【技术实现步骤摘要】
基于高仿真物理头部模型的动态测试系统和防护评价方法
本申请涉及爆炸冲击波作用下颅脑损伤与防护测试领域，特别是涉及基于高仿真物理头部模型的爆炸冲击动态测试系统和防护评价方法。
技术介绍
现代局部战争战伤分析显示，由爆炸导致的单兵伤亡约占总伤亡人数的70％，其中冲击波直接作用引起的伤害约占60％。同时，世界范围内爆炸恐怖袭击日益猖獗，严重危害民众的生命安全。而头部是爆炸冲击波的重要靶器官。据相关报告显示，美军中受到创伤性脑损伤(TraumaticBrainInjury，TBI)影响的军人为总服役人数的20％，这其中由于爆炸冲击波所引起的脑损伤(Blast-inducedTraumaticBrainInjury，b-TBI)占比高达40-60％。爆炸冲击波引起颅脑损伤的途径主要包括冲击波对头部的直接作用、飞起的破片对头部的冲击作用、头部与其他物体的撞击作用、冲击波对头部的电磁热等作用。相关研究表明，爆炸冲击波对头部的直接作用是引起颅脑损伤的主要原因。人体头部在爆炸冲击波作用下的动态响应过程，可以分为应力波动阶段与结构整体响...
【技术保护点】
1.基于高仿真物理头部模型的动态测试系统，其特征在于，所述高仿真物理头部模型完全基于头部解剖结构及头部各部分生物组织的力学性能进行创建，能够真实反映颅脑组织在爆炸冲击波作用下的动态响应特性，可真实再现脑组织挫裂伤与蛛网膜下腔出血两种常见颅脑损伤的发生过程；所述动态测试系统能够全面记录所述高仿真物理头部模型在不同爆炸防护工况下的动态响应数据，其中动态响应数据包括所述高仿真物理头部模型中的颅骨物理模型与脑组织物理模型之间的相对切向位移、颅内压力、颅骨应变、颅骨加速度与头部整体加速度，得到用于评价颅脑损伤程度的六个生物力学损伤指标；基于所述高仿真物理头部模型产生了防护评价方法，所...
【技术特征摘要】
1.基于高仿真物理头部模型的动态测试系统，其特征在于，所述高仿真物理头部模型完全基于头部解剖结构及头部各部分生物组织的力学性能进行创建，能够真实反映颅脑组织在爆炸冲击波作用下的动态响应特性，可真实再现脑组织挫裂伤与蛛网膜下腔出血两种常见颅脑损伤的发生过程；所述动态测试系统能够全面记录所述高仿真物理头部模型在不同爆炸防护工况下的动态响应数据，其中动态响应数据包括所述高仿真物理头部模型中的颅骨物理模型与脑组织物理模型之间的相对切向位移、颅内压力、颅骨应变、颅骨加速度与头部整体加速度，得到用于评价颅脑损伤程度的六个生物力学损伤指标；基于所述高仿真物理头部模型产生了防护评价方法，所述防护评价方法是以无防护的所述高仿真物理头部模型的损伤状态为参照，基于上述六个损伤指标对头部防护装备的生物防护效能进行力学损伤评估，并结合脑组织挫裂伤与蛛网膜下腔出血的损伤程度对其进行生理损伤评估，最终对头部防护装备的生物防护效能进行综合评价；
所述高仿真物理头部模型包括：颅骨物理模型、脑组织物理模型、脑膜物理模型、脑脊液物理模型与皮肤物理模型；
所述动态测试系统包括表征蛛网膜下腔出血与脑组织挫裂伤的生物损伤标记系统、颅骨与脑组织之间的相对切向位移测量系统、颅内压力动态测试系统、颅骨应变动态测试系统、颅骨加速度动态测试系统与头部整体加速度测试系统，其中：
所述表征蛛网膜下腔出血与脑组织挫裂伤的生物损伤标记系统包括：分别设置在所述脑脊液物理模型中与所述脑组织物理模型中的生物薄膜囊、基于所述高仿真物理头部模型在试验前后的扫描切片可求解损伤发生位置与体积的图像处理系统；
所述生物薄膜囊中装有损伤标记物，当发生脑组织挫裂伤和/或蛛网膜下腔出血时，所述生物薄膜囊会发生破裂并释放所述损伤标记物，所述损伤标记物与所述脑脊液物理模型或者所述脑组织物理模型发生反应，呈现出显著的颜色与力学性能变化；
所述图像处理系统基于所述高仿真物理头部模型在试验前后的扫描切片，可准确计算出发生脑组织挫裂伤和/或蛛网膜下腔出血的位置与体积；
