CN108168827B - 一种物理头部模型和测试系统 - Google Patents

Abstract

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。

Description

一种物理头部模型和测试系统

技术领域

本发明涉及物理头部模型，尤指一种物理头部模型和测试系统。

背景技术

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。

发明内容

本发明至少一实施例提供了一种物理头部模型和测试系统。

本发明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。

本发明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，本发明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。

本发明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，或者通过实施本发明而了解。本发明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

附图用来提供对本发明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发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。

图1为本发明一实施例提供的物理头部模型示意图(正剖图)；

图2为本发明一实施例提供的物理头部模型示意图(侧剖图)；

图3为本发明一实施例提供的物理头部模型制备方法流程图；

图4为本发明一实施例提供的测试系统框图；

图5为本发明一实施例提供的压力测试系统框图；

图6(a)为本发明一实施例提供的微型防水压力传感器位置示意图；

图6(b)为本发明另一实施例提供的微型防水压力传感器位置示意图；

图7为本发明一实施例提供的应变测试系统框图；

图8为本发明一实施例提供的位移加速度测试系统框图；

图9为本发明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

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明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发明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。

本发明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，由于其结构和力学性能同实际头部类似，可以用来代替人类颅脑进行相应的测试。

本发明一实施例提供一种物理头部模型的制作方法，如图3所示，包括：

步骤301，建立颅骨三维图像模型，进行3D打印，得到颅骨模型；

步骤302，建立脑脊液三维图像模型，进行3D打印得到用于脑脊液模型制作的脑脊液模具，该脑脊液模具可以使用硅橡胶制备；将脑脊液模具切割成条状，得到硅橡胶条，将硅橡胶条按照相对位置放入颅骨模型并进行简单固定(比如使用胶带固定)。

步骤303，按脑组织的外观形状生成脑膜模型，将已经密封处理的脑膜模型放入颅骨模型内。将调制好的水凝胶(液体态)倒入脑膜模型内，直至水凝胶固化。

步骤304，利用粘结剂(比如502胶水，但本申请不限于此)将脑膜模型在颅骨模型的枕骨大孔处进行固定，保证水凝胶(脑组织模型)的相对位置；将脑脊液模具(硅橡胶条)从枕骨大孔抽出，抽出过程需要不断注入去离子水，保证水凝胶(脑组织模型)与去离子水(脑脊液)两者位置符合生理结构。

步骤305，建立头部三维图像模型，进行3D打印得到头模，使用所述头模进行铸模，生成头部模具(空心模具)；

步骤306，将所述颅骨模型放置在所述头部模具中，其位置可根据实际头部生理结构中颅骨的位置确定；

步骤307，将质量比例为15:1的基本组分(组分A)和固化剂(组分B)混合均匀并进行抽真空处理，然后浇筑到所述头部模具中，在室温下(27℃)固化24小时以制作皮肤模型。

至此，物理头部模型制作完成。需要说明的是，上述制作方法仅为示例，也可以采用其他方式制备该物理头部模型，本申请对此不作限定。

如图4所示，本发明一实施例提供一种测试系统，包括前述实施例中所述的物理头部模型100、压力测试系统31，应变测试系统32和位移加速度测试系统33。当然，也可以只包括压力测试系统31，应变测试系统32和位移加速度测试系统33其中之一或多个。

如图5所示，在一实施例中，所述压力测试系统31包括微型防水压力传感器311、微型防水压力传感器311相连的第一放大电路312，以及与所述第一放大电路312相连的第一采集设备313，所述微型防水压力传感器311设置于所述物理头部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311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312，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。如图6(a)所示，微型防水压力传感器311可以设置于颅内顶部(位置A)，颅内中心(位置B)，颅内侧部(位置C和位置D)，如图6(b)所示，微型防水压力传感器311还可以设置于颅内后部(位置E)和颅内前部(位置F)。需要说明的是，此处微型防水压力传感器311的位置设置仅为示例，可以根据需要设置在其他位置，另外，也可以增加或减少微型防水压力传感器311的数量。该压力测试系统可以测量脑脊液和脑组织的压力。在一实施例中，该微型防水压力传感器可以采集高频信号，谐振频率高达1MHz，有效工作频率为0～200KHz，满足爆炸等极端工况下的压力测量工作要求。该微型防水压力传感器可以是压电式传感器。当头部受到碰撞等外界载荷时，颅内压力变化会引发微型防水压力传感器的电阻变化从而产生相应的电压信号。

