CN110411692B - 一种枪弹冲击或冲击波作用下的颅脑创伤模型系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种枪弹冲击或冲击波作用下的颅脑创伤模型系统，采用的技术方案是，本发明所用的模型包括颅脑模型的制备并应用于枪弹冲击或冲击波作用下颅脑的损伤情况分析。颅脑模型包含头皮、颅骨、脑组织以及脑脊液这些基本结构，同时模型中植入脑组织加速度传感器，颅内压传感器，颅骨应力应变传感器。传感器通过传感器连接底座中的数据线与数据采集模块连接，通过数据处理模块处理后传送至数据评价模块。该颅脑创伤模型可以用于防护装备效能评价领域，将防护装备的防护效能予以量化，能够从仿真人力学指标的角度对人体头部的损伤与防护开展研究。弥补了生物试验的不足，提高了逼近真人的数据可信度。

Description

一种枪弹冲击或冲击波作用下的颅脑创伤模型系统
技术领域
本发明涉及创伤模型技术领域，具体为一种枪弹冲击或冲击波作用下的颅脑创伤模型系统。
背景技术
随着现代高能武器及爆炸装置的广泛使用，高速弹体/爆炸碎片等冲击防弹头盔在未穿透的情况下使头盔产生背面变形BFD(back face deformation)，冲击动能对颅脑施加短时间、高速率、低质量的撞击载荷以及冲击波通过头盔背面传递到颅脑使其产生非贯穿性损伤。由于伦理限制，无法进行大量尸体实验进行高载荷下的颅脑损伤研究。伴随着3D打印技术的日益成熟以及传感器的不断发展，使得物理模型可以广泛用于研究中。物理模型可以准确测定弹道冲击的作用时间、作用力及作用速率，能够对单兵防护装备的防护能力进行定量化评价、对防护受体的伤害程度进行评估。但是现有的物理模型中缺乏脑脊液这一重要组织，忽视脑脊液对于脑组织具有一定的保护作用。
因此，开发一种与实际颅脑结构相近、质地接近的颅脑模型，其中新建的颅脑模型中含有脑脊液这一重要组成部分，对于研究在枪弹冲击或冲击波作用下颅脑的损伤情况具有十分重要的意义，同时可用于评估防护装备的防护效能和武器的杀伤效能。。
发明内容
鉴于现有技术中所存在的问题，本发明的目的在于制备一种用于研究枪弹冲击或冲击波作用下颅脑损伤情况的模型。本发明提供的颅脑模型在物理结构及触感上与真实颅脑相似，其中皮层脑组织具有与真实脑组织有相似的弹性和可牵拉性，同时模拟脑脊液对于脑组织的保护作用，真实反映冲击作用下颅脑损伤程度。数据评估模块用于对单兵防护装备的防护能力进行定量化评价、对防护受体的伤害程度进行评估。本发明公开了一种枪弹冲击或冲击波作用下的颅脑创伤模型系统，采用的技术方案为：包括颅脑模型，颅内压传感器，颅骨应力应变传感器，脑组织加速度传感器，传感器连接底座，数据采集模块，数据评估模块；其中所述颅脑模型由外至内分为头皮，颅骨，脑脊液，脑组织；四个颅骨应力应变传感器按照前后左右的顺序安装在颅骨内侧面；颅内压传感器安装在颅脑模型右后方的脑脊液中；脑组织加速度传感器嵌入在脑组织正中心；传感器连接底座一端嵌入在颅脑模型左后方的颅骨中，另一端穿过头皮伸出在颅脑模型外部，传感器连接底座的材质与颅骨的材质相同；颅内压传感器和四个颅骨应力应变传感器的连线穿过颅骨进入到传感器连接底座中并从另一端穿出，脑组织加速度传感器的连线穿过颅骨顶部，沿颅顶进入到传感器连接底座中并从另一端穿出；颅内压传感器、颅骨应力应变传感器、脑组织加速度传感器通过传感器连接底座与数据采集模块连接，数据采集模块与数据评估模块连接。
