Les scientifiques utilisent souvent des modèles informatiques complexes du crâne et du cerveau lors de la conception de casques pour prévenir ou minimiser les blessures à la tête dues à l'impact. Ces modèles nécessitent une connaissance approfondie du comportement du crâne et du cerveau pour prédire avec précision quelles caractéristiques d'un casque protègent le mieux la tête.

L'Army Research Laboratory (ARL) s'est récemment associé à des scientifiques du laboratoire national d'Argonne du département américain de l'Énergie (DOE) pour examiner la microstructure du crâne humain à l'aide de rayons X à haute énergie de la source avancée de photons (APS), une installation utilisateur du DOE Office of Science.

Une meilleure caractérisation de la structure du crâne et la compréhension de la tolérance humaine à l'impact balistique éclaireront les modèles informatiques pour aider à développer des casques plus efficaces pour les soldats.

Tous les os ne sont pas créés égaux

Les scientifiques qui étudient l'os du crâne commencent tout juste à découvrir les structures à petite échelle de notre casque naturel, le crâne, et la caractérisation détaillée aux rayons X du crâne humain à l'échelle de cette étude est sans précédent.

L'une des subtilités recherchées par les scientifiques, car elle jouerait un rôle essentiel dans la conception des casques, est l'anisotropie, ou la variation des propriétés mécaniques en fonction de l'orientation. En d'autres termes, les scientifiques veulent découvrir des motifs dans la structure cristalline de l'os du crâne pour voir s'il se comporte différemment s'il est pressé ou frappé sous un angle par rapport à un autre.

« D'autres os de notre corps présentent une anisotropie, " a déclaré Karin Rafaels, chef de l'équipe ARL. "Dans un fémur, parce qu'il est censé être porteur, le cristal et le collagène sont organisés le long de la direction longue de la jambe de sorte qu'il soit fort dans cette direction. Il est plus cassant au niveau du fémur, c'est pourquoi les fractures sont généralement dans la direction perpendiculaire à votre jambe."

Les modèles informatiques actuels traitent l'os du crâne comme isotrope, ou la même dans toutes les directions. C'est une approximation décente car le crâne n'est pas censé être porteur, donc la structure cristalline est plus aléatoire par rapport aux autres os, et tous les modèles seraient à très petite échelle. Mais quand il s'agit du crâne et de l'impact très concentré, même de légers motifs à petite échelle font une grande différence dans les propriétés mécaniques du crâne car il résiste à une charge à grande vitesse et sur une petite surface.

"Peu importe la charge externe sur le crâne, les modèles prédisent que le crâne se comporte de la même manière, " a déclaré l'ingénieur ARL Andrew Brown, le scientifique principal de l'étude. "Est-ce nécessairement le cas? C'était ma grande question, car en cristallographie, à quel point le hasard est-il aléatoire ? Pouvons-nous quantifier cela ?"

La connaissance du comportement mécanique de toutes les zones du crâne pourrait aider les modèles informatiques à déterminer certaines voies pour arrêter ou dévier les objets balistiques qui minimisent les blessures.

« A l'APS, nous pouvons voir s'il existe des voies de chargement préférables, ou des moyens de répartir ou de diriger la force de l'impact, afin que nous puissions concevoir nos casques pour profiter de la structure cristalline du crâne, ", a déclaré Rafael.

Brown a apporté des échantillons de crâne, conservé dans une solution saline pour rester réaliste, de toutes les parties de la tête, y compris dans et autour des sutures, ou des endroits où les os du crâne ont fusionné. Sur la ligne de lumière 1-ID-E de l'APS, ils ont effectué divers balayages linéaires des échantillons sur 90 degrés dans deux plans perpendiculaires pour exposer toute directionnalité dans la structure. Sur une période de trois jours, Brown et les scientifiques de la ligne de lumière APS Peter Kenesei et Jun-Sang Park, les deux physiciens de la Division des sciences des rayons X, produit des téraoctets de données qui, après analyse, pourrait révéler une anisotropie dans les échantillons.

"Même dans les reconstructions rapides des données, on pouvait déjà voir des différences entre les structures du fémur par rapport au crâne, " Rafaels a déclaré. "J'ai hâte de voir ce que nous trouverons lors de l'analyse."

Pour tester les propriétés mécaniques des échantillons d'os par rapport à leurs structures cristallines internes, Brown prévoit d'utiliser un bâti de charge mécanique à l'ARL pour compresser les échantillons radiographiés le long de différents axes tout en observant leur comportement. Il fera ensuite correspondre les structures avec le comportement mécanique pour rechercher des tendances.

