CN111351627B - 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 - Google Patents

Abstract

本申请提供了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，其中，高仿真物理头部模型完全基于头部解剖结构及其各部分生物组织的力学性能进行创建，可真实再现脑组织挫裂伤与蛛网膜下腔出血两种常见损伤的发生过程；并建立了颅骨与脑组织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，可获得用于评价颅脑损伤程度的六个生物力学损伤指标；以不佩戴防护装备的头部模型对应的损伤状态为参照，基于上述六个力学损伤指标与脑组织挫裂伤以及蛛网膜下腔出血的严重程度对头部防护装备的生物防护效能分别进行力学损伤评估与生理损伤评估，从而实现防护装备的综合评价。

Description

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

技术领域

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。

背景技术

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％。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(Traumatic Brain Injury，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-induced Traumatic BrainInjury，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应阶段。其中，应力波动阶段的动态响应过程通常只有2～4毫秒，是爆炸冲击波直接作用于头部的过程。虽然通过大量的动物实验、病理生理学分析以及数值模拟研究建立了颅脑碰撞损伤与头部加速度之间的联系，并确定了相应的损伤准则，但是相关理论只能应用于头部的整体响应阶段，而不能分析爆炸冲击波直接作用下颅脑损伤这一应力波主导的物理过程。

另外，现有技术中，在测试头部护具的防护性能时，依赖于仿真度不高的人体模型(如汽车碰撞假人)进行实验，通常这类模型采用基于头部整体加速度的损伤指标来评价头部护具的防护性能，通过此类实验得到的结果只能片面的反映头部护具的防护性能：一是这类假人物理模型没有脑组织、脑脊液等生理结构，无法获得脑组织的动态响应过程，没有建立基于脑组织的力学损伤指标；二是这类模型只关注头部结构的整体运动，无法获得头部在应力波动阶段的实验数据，具有明显的局限性。

综上所述，相关学者已经提出了爆炸冲击波直接作用引起颅脑致伤的多种假说，由于缺少生物、物理模型的进一步验证，相应的颅脑损伤机理依然不明确。同时，作为防护爆炸冲击波作用下颅脑损伤的重要军事装备-头盔，其防弹机理已被相关学者进行了深入研究，相应的防弹标准与测试流程早已写入相应的规范之中；而其防爆机理有待于进一步研究，相应的实验平台与评价体系亟需建立。随着爆炸伤的日渐频发，爆炸冲击波直接作用下的颅脑致伤机理与头盔等头部防护装备的生物防护效能评价已经发展成为亟需解决的关键问题。

为了解决上述问题，本发明提供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。基于高仿真物理头部模型的动态测试系统可以真实反映并记录颅脑在爆炸冲击波作用下的动态响应特性与损伤发生过程，建立力学损伤指标与生理损伤之间的内在关系，并发展了头盔等头部防护装备的防护评价方法，为爆炸冲击波作用下颅脑损伤的机理研究和防护装备的生物防护效能评估提供了全新的实验平台。

发明内容

本发明提供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。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，能够真实反映生物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为多层切片叠加结构，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I_Q(t)，所述剪切变形能量变化率I_Q(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。

一种防护评价方法，所述防护评价方法应用于动态测试系统，所述防护评价方法能够对头盔等头部防护装备在爆炸冲击波作用下的生物防护效能进行综合评价，以所述高仿真物理头部模型在无防护条件下的损伤状态为参照，基于六个生物力学损伤指标对装备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。

与现有技术相比，本申请包括以下优点：

1、本发明提供一种高仿真物理头部模型，完全基于头部生理解剖结构进行创建，包括脑组织物理模型、脑膜物理模型、脑脊液物理模型、颅骨物理模型与皮肤物理模型；各部分物理模型的动态力学性能与生物组织的性能接近，对于重点关注的脑组织物理模型，基于脑组织在宽频域范围内(0.01Hz ～10MHz)的动态试验数据，并结合发展的优化算法来确定脑组织物理模型的材料配比，能够真实反映脑组织在爆炸冲击波这种宽频域作用下的动态响应特性；

2、基于高仿真物理头部模型建立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，分别在所述脑脊液物理模型与脑组织物理模型中设置装有损伤标记物的生物薄膜囊，脑组织挫裂伤和/或蛛网膜下腔出血发生时，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和/或所述脑组织物理模型发生反应，可真实再现脑组织挫裂伤与蛛网膜下腔出血两种常见损伤的发生过程，并可获得损伤发生位置与体积，对颅脑损伤程度进行生理损伤评估；

3、基于高仿真物理头部模型建立颅骨与脑组织之间的相对切向位移测量系统，通过切向同步变形装置、直流电压装置、电流采集装置与数据处理装置可测量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，该系统具有高效、可靠、精确等特点，解决了颅骨与脑组织之间相对切向位移难以准确测量的难题，并提出了对应的力学损伤指标；

4、基于高仿真物理头部模型建立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，压力传感器、加速度传感器与应变片的布设位置是在前期科学研究基础上进行设计的：在应力波动阶段，前三个测试系统可用于研究冲击波在脑组织中的动态演化规律，并揭示脑组织压力与颅骨局部高频振动之间的内在联系，提出颅内压力、颅骨应变、输入功率密度与剪切变形能量变化率等生物力学损伤指标；而头部整体加速度测试系统可在结构整体响应阶段获得头部整体加速度的动态响应过程，可获得头部伤害指标HIC。

5、本发明提出头部防护装备的防护评价方法，所述防护评价方法是以无防护头部物理模型的损伤状态为参照，基于颅骨与脑组织之间相对切向位移、输入功率密度、颅内压力、颅骨应变、剪切变形能量变化率与头部伤害指标HIC六个生物力学损伤指标对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。

6、高仿真物理头部模型中的颅骨物理模型采用拼接工艺进行装配，在替换脑脊液物理模型与脑组织物理模型时，皮肤物理模型与颅骨物理模型均可重复使用，而且头部模型所用传感器大部分安装在颅骨模型上，可大幅降低再次制作的费用与时间；同时，基于高仿真物理头部模型的动态测试系统，其适用的物理场景范围大：一方面可以模拟头部在碰撞工况下的动态响应过程，得到高仿真物理头部模型的整体加速度与头部伤害指标HIC，用于汽车碰撞、摩托头盔等常规安全防护领域；另一方面可以真实反映颅脑在爆炸冲击波作用下的动态响应特性与损伤发生过程，建立力学损伤指标与生理损伤之间的内在关系，为颅脑损伤的机理研究和头部防护装备的生物防护效能评估提供了全新的实验平台。

