进各种跨学科研究。” “您无法在实验室中获得这种光源。这是一种非常经济的解决方案,并且您正在使用无法在其他任何地方使用的技术。”

这项研究以及即将进行的研究,使科学家能够观察头骨内部,以揭示其结构模式和驱动其行为的机制。

拉斐尔说:“从子弹到头盔,从皮肤到头骨,再到大脑。” “为了我们的陆军任务以及我们对骨骼的总体理解,我们必须一直正确地建立模型。”

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