所述颅内压传感器的型号为Entran EPB压力传感器，量程为0-3.5Mpa，频带宽度为50kHZ。
所述颅骨应力应变传感器选取BA120-2BB应力应变片贴。
所述脑组织加速度传感器选取高量程加速度传感器，型号为KD1001A。
所述数据评估模块包括颅内压ICP评估模块，头部HIC评估模块和颅骨应变评估模块；所述颅内压ICP评估模块，当颅内压力达到90Kpa会造成轻度的损伤，而当颅内压力达到235Kpa会造成严重的脑挫伤；所述头部HIC评估模块，当人体脑部损伤耐受HIC值为1000，大于1000，则出现脑部损伤；相反，则没有脑损伤；所述颅骨应变评估模块，当颅骨应变值较高后会导致颅骨出现裂痕甚至骨折。
一种颅脑创伤模型系统中颅脑模型的制备方法，包括以下步骤：
Step.1利用人体头部切片灰度头像，导入MIMICS中，利用图像灰度值的不同进行阈值分割，获得头皮、颅骨、脑脊液、脑组织等组织结构；
Step.2根据不同组织的点云数据，利用3D打印技术获得头皮、颅骨、脑脊液、脑组织等结构的模具；
Step.3利用灌注方式，将各组织的材料分别灌注到不同的模具中，同时在组织成型之前安装各部分的传感器等。
所述头皮选取自结膜纤维聚氨酯弹性材料，其具有较高的机械强度、氧化稳定性、较高的柔曲性和回弹性的特性，利用3D打印技术制成头皮的模具并浇注制成。
所述颅骨利用3D打印技术结合灌注方式制得，具体通过利用mimics点云数据进行3D模具打印，并灌注高磷高钙热固性树脂材料制得，该材料具有其具有耐热性高，受压不易变形的特性。
所述脑脊液充满骨膜中间，脑脊液为矿物盐和磷酸酯和动物血清蛋白的混合溶液，该混合溶液中含有的微量元素离子成分含量与人体脑脊液基本相同。
所述脑组织结构利用3D打印技术结合灌注方式制得，先通过3D打印技术制得能与骨膜密闭连接的皮层脑组织模具，然后将所述皮层脑组织模具与骨膜结构密闭连接后，往腔体内灌注高分子凝胶材料弹性体制得。
本发明的有益效果：本发明所用的模型包括颅脑模型的制备并应用于枪弹冲击或冲击波作用下颅脑的损伤情况分析。颅脑模型包含头皮、颅骨、脑组织以及脑脊液这些基本结构，同时模型中植入脑组织加速度传感器，颅内压传感器，颅骨应力应变传感器。传感器通过传感器连接底座中的数据线与数据采集模块连接，通过数据处理模块处理后传送至数据评价模块。该颅脑创伤模型可以用于防护装备效能评价领域，将防护装备的防护效能予以量化，能够从仿真人力学指标的角度对人体头部的损伤与防护开展研究。弥补了生物试验的不足，提高了逼近真人的数据可信度。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明的颅脑模型俯视结构图。
图中：1-颅脑模型，101-头皮，102-颅骨，103-脑脊液，104-脑组织，2-颅内压传感器，3-颅骨应力应变传感器，4-脑组织加速度传感器，5-传感器连接底座，6-数据采集模块，7-数据评估模块，701-颅内压ICP评估模块，702-头部HIC评估模块，703-颅骨应变评估模块。
具体实施方式
实施例1