附图说明

图1是本发明中的高仿真物理头部模型的结构示意图；

图2是本发明中的制作高仿真物理头部模型的工艺流程图；

图3是本发明中的脑组织在宽频域范围内(0.01Hz～10MHz)的复合剪切模量绝对值。

附图标记包括：

1-颅骨物理模型，2-脑组织物理模型，3-脑膜物理模型，4-脑脊液物理模型，5-皮肤物理模型。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。

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应阶段。其中，应力波动阶段的动态响应过程通常只有2～4毫秒，是爆炸冲击波直接作用于头部的过程。本领域中的研究人员通常采用数值模拟方法对爆炸冲击波作用下颅脑损伤进行研究，而相关的物理实验研究则很少。这主要受限于高仿真物理头部模型与动态测试系统的发展，表现在以下方面：

(1)由于头部具有复杂的生理结构，高仿真物理头部模型的创建是一个复杂的系统工程：头部各个组织的形状都是不规则的，需要建立各个组织的几何模型，获得符合生理结构的组织形状；同时，基于先进的制备工艺确保各生理结构的相对位置，这是一个非常具有挑战性的工作。

(2)爆炸冲击波直接作用于头部持续时间极为短暂，通常只有2～4毫秒，人体头部与脑组织的动态响应是应力波主导的物理过程，该过程对替代物材料的力学性能与数据采集装置都提出了苛刻的要求。

(3)爆炸冲击波作用下颅脑损伤机理依然不明确，无法确定颅脑损伤的力学敏感指标，传感器类型的选择与布置设计都面临困境，颅脑损伤指标与相应的损伤准则有待于进一步确立。

同时，颅脑损伤机理不明确与颅脑损伤指标缺失致使头部防护装备在爆炸冲击波作用下生物防护效能的评价方法至今无法建立，检验头部防护装备防护效能的测试试验无法进行。

针对上述问题，本发明制作了基于高仿真物理头部模型的动态测试系统。基于高仿真物理头部模型的动态测试系统可以真实反映并记录颅脑在爆炸冲击波作用下的动态响应特性与损伤发生过程，建立力学损伤指标与生理损伤之间的内在关系，并建立了头盔等头部防护装备的防护评价方法，为爆炸冲击波作用下颅脑损伤的机理研究和防护装备的生物防护效能评估提供了全新的实验平台。

如图1所示，高仿真物理头部模型包括：具有颅骨生理构造的颅骨物理模型1、位于颅骨物理模型1中真实反映脑组织力学特性的脑组织物理模型 2、包裹脑组织物理模型2的脑膜物理模型3、填充颅骨物理模型1与脑膜物理模型3之间的间隙的脑脊液物理模型4、以及包裹颅骨物理模型1的皮肤物理模型5。

如图2所示，高仿真物理头部模型是按照如下步骤制成的：

步骤S01，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中装有颜色指示剂与力学性能反应剂A，所述生物薄膜囊B中装有颜色指示剂与力学性能反应剂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。

步骤S02，基于颅骨生理构造制成颅骨物理模型1；所述颅骨物理模型 1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1；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3，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。

基于颅骨生理构造的数字模型文件和高韧树脂材料，采用3D打印技术制成颅骨物理模型1。本实施例所用的高韧树脂材料的性能如下：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。上述高韧树脂是基于真实颅骨的动态力学实验数据对市场上的树脂材料进行筛选得到的，是相对最优的颅骨替代材料。本实施例中的颅骨物理模型1，基于人类颅骨的生理结构进行创建，能够真实反映真实颅骨在爆炸冲击波作用下的动态力学性能(例如压力变化、加速度变化、应变)。根据从颅骨物理模型1上检测的数据，可预测脑组织物理模型2 在爆炸冲击波作用下发生的损伤。

步骤S03，根据脑组织的外部形状生成所述脑膜物理模型3，所述脑膜物理模型3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3的外表面与已经粘贴在所述颅骨物理模型1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3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1与所述脑组织物理模型2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1与所述脑膜物理模型3上；其中，所述脑膜物理模型3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所述右半部分颅骨物理模型的接缝位置处均匀涂抹胶水，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1；其中，胶水凝固后的弹性模量与所述颅骨物理模型1的模量是接近的，防止所述颅骨物理模型1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。

步骤S04，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脑膜物理模型3内，在液态的水凝胶充满整个脑膜物理模型3内部后将脑膜物理模型3的端口进行密封；待液态的水凝胶固化后，获得被脑膜物理模型3包裹的脑组织物理模型2。

由于脑组织在爆炸冲击波作用下的动态响应过程具有宽频带响应特性 (10Hz～1MHz)，作为脑组织替代物的水凝胶应当真实反映脑组织在整个宽频范围内的响应特性。脑组织是粘弹性材料，利用剪切复合模量表征其力学性能。剪切复合模量的表达式为G^*＝G₁+iG₂，其中，G₁、G₂分别为存储模量与损耗模量。图3中的数据点是基于实验方法得到的复合剪切模量绝对值 |G^*|，其值是复合剪切模量的模，即

由图3中可以看出，复合剪切模量绝对值|G^*|会随着频率增大而显著提高，这种规律与脑组织的应变率效应是一致的。图3中的实验数据为脑组织类替代物水凝胶的材料配比提供了设计依据。本实施例中水凝胶的组分及其组分百分比并不是经过不同组分的简单调配就能获得的，是一个极具挑战性与创新性的实现过程：以图3中脑组织在宽频域范围内(0.01Hz～10MHz)的动态试验数据作为设计依据，基于全因子实验设计方法得到水凝胶剪切复合模量与加载频率、材料配比之间的离散对应关系，并利用最小二乘法确定剪切复合模量的显示表达式，构建相应的优化模型，最终得到反映脑组织宽频响应特性的水凝胶材料配比。

