一种物理头部模型和测试系统技术方案

一种物理头部模型和测试系统。该物理头部模型包括：模拟颅骨形状的颅骨模型、位于所述颅骨模型中模拟脑组织形状的脑组织模型，包裹所述脑组织模型的脑膜模型，填充所述颅骨模型和脑膜模型间隙的脑脊液模型，以及，包裹所述颅骨模型的皮肤模型，其中：所述脑组织模型由水凝胶制成。本实施例提供的物理头部模型，真实反映头部生理结构，结合动态测试系统,可开展颅脑损伤等相关机理研究，对头盔等防护设备的生物防护性能进行评估。 1

【技术实现步骤摘要】
一种物理头部模型和测试系统
本专利技术涉及物理头部模型，尤指一种物理头部模型和测试系统。
技术介绍
研究人类颅脑在碰撞、爆炸等情况下的损伤机理是当前的研究热点。当前的动物实验与简单物理头部模型不能真正反映人类颅脑在冲击载荷下的动态响应规律，而活人实验有违道德伦理，死尸实验样本数量少且成本过高。因此，开发高仿真物理头部模型就显得尤为重要。
技术实现思路
本专利技术至少一实施例提供了一种物理头部模型和测试系统。本专利技术一实施例提供一种物理头部模型，包括：模拟颅骨形状的颅骨模型、位于所述颅骨模型中模拟脑组织形状的脑组织模型，包裹所述脑组织模型的脑膜模型，填充所述颅骨模型和脑膜模型间隙的脑脊液模型，以及，包裹所述颅骨模型的皮肤模型，其中：所述脑组织模型由水凝胶制成。本专利技术一实施例提供一种测试系统，包括：上述物理头部模型，还包括压力测试系统，所述压力测试系统包括微型防水压力传感器、微型防水压力传感器相连的第一放大电路，以及与所述第一放大电路相连的第一采集设备，所述微型防水压力传感器设置于所述头部仿真模型的脑脊液模型和脑组织模型中；其中：所述微型防水压力传感器用于将压力转换为第一电压信号，传递给所述第一放大电路；所述第一放大电路用于将所述第一电压信号放大后传递给第一采集设备；所述第一采集设备用于采集放大后的所述第一电压信号，将其转换为压力信号。与相关技术相比，本专利技术一实施例提供的物理头部模型，可以真实反映头部生理结构，并结合测试系统进行头部在各种情况下的动态响应测试。本专利技术的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本专利技术而了解。本专利技术的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。附图说明附图用来提供对本专利技术技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本专利技术的技术方案，并不构成对本专利技术技术方案的限制。图1为本专利技术一实施例提供的物理头部模型示意图(正剖图)；图2为本专利技术一实施例提供的物理头部模型示意图(侧剖图)；图3为本专利技术一实施例提供的物理头部模型制备方法流程图；图4为本专利技术一实施例提供的测试系统框图；图5为本专利技术一实施例提供的压力测试系统框图；图6(a)为本专利技术一实施例提供的微型防水压力传感器位置示意图；图6(b)为本专利技术另一实施例提供的微型防水压力传感器位置示意图；图7为本专利技术一实施例提供的应变测试系统框图；图8为本专利技术一实施例提供的位移加速度测试系统框图；图9为本专利技术一实施例提供的位移加速度测试方法流程图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本专利技术的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本专利技术所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。本专利技术一实施例提供一种物理头部模型100，如图1和图2所示，包括：模拟颅骨形状的颅骨模型101，位于所述颅骨模型101中模拟脑组织形状的脑组织模型102、包裹所述脑组织模型102的脑膜模型103，填充所述颅骨模型101和脑膜模型103间隙的脑脊液模型104，以及，包裹所述颅骨模型的皮肤模型105，其中：所述脑组织模型102由水凝胶制成。在一实施例中，所述脑组织模型102所使用的水凝胶包括：87.9308％的去离子水、12％的丙烯酰胺、0.0024％的N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、0.0568％的过硫酸铵、0.01％的N,N,N’,N’-四甲基乙二胺。具体如表1所示。表1制备水凝胶所用原材料及相应配比此水凝胶在常温下4小时左右即可固化，材料力学性能与微观结果同大脑组织较为接近。水凝胶为几乎不可压缩材料，密度为1.03g/cm3，弹性模量在10KPa左右，体积模量为2.0GPa左右，与脑组织力学性能较为接近。水凝胶由化学键交联构成空间网状结构，水分子锁定在这些网状结构中；而脑组织由神经细胞组成神经网络，体液等液体在网络中进行有序循环。因此，水凝胶能够近似表征脑组织的微观结构。在其他实施例中，也可采用硅胶等软体物质替代水凝胶制作脑组织模型102。需要说明的是，由于本模型主要用于评估颅脑在外界载荷下的力学响应，因此，对应头部的眼睛、耳朵、鼻子等器官进行简化，直接使用皮肤模型包覆所述颅骨模型。当然，本申请不限于此，也可以制作眼睛、耳朵、鼻子等器官。在一实施例中，所述颅骨模型101由高韧树脂制成，也可采用硬度与刚度同颅骨接近的其它材料进行替代，如聚乙烯塑料等。所述高韧树脂硬度为86shoreD，弯曲模量为2692-2775MPa，弯曲强度为69-74MPa，拉伸模量为2589-2695MPa，拉伸强度为38-56MPa，断裂延长率为12-20％，缺口冲击强度为48-55j/m。如表2所示，该高韧树脂力学性能与颅骨较为接近。表2代替颅骨所用高韧树脂力学性能指标在一实施例中，所述颅骨模型101可采用3D打印的方式得到。具体的，可以对颅骨进行扫描，生成颅骨的三维图像，按表2中的参数选择打印材料，然后进行3D打印得到颅骨模型101。在一实施例中，所述皮肤模型105由硅橡胶制成，比如，使用道康宁184硅橡胶的基本组分(组分A)和固化剂(组分B)按15:1的质量比例制成。按如下方式制备：将组分A和组分B按15:1的质量比例混合均匀并进行抽真空处理，然后在室温下(27℃)进行固化，固化时间为24小时。该硅橡胶的弹性模量为0.36MPa，几乎为不可压缩材料，与皮肤力学性质较为接近。同时，也可以利用硅胶，水凝胶等软体材料制作皮肤模型105。需要说明的是，本申请不限于道康宁184硅橡胶，可以使用其他硅橡胶制作，调整其各组分的比例使得弹性模量为0.36MPa或接近0.36MPa即可。脑脊液为脑组织提供液体环境，并对碰撞等外界冲击提供防护作用。脑脊液的力学性质与水非常接近，在一实施例中，采用去离子水制成脑脊液模型104，当然也可以采用自来水，生理盐水，酒精等与水性质接近的其它液体中的一种或多种制作脑脊液模型104。在一实施例中，脑膜模型103采用不透水的聚氯乙烯薄膜制成，脑膜模型103用于隔离脑组织模型102与脑脊液模型104，防止脑组织模型102吸收脑脊液模型104中的液体。在其他实施例中，还可以采用聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯以及其他树脂制成的不透水薄膜作为脑膜模型103。本实施例提供的物理头部模型，由于其结构和本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种物理头部模型，包括：模拟颅骨形状的颅骨模型、位于所述颅骨模型中模拟脑组