在另一实施例中，如图7所示，所述应变测试系统32包括应变片321、与所述应变片相连的第二放大电路322，以及与所述第二放大电路322相连的应变采集设备323，所述应变片321粘贴在所述颅骨模型的表面，其中：

所述应变片321用于感应颅骨形变，产生第二电压信号，传递给所述第二放大电路322；

所述第二放大电路322用于对所述第二电压信号进行放大后传递给所述应变采集设备323；

所述应变采集设备323用于采集所述第二电压信号，将其转换为应变信号。

所述应变片321可以设置在颅骨顶部、颅骨两侧、颅骨前额位置和颅骨后脑位置。需要说明的是，此处位置设置仅为示例，可以根据需要设置在其他位置，也可以只在其中一个或多个位置设置应变片。所述应变片321粘贴在经过清洁处理的颅骨模型的表面，保证粘结的有效性，即应变片321能够跟随颅骨模型进行变形并记录颅骨模型的变形过程，比如可以使用502胶水粘贴，当然，也可以使用其他粘贴剂。当头部受外界荷载作用时，颅骨的变形会引起应变片电阻值的改变，从而产生微弱电压信号。所述应变采集设备323可以是高频动态应变测试仪。

在另一实施例中，如图8所示，所述位移加速度测试系统33包括图像采集设备331和图像分析模块332，其中：

所述物理头部模型100上还设置有标记点；

所述图像采集设备331用于，采集所述物理头部模型100的图像；

所述图像分析模块332用于，根据所述图像中所述标记点的位置变化确定所述物理头部模型的形状变化、位移、速度、加速度至少之一。

其中，图像采集设备331可以是超高分辨率高速成像系统，比如，德国PCO.dimaxHS1超高分辨率高速成像系统。标记点的运动与物理头部模型的运动存在关联关系，因此，对标记点位置进行图像分析处理即可得到头部变形、位移、速度、加速度的动态变化过程。

如图9所示，本发明一实施例提供一种位移加速度测试方法，包括：

步骤901，使用符合相关规定的校准板，对图像采集设备(包括高速摄像机和镜头)进行校准，并给出相应的测量精度，如果镜头本身有制作缺陷，可以利用图像扭曲修正软件进行修正，经过修正后需再次校准；

步骤902，安装高速摄像机，在物理头部模型上进行标记，得到标记点用于后续的测量；

步骤903，触发实验，拍摄物理头部模型的图像；

步骤904，对图像进行修正，得到无失真图像；

其中，可以使用图像扭曲软件对图像进行修正。

步骤905，在首张静止图片中建立起二维测量平面坐标系，并以其中标记点的位置建立起标记点的精确坐标，对各帧图像中每个标记点进行跟踪计算，并测量标记点的位置的变化量来得到被测值，比如位移、加速度、速度，变形等。其中，可以利用图像处理软件对标记点进行跟踪计算。