具体地，本实施例中的液态的水凝胶的组分及其组分百分比是按照如下方式确定的：

步骤S11，根据脑组织在宽频域范围内(0.01Hz～10MHz)的复合剪切模量的绝对值，确定组分及其组分比例为：

丙烯酰胺：N,N’-亚甲基双丙烯酰胺：过硫酸铵：N,N,N’,N’-四甲基乙二胺＝1：0.2％：5％：1％，剩余比例的组分由去离子水补充；

其中，首先限定丙烯酰胺、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、过硫酸铵以及 N,N,N’,N’-四甲基乙二胺的组分比，目的在于减少优化变量。水凝胶是丙烯酰胺(单体)发生自由基聚合反应产生的，而该反应需要在过硫酸铵(引发剂)作用下才能发生，该过程中过硫酸铵(引发剂)的需求量是相对较很少的，本实施例中采用丙烯酰胺的5％的质量分数；同时，N,N’-亚甲基双丙烯酰胺作为交联剂能够提高聚合反应的交联程度，本实施例中采用丙烯酰胺的0.2％的质量比；N,N,N’,N’-四甲基乙二胺作为促进剂，主要控制反应的速度，本实施例中采用丙烯酰胺的1％的质量比。

步骤S12，准备如下六种水凝胶样品：

第一种水凝胶样品：丙烯酰胺30％、去离子水68.14％、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺0.06％、过硫酸铵1.5％以及N,N,N’,N’-四甲基乙二胺0.30％；

第二种水凝胶样品：丙烯酰胺25％、去离子水73.45％、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺0.05％、过硫酸铵1.25％以及N,N,N’,N’-四甲基乙二胺0.25％；

第三种水凝胶样品：丙烯酰胺20％、去离子水78.76％、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺0.04％、过硫酸铵1％以及N,N,N’,N’-四甲基乙二胺0.2％；

第四种水凝胶样品：丙烯酰胺15％、去离子水84.07％、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺0.03％、过硫酸铵0.75％以及N,N,N’,N’-四甲基乙二胺0.15％；

第五种水凝胶样品：丙烯酰胺10％、去离子水89.38％、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺0.02％、过硫酸铵0.50％以及N,N,N’,N’-四甲基乙二胺0.10％；

第六种水凝胶样品：丙烯酰胺5％、去离子水94.69％、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺0.01％、过硫酸铵0.25％以及N,N,N’,N’-四甲基乙二胺0.05％；

步骤S13，对所述步骤S12中的每一种水凝胶样品进行低频DMA实验和高频超声实验，获得每一种水凝胶样品在特征加载频率下的剪切复合模量，特征加载频率包括0.01Hz、0.1Hz、1Hz、10Hz、100Hz、1kHz、10kHz、 100kHz、1MHz、10MHz，完成全因子试验，建立丙烯酰胺的组分百分比、特征加载频率与剪切复合模量绝对值之间的关系。

步骤S14，基于步骤S13中的全因子试验结果，利用最小二乘法建立水凝胶样品的剪切复合模量绝对值与丙烯酰胺的组分百分比、加载频率之间的近似理论模型f(x,w)，其中，所述近似理论模型f(x,w)是剪切复合模量绝对值的理论预测值，x为丙烯酰胺的组分百分比，w为加载频率。

步骤S15，将不同特征频率下水凝胶样品剪切复合模量绝对值的近似理论模型与脑组织剪切复合模量绝对值的实验测量结果之间的差值先平方再求和，并求解其在合理的边界条件下的最小值，从而获得水凝胶组分配比优化模型的理论表达式：

目标函数

约束条件0＜x＜1

其中，

是指步骤S11在脑组织在第i个试验加载频率下的剪切复合模量的绝对值，n为频率样本数量；0＜x＜1为约束条件。上述理论表达式中x为丙烯酰胺的组分百分比，本实施例所指的水凝胶是指包含N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、过硫酸铵、N,N,N’,N’-四甲基乙二胺、丙烯酰胺以及去离子水的化合物，而0＜x＜1这个边界条件设置的目的是为了保证该近似理论模型具有物理意义：当x为1时，表征水凝胶的成分不包含去离子水，即不具备物理意义；当x为0时，表征水凝胶的成分全是去离子水，也不具备物理意义。

步骤S16，利用MATLAB求解水凝胶组分配比优化模型的理论表达式，获得最优的水凝胶组分百分比。

根据上述方式获得的最优的水凝胶组分及其组分百分比为：89.4349％的去离子水、10.5％的丙烯酰胺、0.0021％的N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、0.0525％的过硫酸铵以及0.0105％的N,N,N’,N’-四甲基乙二胺。

将上述最优组分百分比的水凝胶进行低频DMA实验与高频超声实验，得到试验加载频率下剪切复合模量的绝对值，与脑组织的剪切复合模量绝对值进行对比，两者的吻合性较好。

上述最优组分百分比的水凝胶具有化学键交联构成的空间网状结构，水分子锁定在这些网状结构中，能够近似表征脑组织神经网络的微观结构。本实施例提供最优组分百分比的水凝胶能够真实地模拟冲击波在脑组织中动态传播与演化规律。

步骤S05，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1与所述脑膜物理模型3之间的间隙，醋酸溶液会逐步溶解所述支撑结构，但不会影响所述生物薄膜囊与所述颅骨物理模型1、以及所述脑膜物理模型3之间的粘结性能，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4；

步骤S06，基于人类头部的外部轮廓与3D打印技术制成内部中空的头部壳体模型；按照头部生理解剖结构将颅骨物理模型1固定在头部壳体模型的内部中空处，将经真空处理过的PDMS倒入颅骨物理模型1与头部壳体模型之间的空隙中，然后在室温下(27℃)固化24小时；PDMS凝固后形成覆盖在颅骨物理模型1外部的皮肤物理模型5，获得高仿真物理头部模型。

本实施例用来制作皮肤物理模型5的PDMS是一种硅橡胶，道康宁184 是PDMS的一种类型。本实施例采用道康宁184制成皮肤物理模型5，用于模拟皮肤表层、皮下脂肪和肌肉等组织，可以真实地反映皮肤的动态力学性能。PDMS的组分及其质量比是按照如下方式确定的：

