用于减速伤实验研究的致伤装置及制作减速伤模型的方法

摘要

本发明公开了一种用于减速伤实验研究的致伤装置及制作减速伤模型的方法，其致伤装置的上支撑座与基座之间具有滑车坠落的空间，该空间内竖直设置导向轨，滑车位于上支撑座与基座之间，通过滚动装置与导向轨滚动配合，基座上设置砧板和用于缓冲减速的装置，将动物固定在滑车上，用托架托住动物需致伤部位，让滑车沿导向轨自由坠落，使动物需致伤部位与砧板碰撞，由用于缓冲减速的装置控制减速度，形成动物需致伤部位的减速损伤，得到减速伤模型。本发明克服了现有减速伤致伤装置和制作减速伤模型方法的缺陷，既经济又具有科学性，可广泛用于交通医学、体育运动医学和航空航天医学等方面的基础研究。

说明书

技术领域

本发明涉及创伤实验领域，具体涉及一种用于减速伤实验研究的致伤装置及制作减速伤模型的方法。

背景技术

减速伤是因运动着的生物突然碰撞其它物体，迫使生物体在非常短的时间内降低速度而造成的损伤。减速伤常见于交通事故伤，高空坠落伤，体育运动损伤等。

随着社会发展，人类拥有的交通工具越来越多，交通事故所造成的交通事故伤的增多，交通安全已成为一个严重威胁人类健康的问题，交通事故伤也列入对人类生命安全危害最大的“世界第一公害”，对社会安定和经济发展影响极大。交通事故伤的常见伤类是加速伤和减速伤。加速伤是由于静止的生物体突然遭受外力撞击而导致发生快速移动而造成的损伤，而减速伤是因运动着的生物突然碰撞其它物体，迫使生物体在非常短的时间内降低速度而造成的损伤。随着拥有车辆的人数增多，在交通事故中造成车载人员减速伤的数量也增多，为能够对减速伤者进行及时、准确、有效的诊治，在交通医学领域对减速伤的研究也成为一个重要课题。在减速伤研究中研究人员需通过大量的减速伤致伤模型实验来研究、分析减速伤的形成及损伤程度，以获得对所形成的减速伤的准确判断及鉴定，制定治疗方案。然而制作减速伤模型并进行减速伤实验研究却是一件不容易做到的事，这是因为制作减速伤模型，首先需要解决的问题是让作为实验对象的动物活体获得初速度。而目前让实验对象获得初速度的方法有采用自由落体的重力加速的方式，有采用橡筋收缩加速的方式，也有采用电机带动钢缆牵引加速的方式。采用自由落体的重力加速的方式是一种较经济的实验方法，它将实验动物从一定高度释放自由落下以获得初速度，虽然该方法可以达到控制初速度的目的，但无法解决实验对象的损伤部位的定位和减速过程的控制问题，由于实验的可控性差，导致制作的减速伤致伤模型不理想，不容易达到预期要求。采用橡筋收缩来给实验对象提供动力获得初速度，但橡筋会随着试验次数增加而引起橡筋疲劳、材料老化的问题，并且不同厂家、不同批次生产的橡筋还存在材料特性差异，另外橡筋在不同温度条件下的力学条件差异大，鉴于这些原因，采用橡筋收缩加速的方式存在重复实验的稳定性不确定问题，制作的减速伤致伤模型用于研究的参考价值不够理想。采用电机带动钢缆牵引方式制作减速伤致伤模型，就实验精度和可重复性上而言是一种较好的选择，但因其操作复杂，高功率电机又会消耗大量电能，导致实验成本增大，既不经济又浪费能源。鉴于上述原因，在交通医学领域中进行减速伤的研究，采用怎样的设备制作减速伤致伤模型，既解决实验对象的定位和减速过程的控制问题，又确保加速过程和减速过程的稳定性，还能够降低实验研究成本和操作简便，一直未能找到理想的解决方案。

发明内容

本发明的一目的是针对现有技术存在的不足，提供一种用于减速伤实验研究的致伤装置。

本发明的另一目的是针对现有技术存在的不足，提供一种制作减速伤模型的方法。

本发明的用于减速伤实验研究的致伤装置是这样实现的：包括基座、上支撑座、滑车，所述滑车位于上支撑座与基座之间，上支撑座与基座之间具有滑车坠落的空间，该空间内竖直设置几根平行的导向轨，导向轨上端连接于上支撑座，下端连接于基座，滑车通过滚动装置与导向轨滚动配合，所述滑车一侧设有向水平方向伸出滑车的用于托住动物的托架，基座上对应滑车的部位设有用于缓冲减速的装置，基座上对应用于托住动物的托架的部位设有用于动物碰撞的砧板，上支撑座的底部设有压缩弹簧。

