多功能颅骨及颌面部骨骼冲击力学实验装置制造方法及图纸

本发明专利技术属生物力学领域，具体涉及一种对人体颅骨与颌面部骨骼进行多种类、角度和力量冲撞的实验装置，包括：摆锤式冲击装置，可更换撞锤，冲击力及加速度测定系统，多角度高度调节模型安装平台。旨在实现不同条件下人体颅骨与颌面部骨骼的冲击测试。本实验装置通过在模型安装平台加装有刻度球铰及高度调节滑槽，实现对模型多方位精确调整；采用可拆卸撞锤，实现不同大小形状及材质的冲撞条件；加装冲击力和加速度传感器，实现在实验中获取加速度和冲击力大小。本实验装置对研究人体颅骨与颌面部骨骼的损伤形式、耐受限度、功能受损程度以及防护措施提供了更精确全面的实验条件。同时，该实验系统可针对且不限于生物力学的更多领域应用。

【技术实现步骤摘要】
多功能颅骨及颌面部骨骼冲击力学实验装置
本专利技术属于生物力学领域，具体涉及一种对人体颅骨与颌面部骨骼进行多种类冲撞物模拟各种角度和力量冲击测试的实验装置。
技术介绍
在各种体育竞技运动或交通冲撞等意外情况中，头部及颌面部损伤是最为常见的严重伤害类型，头部损伤是造成重伤或者死亡的主要原因之一，而颌面部损伤虽不及生命，但往往导致毁容、功能丧失以及后遗症等，造成严重的生理和心理创伤。因此开展关于人体颅骨与颌面部骨骼损伤形式、损伤程度、耐受限度和防护措施的研究有着十分重要的现实意义。目前对颌面部冲撞损伤的力学分析主要以数值模拟或模拟实验等方法结合进行。在模拟实验中，常用的模型包括人体尸体标本、动物模型和物理模型。人体尸体标本虽与活体具有相同的解剖结构，是较为理想的实验模型，但因其稀缺昂贵，且由于保存方法和保存时间等因素，造成组织降解，缺少冲击对机体造成生理或病理的直接反应。而动物模型和人体模型在结构形态和受力过程等诸多方面都存在较大差异，此差异性将给结果带来偏差，无法将动物实验的定量结果直接推广到人体上。根据现今各种模型成型技术，采用物理模型能实现制作快、精度高的实验需求，且能满足实验的及时性和重复性。材料便于保存，有利于实验结果的长期留存，也避免了由于存放形式和个体差异带来的实验误差。实验方法上，在模拟实验中因受实验设备空间及技术的限制，往往只能顺应设备去固定待测模型。在冲击实验中，设备的冲撞方向是单一固定的，也使得模拟实验无法实现更好的还原度和更高的精度。若要实现精准位置的冲击实验，需要特制固定方位的夹具来控制颅骨与颌面部骨骼的冲击部位。特制夹具的复杂工序和制备周期不仅会降低实验效率，还会增加额外的实验成本。当样本量庞大时，制备各类样本的夹具显然不是最佳的实验选择。并且撞击的区域和力量只能取决撞锤的大小、形状和材质。因此，在实验方法上目前存在很大的局限性。
技术实现思路
本专利技术提供了一种能够实现对颅骨与颌面部骨骼进行多种类冲撞物在各种角度和力量冲击测试的实验装置，旨在解决
技术介绍
中论述的现有实验局限，以满足实验研究需求。一、待解决问题描述针对以上论述提到的实验方法中存在的问题，在实验设备上需要解决的问题包括：1，实现各种角度的冲击。可将人体头部模型安装在实验设备上以后，根据实验需求进行模型多角度的调整，以实现多方位冲撞实验。2，实现撞锤的可更换调节。通过调整撞锤的大小，改变撞击受力面，即可进行不同受力面积和不同冲击力的实验；通过改变撞锤的形状，即可进行不同形状物体撞击时的实验；通过更改撞锤材质，即可实现不同材质物体的模拟冲击实验。二、技术方案针对以上提出的若干待解决问题，本专利技术提供的技术方案如下：1，在模型安装平台底部加装球铰，在三个方向标注角度刻度，并在模型的安装平台上加装高度调节滑槽，以实现对模型多方位角度的精确调整。2，撞锤采用可拆卸安装方式，使用形式统一的活扣安装，实现不同大小、形状及材质的撞锤更换（亦可自定义制作撞锤后按相同方式安装）。3，加装冲击力传感器和加速度传感器，能在实验中直接测量撞击时的冲击力和加速度。本专利技术的有益效果是：1，该实验装置可以实现多个参数的设置，对研究人体颅骨与颌面部骨骼的损伤形式、耐受限度、功能受损程度以及防护措施提供了更精确全面的实验条件。2，该实验装置可测试各种类型的实验模型，如物理模型，以实验所需人体头骨CT及MRI的影像数据为依据建立起颅骨和颌面部骨骼的三维数值模型，利用模型制作技术（如3D打印等技术），可将该数值模型制备成型，以实现与实测人体颅骨与颌面部骨骼的高度相似。亦可根据不同实验要求和研究需要选择其他模型制作方法。3，该实验装置还可以与其他实验仪器配合测试实验模型的各种力学参数，如使用动态非接触式应变测试系统，可测试实验过程中模型的实时应变分布；在实验模型上加装加速度传感器，可测量模型在冲击过程中的加速度变化，作为损伤程度的判断指标之一；在实验模型的关节内设置薄膜压力传感器，可测得冲击过程中关节内压力值的变化。