步骤S21，根据皮肤杨氏模量的实验测量值，确定PDMS中的优化变量为：道康宁184和固化剂之间的质量比；

步骤S22，准备如下五种PDMS样品：

第一种PDMS样品：道康宁184和固化剂的质量比是5:1；

第二种PDMS样品：道康宁184和固化剂的质量比是10:1；

第三种PDMS样品：道康宁184和固化剂的质量比是15:1；

第四种PDMS样品：道康宁184和固化剂的质量比是20:1；

第五种PDMS样品：道康宁184和固化剂的质量比是25:1；

步骤S23，对步骤S22中的五种PDMS样品分别检测其杨氏模量；

步骤S24，基于最小二乘法，建立PDMS样品杨氏模量与质量比之间的近似理论模型F(X)，其中，近似理论模型F(X)为杨氏模量的理论预测值， X为质量比；

步骤S25，将步骤S24中的PDMS样品的杨氏模量近似理论模型，与皮肤杨氏模量的试验值之间的差值进行平方，并求解其在合理边界条件下的最小值，合理边界条件为X>0(这个边界条件设置的目的是为了保证该近似理论模型具有物理意义)，从而可获得PDMS优化模型的理论表达式：

目标函数min(F(X)-E)²

约束条件X>0

其中，E是步骤S21中皮肤杨氏模量的实验测量值；

步骤S26，利用MATLAB求解PDMS优化模型的理论表达式，获得最优的PDMS组分质量比。

按照上述方式获得的最优的PDMS组分及其组分质量比为：道康宁184 和固化剂的质量比是17.5:1。

基于上述最优的PDMS组分及其组分质量比混合均匀，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，对获得的PDMS 测量其杨氏模量。人体皮肤的弹性模量为0.36MPa，该PDMS的弹性模量为 0.36MPa左右，几乎为不可压缩材料。

本实施例中由PDMS制成的皮肤物理模型5与人类皮肤较为接近，可代替人类皮肤表层、皮下脂肪和肌肉等组织，能够真实地反映皮肤与颅骨之间的阻抗失配特性对颅脑动态响应过程的显著影响。

本实施例提供的高仿真物理头部模型，完全基于头部的生理解剖结构创建，包括颅骨物理模型1、脑组织物理模型2、脑膜物理模型3、脑脊液物理模型4与皮肤物理模型5；脑组织物理模型2的类生物材料的配比设计是基于脑组织在宽频域范围内(0.01Hz～10MHz)的动态力学实验数据进行材料组分设计、实验与优化得到的，真实反映脑组织在冲击波作用下的动态响应特性；同时，脑脊液物理模型4与脑组织物理模型2中设置了生物薄膜囊，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。

结合微型切向位移测量装置、微型防水压力传感器、高频微应变传感器与高频微型加速度传感器，在所述高仿真物理头部模型上建立了用于完整记录颅脑动态响应过程的动态测试系统。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动态测试系统。

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4与所述脑组织物理模型2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4或者所述脑组织物理模型2发生反应，呈现出显著的颜色与力学性能变化；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。

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中装有颜色指示剂与力学性能反应剂A，所述生物薄膜囊B中装有颜色指示剂与力学性能反应剂B。表征脑组织挫裂伤所用的球形生物薄膜囊A与球形生物薄膜囊B的用量比例为1:1，均匀分布在所述脑组织物理模型2中；脑组织挫裂伤发生时，所述球形生物薄膜囊A与球形生物薄膜囊B均会发生破裂，所述颜色指示剂与所述脑组织物理模型2中水凝胶发生反应，显示出显著的颜色变化，所述力学性能反应剂A与力学性能反应剂B 发生快速聚合反应，生成高硬度与高剪切模量的水凝胶，显著改变所述脑组织物理模型2中损伤发生位置处水凝胶的力学性能。表征蛛网膜下腔出血所用的圆柱形生物薄膜囊A与圆柱形生物薄膜囊B的用量比例为1:1，均匀交叉布置在所述脑脊液物理模型4中；蛛网膜下腔出血发生时，所述圆柱形生物薄膜囊A与圆柱形生物薄膜囊B均会发生破裂，所述颜色指示剂与所述脑脊液物理模型4中醋酸溶液发生反应，显示出显著的颜色变化，所述力学性能反应剂A与力学性能反应剂B发生快速聚合反应并生成高硬度、高剪切模量的水凝胶，显著改变所述脑脊液物理模型4中醋酸溶液的力学性能。

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，可准确计算出脑组织挫裂伤和/或蛛网膜下出血发生的位置与体积；其中，所述高仿真物理头部模型在试验前后的扫描切片可以基于成熟的核磁共振扫描技术获得，扫描切片的间距为0.5mm；

所述切向位移测量系统包括：设置在所述颅骨物理模型1与所述脑组织物理模型2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为多层圆环形切片叠加结构，用于记录所述颅骨物理模型1与所述脑组织物理模型2之间的相对切向运动；所述切向同步变形装置中每层切片的厚度约为0.5mm，其内、外径分别为1mm与3mm，可在装置中间部位形成1mm直径的复位孔，在进行试验时可对所述切向同步变形装置进行复位；切片的材料采用密度较小的金属铝，同时采用成熟工艺对切片表面进行超润滑处理，可极大降低相邻切片之间的摩擦阻力；所述切向同步变形装置中切片的层数以及切片的厚度可根据测量位置处的实际情况进行调整；所述颅骨物理模型1与所述脑组织物理模型2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2发生剪切变形，致使所述脑组织物理模型2发生挫裂损伤和/或所述脑脊液物理模型4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。

在上述高仿真物理头部模型中设置有数据采集模块，颅内压力采集模块包括压力传感器，压力传感器设置在脑组织物理模型2中和/或脑脊液物理模型4中，压力传感器用于记录脑组织物理模型2和/或脑脊液物理模型4的颅内压力P(t)，并将颅内压力P(t)发送至数据处理模块；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；颅骨加速度采集模块包括加速度传感器，加速度传感器设置在颅骨物理模型1的外表面，加速度传感器用于记录颅骨物理模型1加速度a(t)，并将颅骨加速度a(t)发送至数据处理模块；头部整体加速度采集模块包括加速度传感器，加速度传感器设置在脑组织物理模型2中，加速度传感器用于记录所述高仿真物理头部模型的整体加速度A(t)，并将整体加速度 A(t)发送至数据处理模块。