所述颅骨与脑组织之间的相对切向位移测量系统包括：设置在所述颅骨物理模型与所述脑组织物理模型之间的切向同步变形装置、直流电压装置、电流采集装置与数据处理装置；
所述切向同步变形装置采用多层切片叠加结构，用于记录所述颅骨物理模型与所述脑组织物理模型之间的相对切向运动；所述颅骨物理模型与所述脑组织物理模型之间产生相对切向位移时，所述切向同步变形装置中多层切片之间的相对滑移量的总和与上述相对切向位移是相同的，每两层切片之间的相对运动是一致的，保证了所述切向同步变形装置变形的连续性，同时所述切向同步变形装置的电阻也会改变；
所述直流电压装置用于为所述切向同步变形装置提供恒定的电压，所述切向同步变形装置的变形将会使电流发生改变；
所述电流采集装置用于记录所述切向同步变形装置中的动态电流信号；
所述数据处理装置用于将采集的电流信号进行滤波处理，计算出对应的所述切向同步变形装置中电阻值的变化过程，并进一步推算出所述颅骨物理模型与所述脑组织物理模型之间的相对切向位移Xd(t)；
所述相对切向位移Xd(t)引起所述脑组织物理模型发生剪切变形，致使所述脑组织物理模型发生挫裂损伤和/或所述脑脊液物理模型发生蛛网膜下腔出血，可作为爆炸冲击波作用下颅脑损伤的第一生物力学损伤指标；
所述颅内压力动态测试系统、颅骨应变动态测试系统、颅骨加速度动态测试系统与头部整体加速度动态测试系统分别包括颅内压力采集模块、颅骨应变采集模块、颅骨加速度采集模块与头部整体加速度采集模块，并共同使用数据处理模块；
所述颅内压力采集模块包括压力传感器，所述压力传感器设置在所述脑组织物理模型中和/或所述脑脊液物理模型中，所述压力传感器用于记录所述脑组织物理模型和/或所述脑脊液物理模型的颅内压力P(t)，并将所述颅内压力P(t)发送至所述数据处理模块；所述颅骨应变采集模块包括应变片，所述应变片设置在所述颅骨物理模型的外表面，所述应变片用于记录所述颅骨物理模型的颅骨应变ε(t)，并将所述颅骨应变ε(t)发送至所述数据处理模块；所述颅骨加速度采集模块包括加速度传感器，所述加速度传感器设置在所述颅骨物理模型的外表面，所述加速度传感器用于记录所述颅骨物理模型的颅骨加速度a(t)，并将所述颅骨加速度a(t)发送至所述数据处理模块；所述头部整体加速度采集模块包括加速度传感器，所述加速度传感器设置在所述脑组织物理模型中，所述加速度传感器用于记录所述高仿真物理头部模型的头部整体加速度A(t)，并将所述头部整体加速度A(t)发送至所述数据处理模块；
所述数据处理模块接收并处理所述颅内压力P(t)、所述颅骨应变ε(t)、所述颅骨加速度a(t)以及头部整体加速度A(t)，获得第二生物力学损伤指标、第三生物力学损伤指标、第四生物力学损伤指标、第五生物力学损伤指标以及第六生物力学损伤指标；其中，所述第二生物力学损伤指标为输入功率密度I(t)，所述输入功率密度I(t)根据所述颅内压力P(t)和所述颅骨加速度a(t)获得；所述第三生物力学损伤指标为所述颅内压力P(t)；所述第四生物力学损伤指标为所述颅骨应变ε(t)；所述第五生物力学损伤指标为剪切变形能量变化率IQ(t)，所述剪切变形能量变化率IQ(t)根据所述颅内压力P(t)、所述颅骨应变ε(t)以及所述颅骨加速度a(t)获得；所述第六生物力学损伤指标为头部伤害指标HIC，所述头部伤害指标HIC根据头部整体加速度A(t)获得。
2.根据权利要求1所述的动态测试系统，其特征在于，所述高仿真物理头部模型是按照如下步骤制成的：
