头颅碰撞试验系统及脑组织应变的动态测量方法

摘要

本发明提供了一种头颅碰撞试验系统及脑组织应变的动态测量方法，属于损伤生物力学的碰撞实验技术领域。它包括平台、碰撞壁、设于平台上的移动座、设于移动座上用于夹持头颅的夹持固定组件以及处理器，还包括可植入头颅的定位标志和用于检测定位标志位置的位置检测模块，处理器采集位置检测模块输出的位置信息并基于位置信息获取定位标志在碰撞试验过程中在头颅内部的运动轨迹，处理器基于运动轨迹获取头颅内定位标志所在位置处脑组织在碰撞试验中的应变。通过测量定位标志在碰撞试验过程中的运动轨迹来获取目标测试位置处脑组织在碰撞试验过程中的应变，实现了应变的动态测量，极大地简化了应变测量过程，减少了运算量，提高了测量精度。

说明书

技术领域

本发明属于损伤生物力学的碰撞实验技术领域，涉及一种头颅碰撞试验系统及脑组织应变的动态测量方法。

背景技术

尸体头部碰撞试验是损伤生物力学研究的重要技术与方法，开展人尸体头颅碰撞试验对医学伦理、测试方法、碰撞方式和试验环境等都有严格的要求，明确人尸体头部在碰撞试验过程中脑组织的运动轨迹和应变响应是开发体征碰撞假人极其重要的验证数据，准确获取人尸体颅脑组织在碰撞过程中的力学响应是损伤生物力学基础研究的基础。

国外主要通过高速X光机对人尸体头颅的碰撞过程进行拍摄，从而获取颅骨内脑组织的运动过程，再利用图像处理技术对特定脑组织的运动响应进行分析，但该测量方法的成本较高且测量精度极大程度依赖图像质量。目前，临床使用的CT、MRI、B超等医学成像技术由于设备成本较高、使用场地要求严格，并且很难获取脑组织碰撞过程清晰的动态响应图像，因而无法直接应用到人尸体头部碰撞的脑组织力学响应动态测量场景中。

发明内容

本发明的目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了一种成本相对较低的头颅碰撞试验系统。

还提出了一种便于直接测量的脑组织应变的动态测量方法。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：

头颅碰撞试验系统，包括平台、碰撞壁、设于平台上且由动力组件驱动的移动座、设于移动座上用于夹持头颅的夹持固定组件以及处理器，还包括可植入头颅的定位标志和用于检测定位标志位置的位置检测模块，所述处理器采集位置检测模块输出的位置信息并基于所述位置信息获取定位标志在碰撞试验过程中在头颅内部的运动轨迹，处理器基于所述运动轨迹获取头颅内定位标志所在位置处脑组织在碰撞试验中的应变。

上述技术方案：通过位置检测模块测量定位标志在碰撞试验过程中的运动轨迹来获取目标测试位置处脑组织在碰撞试验过程中的应变，实现了应变的动态测量，并且不依赖于复杂的成像设备和图像分析算法，极大地简化了应变测量过程，减少了运算量，提高了测量精度。

在本发明的一种优选实施方式中，所述碰撞壁可相对移动座运动。此时移动座处于驻车状态，碰撞壁运动后与头颅发生碰撞。

在本发明的一种优选实施方式中，所述碰撞壁上设有位置可调节的撞击头。由于撞击头的位置可调节，可改变撞击头在碰撞壁上的上下位置或左右位置，实现对头颅不同部位进行撞击。

在本发明的一种优选实施方式中，所述撞击头靠近移动座的一端可拆卸连接有衬垫。衬垫可由橡胶制成，也可以由金属材料制成，还可以是混凝土等其他材料制成，以实现在不同场景下的撞击模拟。

在本发明的一种优选实施方式中，所述位置检测模块包括至少三个可不共线设置于头颅上的超声测距探头，所述超声测距探头的输出端与处理器的距离输入端连接。

上述技术方案：采用超声波测距探头能够快速准确的测得头颅中定位标志与超声波测距探头的距离，通过至少三个距离获取定位标志的空间位置坐标，能够简化系统结构，降低成本。

在本发明的一种优选实施方式中，所述定位标志的密度与头颅内脑组织的密度相同或相近。定位标志的密度为头颅内脑组织密度的95％-105％，定位标志的运动轨迹理论上代表了其所在位置的脑组织的运动轨迹，因此定位标志的密度与脑组织的密度越接近越好，优选为定位标志的密度与头颅内脑组织的密度相同。