压力传感器设置在所述脑脊液物理模型4与所述脑组织物理模型2中的位置至少包括以下之一：脑脊液物理模型4的顶部、两侧、前后、额颞叶处、枕内隆突处以及脑组织物理模型2的中心；其中，脑脊液物理模型4的两侧以及脑组织物理模型2的中心处于同一直线上，脑脊液物理模型4的前后以及脑组织物理模型2的中心处于同一直线上，便于研究应力波动阶段冲击波在脑组织这类软物质中的传播与演化规律；

所述压力传感器的布设方式，便于研究应力波动阶段脑组织压力沿着颅骨的动态演化规律；同时，可以记录额颞叶与枕内隆突处的脑组织压力的动态演化过程，揭示脑组织压力与脑组织损伤之间的内在联系。

压力传感器为微型防水压力传感器，谐振频率高达1MHz，有效工作频率为0～500kHz，能够满足爆炸等极端工况下颅内压力的测量要求。

加速度传感器设置在脑组织物理模型2中的位置至少包括：高仿真物理头部模型的重心处，用于记录结构整体响应阶段头部整体加速度的动态演化过程，研究头部在此阶段的颅脑损伤机理，扩大基于高仿真物理头部模型的动态测试系统的应用场景；

加速度传感器设置在颅骨物理模型1的外表面的位置至少包括以下之一：颅骨物理模型1的外表面的顶部、两侧、前后、额颞叶处以及枕内隆突处。

加速度传感器设置在颅骨物理模型1的外表面的位置与压力传感器设置在脑脊液物理模型4中的位置是一一对应的，例如：压力传感器设置在脑脊液物理模型4的顶部，而与该压力传感器对应的加速度传感器设置在颅骨物理模型1的外表面的顶部；压力传感器设置在脑脊液物理模型4的两侧，而与该压力传感器对应的加速度传感器设置在颅骨物理模型1的两侧；压力传感器设置在脑脊液物理模型4的前后，而与该压力传感器对应的加速度传感器设置在颅骨物理模型1的前后。严格限定加速度传感器与压力传感器的相对位置，目的在于揭示颅骨局部变形与颅内压力之间的内在联系，基于同一特征位置处的颅骨加速度与颅内压力可以获得冲击波作用于头部时的输入功率密度。

加速度传感器为三向微型加速度计，量程不小于3000g，固有频率不低于500kHz。本实施例直接采用加速度传感器进行颅骨加速度测量，测量方法简单高效。本实施例测量的颅骨加速度数据是矢量加速度，具有方向性，通过颅骨加速度数据就可以知道颅骨物理模型1变形的趋势，可研究颅骨物理模型1的局部变形与脑脊液物理模型4的颅内压力之间的相互作用机理。颅骨物理模型1内表面的压力值与脑脊液物理模型4的压力是相同的，基于获得的颅骨物理模型4外表面的加速度与内表面的压力就能确定冲击波作用于脑脊液物理模型4与脑组织物理模型2的输入功率密度。

应变片设置在颅骨物理模型1的外表面的位置至少包括以下之一：颅骨物理模型1的外表面的顶部、两侧、前后、额颞叶处以及枕内隆突处；应变片为灵敏系数不小于100的半导体微应变片，为了消除外界温度变化对半导体微应变片的影响，采用全桥电路进行温度补偿设置(此处的全桥电路可以采用现有技术中任何能够实现温度补偿的装置实现，此处不再赘述)。本实施例设置应变片，可以得到颅骨物理模型1在爆炸冲击波作用下的局部高频振动响应特性，从而研究颅骨物理模型1的局部高频振动与脑组织物理模型 2的体积变形之间的动态演化规律。

应变片设置在颅骨物理模型1的外表面的位置与压力传感器设置在脑脊液物理模型4中的位置一一对应，两者的位置是严格限定的，可表征同一特征位置处的不同力学响应。例如：应变片设置在颅骨物理模型1的顶部，而与该应变片对应的压力传感器设置在脑脊液物理模型4的顶部；应变片设置在颅骨物理模型1的两侧，而与该应变片对应的压力传感器设置在脑脊液物理模型4的两侧；应变片设置在颅骨物理模型1的前后，而与该应变片对应的压力传感器设置在脑脊液物理模型4的前后。

传感器(本段的传感器均包括压力传感器、加速度传感器、应变片)布置的意义：除了可以获得损伤指标(本段的损伤指标均包括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、第六生物力学损伤指标)以外，可以根据传感器采集的动态试验数据研究爆炸冲击波下的颅脑损伤机理(这是基于传感器对高仿真物理头部模型中的压力、加速度、应变持续检测而实现的)，压力传感器与应变片测量可以验证脑组织物理模型2压力与颅骨物理模型1变形之间的关系，揭示人类脑组织压力的产生机理；压力传感器沿着颅骨物理模型1布置在脑组织物理模型2中，可以测量脑组织物理模型2的压力沿着颅骨物理模型1的变化趋势，可验证人类脑组织压力沿颅骨是否存在较大的压力梯度；在额颞叶处与枕内隆突处布置传感器，是基于研究发现额颞叶处与枕内隆突处是脑组织损伤的病灶区域，可研究脑组织压力在脑组织损伤中的作用机制。

所述压力传感器、所述加速度传感器与应变片的布置位置具有一致性，结合所述压力传感器、所述加速度传感器与应变片可以研究脑组织压力与颅骨局部高频振动之间的内在联系，并对脑组织损伤的病灶区域(额颞叶处与枕内隆突处)进行了重点检测，从而便于研究爆炸冲击波作用下的颅脑损伤机理，建立相应的损伤评价指标。

数据处理模块对上述数据采集模块采集的数据进行加工处理，具体过程如下：

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I_Q(t)，所述剪切变形能量变化率I_Q(t)根据所述颅内压力P(t)、所述颅骨加速度a(t)以及所述颅骨应变ε(t)获得；所述第六生物力学损伤指标为头部伤害指标HIC(HeadInjuryCriterion)，所述头部伤害指标HIC根据头部整体加速度A(t)获得。