步骤906，输出被测数据。

本申请提供的测试系统可以用于模拟头部在碰撞、爆炸等条件下的动态响应过程(头部动态响应过程是指各部分组织在外界荷载作用下的变形、速度、加速度、应力与应变等力学指标随时间的变化过程)分析头部的动态响应规律，研究颅脑损伤机理，并可用于检验头盔等防护设备的防护性能。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种真实反映头部生理结构的高仿真物理头部模型，适用于模拟颅脑生理结构在爆炸冲击载荷条件下的动态响应过程、研究颅脑的损伤机理以及检验头盔的防护性能，所述模型包括：具有颅骨生理构造的颅骨物理模型、位于所述颅骨物理模型中真实反映脑组织力学特性的脑组织物理模型，包裹所述脑组织物理模型的脑膜物理模型，填充所述颅骨物理模型和脑膜物理模型间隙的脑脊液物理模型，以及，包裹所述颅骨物理模型的皮肤物理模型，其中：所述脑组织物理模型由水凝胶制成，所述脑脊液物理模型由去离子水制成；

所述物理头部模型采用以下工艺制成，以保证物理头部模型的高仿真度：

建立颅骨三维图像模型，进行3D打印得到颅骨物理模型；

建立脑脊液三维图像模型，进行3D打印得到用于脑脊液物理模型制作的脑脊液模具，所述脑脊液模具使用硅橡胶制备；将脑脊液模具切割成条状得到硅橡胶条，将硅橡胶条按照相对位置放入颅骨物理模型并进行简单固定；

按脑组织的外观形状生成脑膜物理模型，将已经密封处理的脑膜物理模型放入颅骨物理模型内，将调制好的水凝胶倒入脑膜物理模型内，直至水凝胶固化；

利用粘结剂将脑膜物理模型在颅骨物理模型的枕骨大孔处进行固定，保证水凝胶的相对位置；将脑脊液模具从枕骨大孔抽出，抽出过程需要不断注入去离子水，保证水凝胶与去离子水两者位置符合生理结构；

建立头部三维图像模型，进行3D打印得到头模，使用头模进行铸模，生成头部模具；

将颅骨物理模型放置在所述头部模具中，其位置根据实际头部生理结构中颅骨的位置确定；

将质量比例为15:1的基本组分和固化剂混合均匀并进行抽真空处理，然后浇筑到所述头部模具中，在室温下固化24小时以制作皮肤物理模型，从而得到完整的高仿真物理头部模型。

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，所述皮肤物理模型由道康宁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，所述颅骨物理模型由高韧树脂制成，所述高韧树脂硬度为86shore D，弯曲模量为2692-2775MPa，弯曲强度为69-74MPa，拉伸模量为2589-2695 MPa，拉伸强度为38-56 MPa，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，所述脑膜物理模型由聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯其中之一制成。

6.一种测试系统，包括：如权利要求1至5任一所述的物理头部模型，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、与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谐振频率高达1MHz，有效工作频率为0～200KHz，满足爆炸极端工况下颅内压力的测量要求；所述微型防水压力传感器设置于所述物理头部模型的脑脊液物理模型和脑组织物理模型中，分别位于颅内顶部、颅内中心、颅内两侧部、颅内前部与后部；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。

7.如权利要求6所述的测试系统，其特征在于，所述测试系统还包括应变测试系统，其中：所述应变测试系统包括应变片、与所述应变片相连的第二放大电路，以及与所述第二放大电路相连的应变采集设备，所述应变片粘贴在所述颅骨物理模型的表面，以跟随颅骨物理模型进行变形并记录颅骨物理模型的变形过程，其中：

所述应变片用于感应颅骨形变，产生第二电压信号，传递给所述第二放大电路；

所述第二放大电路用于对所述第二电压信号进行放大后传递给所述应变采集设备；

所述应变采集设备用于采集所述第二电压信号，将其转换为应变信号。

8.如权利要求6或7所述的测试系统，其特征在于，所述测试系统还包括位移加速度测试系统，所述位移加速度测试系统包括图像采集设备和图像分析模块，其中：

所述物理头部模型上还设置有标记点；

所述图像采集设备用于，采集所述物理头部模型的图像；

所述图像分析模块用于，根据所述图像中所述标记点的位置变化确定所述物理头部模型的形状变化、位移、速度与加速度至少之一。