如图1、图2所示，本发明公开了一种枪弹冲击或冲击波作用下的颅脑创伤模型系统，采用的技术方案为：包括颅脑模型1，颅内压传感器2，颅骨应力应变传感器3，脑组织加速度传感器4，传感器连接底座5，数据采集模块6，数据评估模块7；其中所述颅脑模型1由外至内分为头皮101，颅骨102，脑脊液103，脑组织104；四个颅骨应力应变传感器3按照前后左右的顺序安装在颅骨内侧面；颅内压传感器2安装在颅脑模型1右后方的脑脊液103中；脑组织加速度传感器4嵌入在脑组织104正中心；传感器连接底座5一端嵌入在颅脑模型1左后方的颅骨102中，另一端穿过头皮伸出在颅脑模型1外部，传感器连接底座5的材质与颅骨102的材质相同；颅内压传感器2和四个颅骨应力应变传感器3的连线穿过颅骨102进入到传感器连接底座5中并从另一端穿出，脑组织加速度传感器4的连线穿过颅骨102顶部，沿颅顶进入到传感器连接底座5中并从另一端穿出；颅内压传感器2、颅骨应力应变传感器3、脑组织加速度传感器4通过传感器连接底座5与数据采集模块6连接，数据采集模块6与数据评估模块7连接。
所述颅内压传感器2的型号为Entran EPB压力传感器，量程为0-3.5Mpa，频带宽度为50kHZ。
所述颅骨应力应变传感器3选取BA120-2BB应力应变片贴。
所述脑组织加速度传感器4选取高量程加速度传感器，型号为KD1001A。
所述数据评估模块7包括颅内压ICP评估模块701，头部HIC评估模块702和颅骨应变评估模块703；所述颅内压ICP评估模块701，当颅内压力达到90Kpa会造成轻度的损伤，而当颅内压力达到235Kpa会造成严重的脑挫伤；所述头部HIC评估模块702，当人体脑部损伤耐受HIC值为1000，大于1000，则出现脑部损伤；相反，则没有脑损伤；所述颅骨应变评估模块703，当颅骨应变值较高后会导致颅骨出现裂痕甚至骨折。
一种颅脑创伤模型系统中颅脑模型的制备方法，包括以下步骤：
Step.1利用人体头部切片灰度头像，导入MIMICS中，利用图像灰度值的不同进行阈值分割，获得头皮、颅骨、脑脊液、、脑组织等组织结构；
Step.2根据不同组织的点云数据，利用3D打印技术获得头皮、颅骨、脑脊液、脑组织等结构的模具；
Step.3利用灌注方式，将各组织的材料分别灌注到不同的模具中，同时在组织成型之前安装各部分的传感器等。
所述头皮选取自结膜纤维聚氨酯弹性材料，其具有较高的机械强度、氧化稳定性、较高的柔曲性和回弹性的特性，利用3D打印技术制成头皮的模具并浇注制成。
所述颅骨利用3D打印技术结合灌注方式制得，具体通过利用mimics点云数据进行3D模具打印，并灌注高磷高钙热固性树脂材料制得，该材料具有其具有耐热性高，受压不易变形的特性。
所述脑脊液充满骨膜中间，脑脊液为矿物盐和磷酸酯和动物血清蛋白的混合溶液，该混合溶液中含有的微量元素离子成分含量与人体脑脊液基本相同。
所述脑组织结构利用3D打印技术结合灌注方式制得，先通过3D打印技术制得能与骨膜密闭连接的皮层脑组织模具，然后将所述皮层脑组织模具与骨膜结构密闭连接后，往腔体内灌注高分子凝胶材料弹性体制得。
本发明的工作原理：本发明在使用时将颅脑模型1中的颅内压传感器2、颅骨应力应变传感器3、脑组织加速度传感器4通过传感器连接底座5与外部的数据采集模块6连接，并将数据采集模块6与PC端连接，利用数据评估模块7对采集到的数据进行评估。当颅脑模型1收到冲击时，埋于脑组织104中的脑组织加速度传感器4可以检测到脑组织受到冲击后的加速度，同时位于脑脊液103中的颅内压传感器2可以检测到由于脑组织104晃动使脑脊液103产生的内压大小，而固定在颅骨102内壁的四个颅骨应力应变传感器3检测颅骨102的应变情况。通过数据采集模块6进行放大增益处理后由数据评估模块7对本次冲击试验给颅脑带来的损害进行评估。
本文中未详细说明的部件为现有技术。