其中，所述第二生物力学损伤指标为输入功率密度I(t)，输入功率密度 I(t)又称为能流密度。现有技术中虽然存在能流密度的概念，但是并未给出如何测量能量密度的方式，也没有应用到颅脑损伤评估的先例。本实施例基于高仿真物理头部模型的动态测试系统能够获得爆炸冲击波作用于头部的能流密度，通过能流密度表征高仿真物理头部模型的损伤程度以及评价头盔等防护装备的生物防护效能。输入功率密度I(t)根据颅内压力P(t)和颅骨加速度a(t)获得，具体计算公式如下：

脊液物理模型4和/或所述脑组织物理模型2单位体积中输入冲击能量的快慢； P(t)为颅内压力；a(t)为颅骨加速度；t′为积分变量；t为爆炸冲击波作用于所述高仿真物理头部模型的持续时间。

所述第三生物力学损伤指标为颅内压力P(t)，脑脊液物理模型4的颅内压力P(t)可以近似的表征脑组织物理模型2的体积变形。第三损伤指标，一方面可以表征高仿真物理头部模型在碰撞、爆炸冲击波等情况下受到的损伤程度；另一方面可以检验佩戴在高仿真物理头部模型上的头部护具的防护性能的好坏。

所述第四生物力学损伤指标为颅骨应变，通过第四损伤指标可以直接获得颅骨物理模型1变形的程度，进而判断颅骨物理模型1是否出现损伤、开裂等情况。在爆炸冲击波作用下，颅骨物理模型1的高频振动与脑组织物理模型2的体积变形密切相关，致使脑组织体积压力出现高频波动特性。颅骨物理模型1的变形会对内部的脑组织物理模型2产生压力，当颅骨物理模型 1变形的程度达到了某个程度，颅骨物理模型1对脑组织物理模型2产生的压力就会造成脑组织物理模型2的重度/轻度损伤。

所述第五生物力学损伤指标为剪切变形能量变化率I_Q(t)，所述数据处理模块基于输入功率密度I(t)、动能变化率I_K(t)、体积变形能量变化率I_V(t)以及剪切变形能量变化率I_Q(t)的关系，获得剪切变形能量变化率I_Q(t)的计算公式，具体计算公式如下：

I_Q(t)＝I(t)-I_K(t)-I_V(t)

其中，I_Q(t)为剪切变形能量变化率，所述剪切变形能量变化率表征：所述脑组织物理模型2的单位体积内，由剪切变形所引起的能量变化的速率； I(t)为输入功率密度；I_K(t)为动能变化率；I_V(t)为体积变形能量变化率；t为爆炸冲击波作用于所述高仿真物理头部模型的持续时间；

数据处理模块基于颅内压力P(t)和颅骨加速度a(t)，获得动能变化率 I_K(t)和体积变形能量变化率I_V(t)，其中，

动能变化率I_K(t)的计算公式如下：

单位体积内动能的变化速率；ρ为脑组织物理模型2的密度；a(t)为颅骨加速度；t′为积分变量；t为爆炸冲击波作用于所述高仿真物理头部模型的持续时间；

体积变形能量变化率I_V(t)的计算公式如下：

其中，I_V(t)为体积变形能量变化率，体积变形能量变化率表征：所述脑组织物理模型2的单位体积内，由体积变形所引起的能量变化的速率；P(t) 为颅内压力；

为颅内压力对时间的导数；E_K为所述脑组织模型的体积模量；t为爆炸冲击波作用于所述高仿真物理头部模型的持续时间；

所述第五生物力学损伤指标包含了输入功率密度、动能变化率以及体积变形能量变化率，能够较为综合地表征所述高仿真物理头部模型在爆炸冲击波作用下所受到的冲击损伤效应。

所述第六生物力学损伤指标为头部伤害指标HIC(HeadInjuryCriterion)，所述头部伤害指标HIC根据所述头部整体加速度获得，具体计算公式如下：

其中，HIC为头部伤害指标，所述头部伤害指标表征：在结构整体运动阶段，爆炸冲击波对头部在特定时间区段内的加速度累计最大值；A(t)为头部质心处的整体加速度；t₁、t₂为头部整体运动过程中的两个时刻，且t₂- t₁≤36ms，该指标可用于评价头部在结构整体响应阶段的损伤程度。

基于所述动态测试系统发展了一种防护评价方法，所述防护评价方法能够对头盔等头部防护装备在爆炸冲击波作用下的生物防护效能进行综合评价。在测试头部防护装备在爆炸冲击波作用下对颅脑的生物防护效能时，测试系统还包括头部防护装备，头部防护装备佩戴在高仿真物理头部模型的外部。根据前期的研究工作，相关测试实验即可以直接在实爆现场开展，也可以在改进后的激波管装置中进行。其中，在进行实爆试验时，炸药当量宜采用7kgTNT，放置在爆心位置处且距离地面高度为2.0m，需要将高仿真物理头部模型放置在距爆心3.7m处，距离地面高度也为2.0m。这样布置的方式可以避免爆炸火球对物理头部模型的高温作用以及爆炸冲击波在地面的反射叠加效应对测试结果的影响，真实再现战场环境条件下爆炸冲击波与头部的作用过程。高仿真物理头部模型处的爆炸冲击波，其超压峰值约为200kPa，正压持续时间为1～2ms，是典型的爆炸冲击波载荷。通过调整激波管装置中的膜片厚度与刻痕深度、高压段与被驱动段之间的长度以及锥形喷管的径向斜率，可在激波管出口处产生上述典型的冲击波载荷，将高仿真物理模型置于该出口处，可用于模拟头部在爆炸冲击波作用下的动态响应过程。基于高仿真物理头部模型的动态测试系统，可以全面记录颅脑在爆炸冲击波作用下的损伤演化状态，获得蛛网膜下腔出血与脑组织挫裂伤的发生位置与体积，表征颅脑的生理损伤状态；同时得到六个生物力学损伤指标，表征颅脑的力学损伤状态。为了对头部防护装备的生物防护效能进行评价，在实爆现场或改进激波管装置中对不同防护状态的高仿真物理模型开展对比试验，以不佩戴头部防护装备工况下的颅脑损伤状况为参考，基于六个生物力学损伤指标对防护装备的生物防护效能进行力学损伤评估，同时基于蛛网膜下腔出血与脑组织挫裂伤的发生位置与体积对防护效能进行生理损伤评估，从而对头部防护装备的防护效能进行综合评价。