在本发明的一种优选实施方式中，所述定位标志呈球形或圆柱形。

在本发明的一种优选实施方式中，所述定位标志包括内层及包覆在内层表面的保护层，保护层均匀包覆在内层表面。

在本发明的一种优选实施方式中，所述内层由金属材料制成。内层可以由铜、铁、钢、锡等制成，优选由锡制成。

在本发明的一种优选实施方式中，所述保护层由塑料/硅胶/橡胶制成。保护层可对内层进行保护，保证内层不被腐蚀，从而延长了定位标志的使用寿命。由于保护层的密度小于内层的密度，与内层配合可降低定位标志整体的密度，方便将定位标志的密度设置成与脑组织的密度相同。

脑组织应变的动态测量方法，包括以下步骤：

步骤S1，在头颅的脑组织中设定目标测试位置，设定碰撞试验参数，所述碰撞试验参数包括碰撞时头颅碰撞朝向和/或碰撞速度；

在所述头颅上开设第一骨窗，通过所述第一骨窗将定位标志置入到所述目标测试位置；

步骤S2，基于本发明所述的头颅碰撞试验系统按照设定的碰撞试验参数进行碰撞试验；

在碰撞试验过程中，实时采集位置检测模块的输出信号并记录采集时间，基于位置检测模块的输出信号获取定位标志的实时位置坐标，将定位标志的实时位置坐标与位置检测模块的输出信号的采集时间关联；

步骤S3，基于定位标志的实时位置坐标和所述实时位置坐标关联的采集时间绘制定位标志的运动轨迹；

求取所述运动轨迹的长度，将所述长度作为目标测试位置处脑组织在碰撞试验中的应变。

上述技术方案：该方法通过在目标测试位置放置定位标志，测量定位标志在碰撞试验过程中的运动轨迹来获取目标测试位置处脑组织在碰撞试验过程中的应变，实现了应变的动态测量，并且不依赖于复杂的成像设备和图像分析算法，极大地简化了应变测量过程，减少了运算量，提高了测量精度，同时，由于定位标志密度与脑组织相同或相近，也保证了测量精度。

在本发明一种优选实施方式中，所述位置检测模块包括至少三个可不共线设置于头颅上的超声测距探头，位置检测模块的安装过程为：在所述头颅上开设至少三个第二骨窗，在每个所述第二骨窗中放置一个用于测量所述第二骨窗与定位标志距离的超声测距探头，所述超声测距探头不穿透硬脑膜。

上述技术方案：超声测距探头发射的超声波在定位标志反射，超声测距探头可通过测量发射超声波和接收超声波时间差获得定位标志与该超声测距探头的距离，采用超声波测距探头能够快速准确的测得头颅中定位标志与超声波测距探头的距离，通过至少三个距离获取定位标志的空间位置坐标，运算量少。

在本发明的一种优选实施方式中，还包括应变率获取步骤，所述应变率获取步骤包括：在所述定位标志运动轨迹上求取每个时间点上的斜率，将绝对值最大的斜率作为目标测试位置处脑组织在碰撞试验中的应变率。

上述技术方案：对整个碰撞试验过程中的应变率进行计算和分析，将绝对值最大的斜率作为应变率，能够更准确地表征碰撞试验过程中目标测量位置处脑组织的变形速度。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

通过在目标测试位置放置定位标志，测量定位标志在碰撞试验过程中的运动轨迹来获取目标测试位置处脑组织在碰撞试验过程中的应变，实现了应变的动态测量，并且不依赖于复杂的成像设备和图像分析算法，极大地简化了应变测量过程，减少了运算量，提高了测量精度，同时，由于定位标志密度与脑组织相同或相近，也保证了测量精度。

附图说明

图1是本发明提供的较佳实施例中头颅碰撞试验系统的示意图。

图2是本发明提供的定位标志的剖视图。

图3是本发明提供的一种实施例中头颅碰撞试验系统的示意图。

图4是本发明提供的另一种实施例中头颅碰撞试验系统的示意图。

图中，1、平台；2、碰撞壁；3、动力组件；4、移动座；5、夹持固定组件；6、定位标志；61、内层；62、保护层；7、超声测距探头；8、头颅；9、撞击头；10、衬垫。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

本头颅碰撞试验系统中作为实验对象的头颅为人尸体头颅，或头颅模型，当实验对象为头颅模型时，在其内部装有用于模拟脑组织的高分子凝胶，使其接近正常人体的头颅。

如图1所示的头颅碰撞试验系统，包括平台1、碰撞壁2、设于平台1上且由动力组件3驱动的移动座4、设于移动座4上用于夹持头颅8的夹持固定组件5以及处理器，本实施例中，平台1为具有上表面的平板，移动座4可在平板的上表面自由运动。