分别制备用于表征脑组织挫裂伤与蛛网膜下腔出血的生物薄膜囊，所述生物薄膜囊包含有损伤标记物，所述损伤标记物可分别与水凝胶、醋酸溶液发生反应并产生显著的颜色与力学性能变化；所述损伤标记物包括颜色指示剂、力学性能反应剂A与力学性能反应剂B，其中，所述颜色指示剂为甲基橙，所述力学性能反应剂A为质量分数为60％的丙烯酰胺溶液，所述力学性能反应剂B为N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、过硫酸铵以及N,N,N’,N’-四甲基乙二胺的混合溶液，三者的质量分数分别为0.03％、0.7％以及0.15％，所述力学性能反应剂A与力学性能反应剂B发生混合，将快速发生聚合反应，显著改变当前材料的力学性能；所述生物薄膜囊分为A、B两种类型，其中，所述生物薄膜囊A中装有所述颜色指示剂与所述力学性能反应剂A，所述生物薄膜囊B中装有所述颜色指示剂与所述力学性能反应剂B；用于表征脑组织挫裂伤的生物薄膜囊为球形，直径为100μm～500μm；用于表征蛛网膜下腔出血的生物薄膜囊为圆柱形，直径为500μm，高度为1～4mm；生物薄膜囊的力学性能与血管壁、神经细胞胞壁的性能较为接近；
基于三维颅骨数字模型与3D打印技术制成所述颅骨物理模型，所述颅骨物理模型分为左半部分颅骨物理模型和右半部分颅骨物理模型，所述左半部分颅骨物理模型和右半部分颅骨物理模型对称，所述左半部分颅骨物理模型和右半部分颅骨物理模型通过连接装置合成完整的所述颅骨物理模型；在左半部分颅骨物理模型和右半部分颅骨物理模型上设置支撑结构，所述支撑结构用于支撑所述脑膜物理模型，并将所述圆柱形生物薄膜囊A与圆柱形生物薄膜囊B按等间距交叉均匀粘贴在所述颅骨物理模型内表面，两者的用量比例为1:1；其中，所述支撑结构由碳酸钙材料制成；
根据脑组织的外部形状生成所述脑膜物理模型，所述脑膜物理模型包括左半部分脑膜物理模型和右半部分脑膜物理模型，所述左半部分脑膜物理模型和右半部分脑膜物理模型均设置了对称胶结面，将所述左半部分脑膜物理模型和右半部分脑膜物理模型分别放置在所述左半部分颅骨物理模型和右半部分颅骨物理模型内，放置过程中，所述脑膜物理模型的外表面与已经粘贴在所述颅骨物理模型的内表面的所述生物薄膜囊进行有效粘结，所述支撑结构与所述脑膜物理模型之间的接触面紧密贴合；并在额颞叶处、枕内隆凸处设置用于测量所述颅骨物理模型与所述脑组织物理模型之间相对切向位移的所述切向同步变形装置，所述切向同步变形装置通过电阻变化反推相对切向位移的大小，所述切向同步变形装置的两端分别安装在所述颅骨物理模型与所述脑膜物理模型上；其中，所述脑膜物理模型采用高韧聚乙烯薄膜制成；
将所述左半部分颅骨物理模型和右半部分颅骨物理模型的接缝位置处均匀涂抹防水胶水，并通过所述连接装置进行闭合，形成完整的所述颅骨物理模型；其中，胶水凝固后的弹性模量与所述颅骨物理模型的弹性模量是接近的，防止所述颅骨物理模型因接触面的存在而出现较大的阻抗失配界面；同时，所述左半部分脑膜物理模型和右半部分脑膜物理模型的对称胶结面进行胶结闭合，形成所述脑膜物理模型，并在枕骨大孔处留有端口；
将所述球形生物薄膜囊A与球形生物薄膜囊B按照用量为1:1原则均匀分散在水凝胶溶液中，并将包含有所述生物薄膜囊的所述水凝胶溶液倒入所述脑膜物理模型内，在液态的水凝胶充满整个脑膜物理模型内部后将脑膜物理模型的端口进行密封；待液态的水凝胶固化后，获得被所述脑膜物理模型包裹的所述脑组织物理模型；
从所述颅骨物理模型的枕骨大孔处将PH值为2的醋酸溶液加入到所述颅骨物理模型与所述脑膜物理模型之间的间隙，醋酸溶液会逐步溶解所述支撑结构，但不会影响所述圆柱形生物薄膜囊与所述颅骨物理模型以及所述脑膜物理模型之间的连接性能，待注入完成后将枕骨大孔处进行密封处理，从而得到所述脑脊液物理模型；
基于...
【专利技术属性】
技术研发人员：栗志杰，柳占立，崔一南，由小川，杜智博，初东阳，高原，庄茁，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11
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