例如，基于颅内压力对头部防护装备的生物防护性能进行力学损伤评价。当颅内压力P(t)>235kPa，高仿真物理头部模型的损伤程度为重度颅脑损伤；当173kPa＜P(t)＜235kPa，高仿真物理头部模型的损伤程度为轻度颅脑损伤；当P(t)＜173kPa，高仿真物理头部模型的损伤程度为无损伤。在一定强度的爆炸冲击波下，高仿真物理头部模型在没有佩戴头部护具装备时所受损伤为重度颅脑损伤，头部防护装备的防护效果可按以下准则进行判定：如果头部防护装备将重度颅脑损伤降低为轻度(或无损伤)，则其防护性能为良(或优)；如果头部防护装备不能有效降低颅脑损伤程度，则其防护性能为差。

综上，本实施例提供的高仿真物理头部模型是完全基于头部解剖结构及其各部分生物组织的力学性能进行创建，能够真实反映颅脑在爆炸冲击波这种宽频域作用下的动态响应特性。基于高仿真物理头部模型建立了动态测试系统，可全面记录高仿真物理头部模型在不同爆炸试验工况下的动态响应数据来表征颅脑的损伤状态：其中，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可真实再现脑组织挫裂伤与蛛网膜下腔出血两种常见损伤的发生过程，得到颅脑损伤发生的位置与体积，对颅脑损伤程度进行生理损伤评估；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可获得用于评估颅脑损伤程度的六个生物力学损伤指标，分别为颅骨与脑组织之间的相对切向位移、输入功率密度、颅内压力、颅骨应变、剪切变形能量变化率与头部伤害指标HIC。同时，发展了一种针对头部防护装备的防护评价方法，所述防护评价方法是以无防护头部物理模型的损伤状态为参照，基于六个生物力学损伤指标对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。基于高仿真物理头部模型的动态测试系统适用物理场景范围广：一方面可以模拟头部在碰撞工况下的动态响应过程，得到高仿真物理头部模型的整体加速度与头部伤害指标HIC，用于汽车碰撞、摩托头盔等常规安全防护领域；另一方面可以真实反映颅脑在爆炸冲击波作用下的动态响应特性与损伤发生过程，建立力学损伤指标与生理损伤之间的内在关系，为颅脑损伤的机理研究和头部防护装备的生物防护效能评估提供了全新的实验平台。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

以上对本申请所提供的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，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (10)

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，基于所述动态响应数据得到用于评价颅脑损伤程度的六个生物力学损伤指标，所述六个生物力学损伤指标分别为相对切向位移、输入功率密度、颅内压力、颅骨应变、剪切变形能量变化率与头部伤害指标HIC；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I_Q(t)，所述剪切变形能量变化率I_Q(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；

基于人类头部的外部轮廓制成内部中空的头部壳体模型；

基于头部的生理解剖结构，将所述颅骨物理模型固定在所述头部壳体模型的内部中空处，将经真空处理过的PDMS倒入所述颅骨物理模型与所述头部壳体模型之间的空隙中，PDMS凝固后形成覆盖在所述颅骨物理模型外部的所述皮肤物理模型，获得所述高仿真物理头部模型。

3.根据权利要求2所述的动态测试系统，其特征在于，所述水凝胶的组分及其组分百分比是按照如下方式确定的：

步骤S11，根据脑组织在宽频域范围内的动态试验数据，确定组分及其组分比例为：

丙烯酰胺：N,N’-亚甲基双丙烯酰胺：过硫酸铵：N,N,N’,N’-四甲基乙二胺＝1：0.2％：5％：1％，剩余比例的组分由去离子水补充；

步骤S12，准备如下六种水凝胶样品：

第一种水凝胶样品：丙烯酰胺30％、去离子水68.14％、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺0.06％、过硫酸铵1.5％以及N,N,N’,N’-四甲基乙二胺0.30％；

第二种水凝胶样品：丙烯酰胺25％、去离子水73.45％、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺0.05％、过硫酸铵1.25％以及N,N,N’,N’-四甲基乙二胺0.25％；

第三种水凝胶样品：丙烯酰胺20％、去离子水78.76％、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺0.04％、过硫酸铵1％以及N,N,N’,N’-四甲基乙二胺0.2％；

第四种水凝胶样品包括：丙烯酰胺15％、去离子水84.07％、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺0.03％、过硫酸铵0.75％以及N,N,N’,N’-四甲基乙二胺0.15％；

第五种水凝胶样品：丙烯酰胺10％、去离子水89.38％、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺0.02％、过硫酸铵0.50％以及N,N,N’,N’-四甲基乙二胺0.10％；

第六种水凝胶样品：丙烯酰胺5％、去离子水94.69％、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺0.01％、过硫酸铵0.25％以及N,N,N’,N’-四甲基乙二胺0.05％；

步骤S13，对所述步骤S12中的每一种水凝胶样品进行低频DMA实验和高频超声实验，获得每一种水凝胶样品在特征加载频率下的剪切复合模量，特征加载频率包括0.01Hz、0.1Hz、1Hz、10Hz、100Hz、1kHz、10kHz、100kHz、1MHz、10MHz，完成全因子试验，建立丙烯酰胺的组分百分比、特征加载频率与剪切复合模量绝对值之间的关系；

步骤S14，基于所述步骤S13中的全因子试验结果，利用最小二乘法建立水凝胶样品的剪切复合模量绝对值与丙烯酰胺的组分百分比、加载频率之间的近似理论模型f(x,w)，其中，所述近似理论模型f(x,w)是剪切复合模量绝对值的理论预测值，x为丙烯酰胺的组分百分比，w为加载频率；

步骤S15，将水凝胶样品剪切复合模量绝对值的近似理论模型与脑组织剪切复合模量绝对值的实验结果之间的差值先平方再求和，并求解其在合理的边界条件下的最小值，从而获得水凝胶组分配比的优化模型：