在一些其他实施例中，为了实现对移动座4进行导向，可在平台1的上表面上设置至少一条导轨，移动座4滑动设于导轨上，当导轨为至少两条时，各导轨相互平行。通常情况下，平板的上表面为水平面，也可以将其设置成倾斜角度较小的倾斜面，当为倾斜面时，可以将移动座4的重力作为驱动移动座4运动的动力。

在一些其他实施例中，平台1还可以是至少一条水平延伸的导杆，当导杆为两条及以上时，各导杆相互平行，移动座4通过架设/跨设/套设或其他方式与导杆滑动配合。本实施例中，移动座4滑动设于平台1上。

如图1所示，为了能有效驱动移动座4的移动，可在移动座4上设置两组相对设置的滚轮，每组滚轮至少由两个滚轮构成。动力组件3可直接设置在移动座4上，以驱动滚轮转动的方式驱动移动座4移动，驱动方式同电动玩具车的方式相同或相似。

在一些其他实施例中，也可以将动力组件3直接设置在平台1上，此时动力组件3可以是气缸/液压缸/由电机驱动的丝杆等，当为气缸/液压缸时通过推动的方式驱动移动座4运动，当为由电机驱动的丝杆时，移动座4与丝杆螺纹配合，在平台1的限位作用下移动座4不能转动，丝杆工作时可带动移动座4直线运动。

如图1所示，碰撞壁2设置在平台1的端部，与平台1的上表面垂直，移动座4的运动可带动头颅8与碰撞壁2发生碰撞，从而使植入头颅8的定位标志6在头颅8内运动。

夹持固定组件5可从多个方向对头颅8进行夹持，以方便调节头颅8的碰撞点，夹持固定组件5可以是多个弹性卡爪或两个可相对运动的夹头或可实现开合的夹具等，保证头颅8在碰撞时的稳定性。

头颅碰撞试验系统还包括可植入头颅8的定位标志6和用于检测定位标志6位置的位置检测模块，处理器采集位置检测模块输出的位置信息并基于所述位置信息获取定位标志6在碰撞试验过程中在头颅8内部的运动轨迹，处理器基于所述运动轨迹获取头颅8内定位标志6所在位置处脑组织在碰撞试验中的应变。

位置检测模块包括至少三个可不共线设置于头颅8上的超声测距探头7，超声测距探头7的输出端与处理器的距离输入端连接。采用超声波测距探头能够快速准确的测得头颅8中定位标志6与超声波测距探头的距离，通过至少三个距离获取定位标志6的空间位置坐标，能够简化系统结构，降低成本。

本实施例中，由于定位标志6的运动轨迹理论上代表了其所在位置的脑组织的运动轨迹，因此定位标志6的密度与头颅8内脑组织的密度相同。

如图2所示，定位标志6呈球形，包括内层61及包覆在内层61表面的保护层62。内层61呈球状，保护层62均匀包覆在内层61表面，保证定位标志6的重心为球心。

内层61为金属球，可以但不限于是铁球、铜球、钢球或锡球等，本实施例中的内层61为锡球。保护层62由塑料制成。保护层62可对金属球进行保护，保证金属球不被腐蚀，从而延长了定位标志6的使用寿命。由于保护层62的密度小于金属球的密度，与金属球配合可降低定位标志6整体的密度，方便将定位标志6的密度设置成与脑组织的密度相同。

在一些其他实施例中，定位标志6呈圆柱形。

在另一种优选实施方式中，碰撞壁2可相对移动座运动，即碰撞壁2滑动设置在平台1上，碰撞壁2由动力单元驱动，本实施例的动力单元包括但不局限于气缸、液压缸、电动推杆等，通过驱动碰撞壁2与头颅8发生碰撞，此时移动座4处于驻车状态。

进一步的，在碰撞壁2上设有位置可调节的撞击头9，由于撞击头9的位置可调节，可改变撞击头9在碰撞壁2上的上下位置或左右位置，实现对头颅8不同部位进行撞击。本实施例中，如图3所示，撞击头9的形状为球形。

在一些其他实施例中，如图4所示，撞击头9呈圆柱形。

更进一步的，在撞击头9靠近移动座4的一端可拆卸连接有衬垫10，衬垫10可由橡胶制成，也可以由金属材料制成，还可以是混凝土等其他材料制成，以实现在不同场景下的撞击模拟。

本发明还公开了一种脑组织应变的动态测量方法，在一种优选实施方式中，包括以下步骤：

步骤S1，在头颅8的脑组织中设定目标测试位置，设定碰撞试验参数，碰撞试验参数包括碰撞时头颅8碰撞朝向和/或碰撞速度；在头颅8上开设第一骨窗，通过第一骨窗将定位标志6置入到目标测试位置；