附图说明图1为本专利技术的结构示意图，亦为本实验系统主视图。图2为模型安装平台球铰支座角度调节示意图。图3为模型安装平台高度调节示意图。图4为可更换撞锤示意图。图5为冲击力传感器及加速度传感器安装示意图。图中：1全自动摆锤冲击试验机、2刻度盘、3撞锤杆、4撞锤、5可拆卸卡扣、6加速度传感器、7加速度显示器、8冲击力传感器、9冲击力显示器、10高度调节滑槽、11模型安装平台、12多角度调节球铰、13调节刻度、14试验机底座。具体实施方案以下结合不同冲撞条件下的人体颅骨与颌面部骨骼的冲击实验测试及附图，对本专利技术进一步予以说明。如图1所示，多功能颅骨与颌面部骨骼冲击力学实验装置，包括：全自动摆锤冲击试验机（对应图中1、2、14）；可更换撞锤（对应图中3、4、5）；加速度测定系统（对应图中6、7）；冲击力测定系统（对应图中8、9）；模型安装平台高度调节滑槽（对应图中10）；多角度调节模型安装平台（对应图中11、12、13）。本实验具体操作分为模型制作和实验操作两部分完成。一、模型制作本实验为满足重复性，采用物理模型。选取一名满足实验需求的自愿者，分别进行头部CT及MRI扫描，获取满足数值建模需要的相关数据。优选地，将扫描后的数据文件导出为医学数字成像和通信文件（DICOM）格式，将该文件导入医学三维建模软件中以建立三维数值模型。进一步地，该实验采用3D打印模型制作方法，将建立好的三维数值模型导出为3D打印设备通用格式，导入3D打印软件并选取符合实验设计要求的打印材料，通过打印生成实验所需的三维实体模型。进一步地，将打印好的三维实体模型进行表面打磨、组装，以备实验。二、实验操作首先进行实验准备：该实验设计分别用刚性和柔性两种材质的撞锤对模型进行冲击测试。通过冲击实验的撞锤初始摆动角度和撞锤质量的设计，使两种材质撞锤的初始冲击能量相同，冲击接触面形状相同。每一种撞锤测试对颌面部同一区域分别进行单侧撞击。用动态非接触式应变系统采集冲击过程的模型应变数据，用薄膜压力传感器获得冲击过程中颞下颌关节内的压力变化，用实验模型上加装的加速度传感器，测量模型在冲击过程中的加速度值。实验开始前，将通过同一数值模型制作的各待测模型进行编号，将实验数据采集系统按实验要求安装调试。进一步地，将3D打印的待测模型按生理位置组装并安装在实验平台上，且确保固定，如图1所示。标注待测模型的安装位置信息。进一步地，通过多角度调节模型安装平台调节实验设计的模型角度，如图2所示。记录调节好的模型角度信息。进一步地，通过撞锤杆上的可拆卸卡扣，将实验设计所需的撞锤安装在撞杆上，如图4所示，安装时需注意避免与模型接触。进一步地，通过模型安装平台高度调节滑槽，调节实验设计所需高度，如图3所示。记录调节好的模型高度位置信息。首先进行刚性材质撞锤的冲击测试，将刚性材质撞锤抬高至实验设计初始本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.多功能颅骨及颌面部骨骼冲击力学实验装置，包括：摆锤式冲击装置（1、2、14），可更换式撞锤（3、4、5），加速度测定系统（6、7）及冲击力测定系统（8、9），多角度和高度调节模型安装平台（10、11、12、13）。/n

【技术特征摘要】
1.多功能颅骨及颌面部骨骼冲击力学实验装置，包括：摆锤式冲击装置（1、2、14），可更换式撞锤（3、4、5），加速度测定系统（6、7）及冲击力测定系统（8、9），多角度和高度调节模型安装平台（10、11、12、13）。


2.多功能颅骨及颌面部骨骼冲击力学实验装置，其特征在于：利用摆锤式冲击装置（1、2、14）施加冲击载荷，使用可更换式撞锤（3、4、5）实现不同类型冲击，用加速度测定系统（6、7）得到实验过程中模型的加速度，用冲击力测定系统（8、9）得到撞击时的冲击力大小，用（10）模型安装平台的高度调节滑槽（10）对实验模型的高度位置进行调节，用多角度调节模型安装平台（11、12、13）对实验模型进行不同角度的调节。


3.如权利要求1所述的冲击力加载装置（1、2、14），其特征为：以摆锤式冲击试验机作为冲击力加载设备，通过刻度盘确定初始起落摆动角度，并在撞击过后确定撞锤回升摆动角度。


4.如权利要求1所述的可更换式撞锤（3、...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵冰莓，刘展，蔡韫杰，滕海东，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川;51