上述虽然对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化，而不具备创造性劳动的修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (5)

1.一种冲击波作用下的颅脑创伤模型系统，其特征在于：包括颅脑模型(1)，颅内压传感器(2)，颅骨应力应变传感器(3)，脑组织加速度传感器(4)，传感器连接底座(5)，数据采集模块(6)，数据评估模块(7)；其中所述颅脑模型 (1)由外至内分为头皮(101)，颅骨(102)，脑脊液(103)，脑组织(104)；四个颅骨应力应变传感器(3)按照前后左右的顺序安装在颅骨内侧面；颅内压传感器(2)安装在颅脑模型(1)右后方的脑脊液(103)中；脑组织加速度传感器(4)嵌入在脑组织(104)正中心；传感器连接底座(5)一端嵌入在颅脑模型(1)左后方的颅骨(102)中，另一端穿过头皮伸出在颅脑模型(1)外部，传感器连接底座(5)的材质与颅骨(102)的材质相同；颅内压传感器(2)和四个颅骨应力应变传感器(3)的连线穿过颅骨(102)进入到传感器连接底座(5)中并从另一端穿出，脑组织加速度传感器(4)的连线穿过颅骨(102)顶部，沿颅顶进入到传感器连接底座(5)中并从另一端穿出；颅内压传感器(2)、颅骨应力应变传感器(3)、脑组织加速度传感器(4)通过传感器连接底座(5)与数据采集模块(6)连接，数据采集模块(6)与数据评估模块连接；
所述颅脑创伤模型系统中颅脑模型的制备方法，包括以下步骤：
Step.1利用人体头部切片灰度头像，导入MIMICS中，利用图像灰度值的不同进行阈值分割，获得头皮、颅骨、脑脊液、脑组织的组织结构；
Step.2根据不同组织的点云数据，利用3D打印技术获得头皮、颅骨、脑脊液、脑组织的模具；
Step.3利用灌注方式，将各组织的材料分别灌注到不同的模具中，同时在组织成型之前安装各部分的传感器；
所述头皮选取自结膜纤维聚氨酯弹性材料，其具有较高的机械强度、氧化稳定性、较高的柔曲性和回弹性的特性，利用3D打印技术制成头皮的模具并浇注制成；
所述颅骨利用3D打印技术结合灌注方式制得，具体通过利用mimics点云数据进行3D模具打印，并灌注高磷高钙热固性树脂材料制得，该材料具有耐热性高，受压不易变形的特性；
所述脑脊液充满骨膜中间，脑脊液为矿物盐和磷酸酯和动物血清蛋白的混合溶液，该混合溶液中含有的微量元素离子成分含量与人体脑脊液基本相同；
所述脑组织利用3D打印技术结合灌注方式制得，先通过3D打印技术制得能与骨膜密闭连接的皮层脑组织模具，然后将所述皮层脑组织模具与骨膜结构密闭连接后，往腔体内灌注高分子凝胶材料弹性体制得。
2.根据权利要求1所述的一种冲击波作用下的颅脑创伤模型系统，其特征在于：所述颅内压传感器(2)的型号为EntranEPB压力传感器，量程为0-3.5Mpa，频带宽度为50kHZ。
3.根据权利要求1所述的一种冲击波作用下的颅脑创伤模型系统，其特征在于：所述颅骨应力应变传感器(3)选取BA120-2BB应力应变片贴。
4.根据权利要求1所述的一种冲击波作用下的颅脑创伤模型系统，其特征在于：所述脑组织加速度传感器(4)选取高量程加速度传感器，型号为KD1001A。
5.根据权利要求1所述的一种冲击波作用下的颅脑创伤模型系统，其特征在于：所述数据评估模块(7)包括颅内压ICP评估模块(701)，头部HIC评估模块(702)和颅骨应变评估模块(703)。
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