步骤S2，基于上述头颅8碰撞试验系统按照设定的碰撞试验参数进行碰撞试验；

在碰撞试验过程中，实时采集位置检测模块的输出信号并记录采集时间，基于位置检测模块的输出信号获取定位标志6的实时位置坐标，将定位标志6的实时位置坐标与位置检测模块的输出信号的采集时间关联；

步骤S3，基于定位标志6的实时位置坐标和实时位置坐标关联的采集时间绘制定位标志6的运动轨迹；

求取运动轨迹的长度，将该长度作为目标测试位置处脑组织在碰撞试验中的应变。

在本实施方式中，可根据碰撞速度设置动力组件3的驱动信号大小，若设定的碰撞速度越高，则驱动信号越大；头颅8碰撞朝向是指碰撞试验时头颅8与碰撞壁2接触前的朝向，头颅8碰撞朝向优选但不限于为头颅8的额骨朝向碰撞壁2或头颅8的后端朝向碰撞壁2或头颅8的左侧/右侧朝向碰撞壁2。

在本实施方式中，在步骤S1中，优选的，通过第一骨窗将定位标志6置入到目标测试位置的过程为：使用带刻度尺寸的负压吸引针将定位标志6放入头颅8，负压吸引针上的刻度可以帮助实验人员确定定位标志6的放置位置和深度；将定位标志6放入头颅8后，需将负压吸引针退出。

在本实施方式中，优选的，位置测试模块包括分布于头颅8非碰撞部位外面的磁阻传感器阵列，在定位标志6上设有磁性元件，通过磁阻传感器阵列中各磁阻传感器检测到的磁场强弱分布情况获得定位标志6在头颅8中距离磁场最强部位最近，进而估计出定位标志6的空间位置。

在本实施方式中，优选的，位置测试模块包括至少三个不共线设置的射频信号强度检测模块，在定位标志6内设有三个与射频信号强度检测模块一一匹配对应的射频信号发射器，射频信号强度检测模块根据接收的对应的射频信号发射器发出的射频信号强度得到该射频信号强度检测模块与定位标志6的距离，这样可以获得三个距离，而三个射频信号强度检测模块的位置固定且空间位置坐标已知，这样就可以通过三个距离和三个射频信号强度检测模块的空间位置坐标计算出定位标志6的空间位置坐标。进一步优选的，射频信号强度检测模块可放置在实验室里不与头颅8接触，实现无接触测量。进一步优选的，三个射频信号发射器发射的射频信号频率不同。

在本实施方式中，求取运动轨迹的长度优选但不限于采用现有的定积分算法或者执行步骤A；步骤A为：依照所有采集时间将碰撞试验过程划分为多个时间段，依次求取每个时间段起始和结束采集时间点关联的位置坐标之间的距离，累加所有时间段的距离获得运动轨迹的长度。

在本发明一种优选实施方式中，位置检测模块包括至少三个可不共线设置于头颅8上的超声测距探头7，位置检测模块的安装过程为：在头颅8上开设至少三个第二骨窗，在每个第二骨窗中放置一个用于测量第二骨窗与定位标志6距离的超声测距探头7，超声测距探头7不穿透硬脑膜。

在本实施方式中，实时采集超声测距探头7输出的距离信号并记录采集时间，基于该距离信号获取定位标志6的实时位置坐标，该实时位置坐标为三维空间坐标，将定位标志6的实时位置坐标与该距离信号的采集时间关联；基于定位标志6的实时位置坐标和定位标志6的实时位置坐标关联的采集时间绘制定位标志6轨迹曲线。

在本实施方式中，优选的，多个第二骨窗分散布置不共线。优选的，多个超声测距探头7的超声波频率各不相同，以便于其区分，提高距离测量精度。

在本实施方式中，基于至少三个上述超声测距探头7输出的距离信号获得定位标志6的位置坐标的方法可采用现有技术，如可参考网址https://www.cnblogs.com/niray/p/4315468.html中公开的程序和技术方案，或公开号为CN105631390A所公开的技术方案。

在本实施方式中，设置了三个第二骨窗，每个第二骨窗放置一个超声测距探头7，以头颅8上任意一点作为原点，构建空间直角坐标系oxyz；设三个超声测距探头P

在本发明的一种优选实施方式中，还包括应变率获取步骤，应变率获取步骤包括：在定位标志6运动轨迹上求取每个时间点上的斜率，将绝对值最大的斜率作为目标测试位置处脑组织在碰撞试验中的应变率。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。