目标函数

约束条件0＜x＜1

其中，

是指所述步骤S11中脑组织在不同频率试验中的剪切复合模量的绝对值；n为频率样本数量；0＜x＜1为约束条件；

步骤S16，利用MATLAB求解所述水凝胶组分配比优化模型的理论表达式，获得最优的水凝胶组分百分比；

其中，宽频域范围是指0.01Hz～10MHz。

4.根据权利要求3所述的动态测试系统，其特征在于，所述最优的水凝胶组分及其组分百分比为：89.4349％的去离子水、10.5％的丙烯酰胺、0.0021％的N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、0.0525％的过硫酸铵以及0.0105％的N,N,N’,N’-四甲基乙二胺，所述最优的水凝胶组分及其组分百分比可真实反映脑组织在爆炸冲击波宽频域作用下的动态响应特性。

5.根据权利要求1所述的动态测试系统，其特征在于，所述压力传感器设置在所述脑脊液物理模型与所述脑组织物理模型中的位置至少包括以下之一：所述脑脊液物理模型的顶部、两侧、前后、额颞叶处、枕内隆突处以及所述脑组织物理模型的中心；其中，所述脑脊液物理模型的两侧以及所述脑组织物理模型的中心处于同一直线上，所述脑脊液物理模型的前后以及所述脑组织物理模型的中心处于同一直线上，用于研究应力波动阶段冲击波在脑组织中的传播与演化规律；

所述加速度传感器设置在所述脑组织物理模型中的位置至少包括：所述高仿真物理头部模型的重心处，用于研究结构整体响应阶段所述高仿真物理头部模型的加速度的动态演化规律，扩大所述动态测试系统的物理应用场景；

所述加速度传感器设置在所述颅骨物理模型的外表面的位置至少包括以下之一：所述颅骨物理模型的外表面的顶部、两侧、前后、额颞叶处以及枕内隆突处；

所述加速度传感器设置在所述颅骨物理模型的外表面的位置与所述压力传感器设置在所述脑脊液物理模型中的位置一一对应；

所述应变片设置在所述颅骨物理模型的外表面的位置至少包括以下之一：所述颅骨物理模型的外表面的顶部、两侧、前后、额颞叶处以及枕内隆突处；

所述应变片设置在所述颅骨物理模型的外表面的位置与所述压力传感器设置在所述脑脊液物理模型中的位置一一对应；

所述压力传感器、所述加速度传感器与所述应变片的布置位置具有一致性，结合所述压力传感器、所述加速度传感器与所述应变片可以研究脑组织压力与颅骨局部高频振动之间的内在联系，并对脑组织损伤的病灶区域进行了重点检测，从而便于研究爆炸冲击波作用下的颅脑动态演化规律与损伤机理，建立相应的损伤评价指标；其中，病灶区域包括额颞叶处与枕内隆突处。

6.根据权利要求1所述的动态测试系统，其特征在于，所述压力传感器为微型防水压力传感器，谐振频率高达1MHz，有效工作频率为0～500kHz；

所述加速度传感器为三向微型加速度计，量程不小于3000g，固有频率不低于500kHz；

所述应变片为灵敏系数不小于100的半导体微应变片。

7.根据权利要求1所述的动态测试系统，其特征在于，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，具体计算公式如下：

其中，I(t)为输入功率密度，所述输入功率密度表征：爆炸冲击波对所述脑脊液物理模型和/或所述脑组织物理模型单位体积中输入冲击能量的快慢；P(t)为颅内压力；a(t)为颅骨加速度；t′为积分变量；t为爆炸冲击波作用于所述高仿真物理头部模型的持续时间。

8.根据权利要求1所述的动态测试系统，其特征在于，所述第五生物力学损伤指标为剪切变形能量变化率I_Q(t)，所述数据处理模块基于输入功率密度I(t)、动能变化率I_K(t)、体积变形能量变化率I_V(t)以及剪切变形能量变化率I_Q(t)的关系，获得剪切变形能量变化率I_Q(t)的计算公式，具体计算公式如下：

I_Q(t)＝I(t)-I_K(t)-I_V(t)

其中，I_Q(t)为剪切变形能量变化率，所述剪切变形能量变化率表征：所述脑组织物理模型单位体积内，由剪切变形所引起的能量变化的速率；I(t)为输入功率密度；I_K(t)为动能变化率；I_V(t)为体积变形能量变化率；t为爆炸冲击波作用于所述高仿真物理头部模型的持续时间；所述数据处理模块基于所述颅内压力P(t)和所述颅骨加速度a(t)，获得动能变化率I_K(t)和体积变形能量变化率I_V(t)，其中，

所述动能变化率I_K(t)的计算公式如下：

其中，I_K(t)为动能变化率，所述动能变化率表征：所述脑组织物理模型单位体积内动能的变化速率；ρ为所述脑组织物理模型的密度；a(t)为颅骨加速度；t′为积分变量；t为爆炸冲击波作用于所述高仿真物理头部模型的持续时间；

所述体积变形能量变化率I_V(t)的计算公式如下：

其中，I_V(t)为体积变形能量变化率，所述体积变形能量变化率表征：所述脑组织物理模型单位体积内，由体积变形所引起的能量变化的速率；P(t)为颅内压力；

为颅内压力对时间的导数；E_K为所述脑组织模型的体积模量；t为爆炸冲击波作用于所述高仿真物理头部模型的持续时间。

9.根据权利要求1所述的动态测试系统，其特征在于，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根据所述头部整体加速度获得，具体计算公式如下：

其中，HIC为头部伤害指标，所述头部伤害指标表征：在结构整体运动阶段，爆炸冲击波对头部在特定时间区段内的加速度累计最大值；A(t)为所述高仿真物理头部模型重心处的加速度；t₁、t₂为头部整体运动过程中的两个时刻，且t₂-t₁≤36ms，该指标可用于评价头部在结构整体响应阶段的损伤程度。

10.一种防护评价方法，其特征在于，所述防护评价方法应用于权利要求1-权利要求9任一所述的动态测试系统，所述防护评价方法能够对头盔头部防护装备在爆炸冲击波作用下的生物防护效能进行综合评价，以所述高仿真物理头部模型在无防护条件下的损伤状态为参照，基于六个生物力学损伤指标对装备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。

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