【技术特征摘要】
1.一种物理头部模型，包括：模拟颅骨形状的颅骨模型、位于所述颅骨模型中模拟脑组织形状的脑组织模型，包裹所述脑组织模型的脑膜模型，填充所述颅骨模型和脑膜模型间隙的脑脊液模型，以及，包裹所述颅骨模型的皮肤模型，其中：所述脑组织模型由水凝胶制成。2.如权利要求1所述的物理头部模型，其特征在于，所述水凝胶包括：87.9308％的去离子水、12％的丙烯酰胺、0.0024％的N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、0.0568％的过硫酸铵、0.01％的N,N,N’,N’-四甲基乙二胺。3.如权利要求1所述的物理头部模型，其特征在于，所述皮肤模型由道康宁184硅橡胶的基本组分和固化剂按15:1的质量比例制成。4.如权利要求1所述的物理头部模型，其特征在于，所述颅骨模型由高韧树脂制成，所述高韧树脂硬度为86shoreD，弯曲模量为2692-2775MPa，弯曲强度为69-74MPa，拉伸模量为2589-2695MPa，拉伸强度为38-56MPa，断裂延长率为12-20％，缺口冲击强度为48-55j/m。5.如权利要求1至4任一所述的物理头部模型，其特征在于，所述脑脊液模型由去离子水制成。6.如权利要求1至4任一所述的物理头部模型，其特征在于，所述脑膜模型由聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯其中之一制成。7.一种测试系统，包括：如权利要求1至6任一所述的物理头部模型，还包括压力测试系统，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：栗志杰，由小川，柳占立，庄茁，杜智博，王成禹，成健，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11