"Un modèle que nous pouvons trouver est une corrélation entre la force de l'échantillon le long d'un certain axe associé à un alignement cristallin le long de ce même axe, ", a déclaré Brown.

Évolution d'une fracture

Pour la plupart, les scientifiques ont recherché des modèles structurels dans des échantillons de crâne indemnes. Cependant, certains des échantillons de crâne utilisés dans l'étude présentaient des fractures préexistantes d'une précédente expérience ARL. Ces échantillons spécifiques ont donné aux scientifiques de la présente étude l'occasion de voir comment une fracture du crâne, résultant de l'impact d'une balle sur un casque, et puis de ce casque sur le crâne-affecté la microstructure à l'intérieur du crâne.

"Plus la balle est rapide, plus les dommages peuvent être causés au crâne à petite échelle, " dit Rafaels, dont la formation est en biomécanique. "L'APS nous a permis de voir comment les charges sont transmises à travers la structure cristalline et comment l'énergie est dispersée autour de la fracture. Plus nous comprenons le comportement du crâne, plus nous pouvons comprendre ce qui arrive au cerveau."

Les scientifiques ont utilisé la diffusion aux petits angles à l'APS pour découvrir les changements dans la périodicité de la structure cristalline dus aux fractures. A l'échelle nanométrique, la structure cristalline du crâne est construite autour de fibres de collagène flexibles. Les plaquettes qui forment le cristal sont généralement décalées d'environ 67 nanomètres les unes des autres sur le collagène.

"Nous nous attendons à voir un pic de la diffusion aux petits angles montrant un espacement d'environ 67 nm, " Brown a dit, "Alors quand cet espacement change, nous savons que le collagène est étiré ou comprimé, et nous avons une idée du type de tension dans le crâne due à la blessure."

Les scientifiques peuvent utiliser ces données pour dresser une carte de la déformation autour de la fracture et incorporer les informations dans les modèles informatiques. Si les modèles incluent ce comportement de l'os, ils peuvent prédire avec précision quels types de fractures se propagent et comment, dans le but final d'empêcher la propagation.

Prochaines étapes

L'équipe a soumis une nouvelle proposition pour approfondir cette étude à l'aide de l'APS. Brown souhaite réaliser des expériences de diffusion in situ de l'os du crâne comprimé mécaniquement au niveau de la ligne de lumière. La façon dont la contrainte sur l'os change en fonction de la charge appliquée pour les spécimens avec des encoches usinées et les spécimens contenant une fracture existante donnera un aperçu des seuils mécaniques pour la propagation de la fracture.

Tant pour l'expérience actuelle que pour les expériences futures, les scientifiques ont demandé beaucoup d'aide à Jonathan Almer, Physicien de l'APS et chef de groupe à la Division des sciences des rayons X, et Stuart Stock, un scientifique des matériaux et membre du corps professoral de la Feinberg School of Medicine de la Northwestern University. Almer et Stock ont ​​tous deux une vaste expérience en imagerie osseuse et publient sur le sujet depuis 2005. Brown et Stock sont les fers de lance de l'analyse des données, et Almer fait partie intégrante de la conception expérimentale et de la collecte de données.

"Andrew a contacté l'APS, et ensemble, nous avons conçu une expérience réalisable, et nous avons également amené Stuart à collaborer, " Almer a déclaré. " Argonne contribue souvent aux expériences des utilisateurs de ces manières, aider à planifier et à mener l'expérience, puis mettre en relation des scientifiques avec des experts dans le domaine. »

Brown a utilisé l'APS pour imager les métaux en 2014, et a choisi de revenir pour sa source de lumière inégalée et ses scientifiques résidents.

"L'APS est une machine impressionnante que beaucoup d'experts dans leurs domaines utilisent pour contribuer à toutes sortes de recherches interdisciplinaires, " a déclaré Brown. " Vous ne pouvez pas obtenir cette source de lumière dans un laboratoire. C'est une solution très économique, et vous utilisez des techniques que vous ne pouvez utiliser nulle part ailleurs."

Cette étude, et les études à venir, permettre aux scientifiques de jeter un coup d'œil à l'intérieur du crâne pour révéler des modèles dans son architecture et les mécanismes qui régissent son comportement.

"De la balle au casque à la peau au crâne au cerveau, " Rafaels a déclaré. "Nous devons obtenir les modèles jusqu'au bout, pour notre mission de l'armée et pour notre compréhension de l'os en général."