由于采用了上述方案，在基座和上支撑座放置滑车，滑车通过滚动装置与设于上支撑座和基座之间的导向轨滚动配合，使滑车坠落时能够在导向轨的导向控制下坠落，由于滑车与导向轨之间的摩擦为滚动摩擦，这种滚动摩擦力约为滑动摩擦力的1％～2％，其对运动物体的下落速度影响可忽略不计，因此滑车的坠落可近似认为是重力加速度的自由下落。由于上支撑座的底部设有压缩弹簧，可以通过施与压缩弹簧的压缩量来调节滑车坠落的初速度，实现实验对象从一定高度获得初速度的可控性。并且基座上对应滑车的部位设有用于缓冲减速的装置，使滑车坠落与基座发生碰撞时形成减速过程，而且这种减速过程可以通过采用不同的缓冲吸能材料，以及材料的厚度来进行控制，实现减速过程的可控性。由于滑车的坠落方向受控于导向轨，不会坠落时产生左右摇摆或偏斜，使固定在滑车上的实验动物能够在随滑车坠落时定位准确，其所需的损伤部位精确，并且在加速、减速过程中保持稳定，从而提高实验的准确性。在所述滑车一侧设有向水平方向伸出滑车的用于托住动物的托架，基座上对应用于托住动物的托架的部位设有用于动物碰撞的砧板，通过用于托住动物的托架托住实验动物需损伤的部位与用于动物碰撞的砧板碰撞形成减速伤，能够根据实验需要的损伤部位有针对性地致伤，提高减速伤模型的准确性。

本发明用于减速伤实验研究的致伤装置在通常用于体积相对较小、重量较轻的动物为实验对象时，仅由人工就能将滑车及实验动物提升，不需要动力能源，使研究实验成本得到极大地降低。

本发明的制作减速伤模型的方法是这样实现的：

将活体动物固定在用于减速伤研究实验的装置的滑车上，用伸出滑车的用于托住动物的托架托住动物需致伤部位，使动物需致伤的部位对准砧板；

然后将滑车提升至实验所需高度，让滑车沿导向轨自由坠落，或者由上支撑座底部设置的压缩弹簧的压缩量控制开始坠落的初速度，让滑车沿导向轨自由坠落，使动物需致伤部位与砧板碰撞，同时滑车与用于缓冲减速的装置碰撞，由用于缓冲减速的装置控制减速度，形成动物需致伤部位的减速损伤，得到减速伤模型。

由于采用上述方法，

根据牛顿运动定律有以下公式：

$v_t=\sqrt{{v_0}^2+2\mathrm{as}}$

式中

v_t为实验对象坠落高度h后的即刻速度；

v₀为实验对象开始坠落前的初速度；

s为加速距离，此处以坠落高度h计算；

a为加速度，，此处以为重力加速度g；

则实验对象以初速度v₀坠落高度h后的即刻速度

$v_t=\sqrt{{v_0}^2+2\mathrm{gh}}$

实验对象开始坠落前的初速度v₀从弹簧存储的势能转化而来，动能与势能的转化公式为

$\frac{1}{2}{{\mathrm{mv}}_0}^2=\frac{1}{2}{\mathrm{kx}}^2$

$v_0=\sqrt{\frac{{\mathrm{kx}}^2}{m}}$

式中

v₀为实验对象开始坠落前的初速度

m为实验对象质量

k为弹簧胡克系数

x为弹簧压缩量

把活体动物固定在用于减速伤研究实验的装置的滑车上，用伸出滑车的用于托住动物的托架托住动物需致伤部位，将滑车提升至实验所需高度，让滑车沿导向轨自由坠落，或者由上支撑座底部设置的压缩弹簧的压缩量控制开始坠落的初速度，让滑车沿导向轨自由坠落，由用于缓冲减速的装置控制减速度，使动物需致伤部位与砧板碰撞，形成动物需致伤部位的减速损伤，得到所需的减速伤模型。该方法利用重力加速度的自由下落方式，能够极大地减少制作减速伤模型的费用，实现经济型研究实验，有利于广泛推广。因采用压缩弹簧的压缩量控制开始坠落前的初速度，采用用于缓冲减速的装置控制减速度，当实验对象以坠落高度h坠落后由基座上的用于缓冲减速的装置缓冲吸能，达到控制减速度的目的，而滑车与导向轨之间的摩擦为滚动摩擦，其摩擦力约为滑动摩擦力的1％～2％，其对运动物体的速度影响可忽略不计，因此滑车的坠落可近似认为是重力加速度的自由下落，符合牛顿运动定律，而且形成减速伤特性的减速度可以通过用于缓冲减速的装置控制，通过更换用于缓冲减速的装置进行分组实验，可十分方便地复制出多种致伤模型，便于开展大量的生物碰撞实验，使制作的减速伤模型更具科学性，由此提高减速损伤的研究水平。

本发明的致伤装置和制作减速伤模型的方法，克服了现有减速伤致伤装置和制作减速伤模型方法的缺陷，既经济又具有科学性，可广泛用于交通医学、体育运动医学和航空航天医学等方面的基础研究。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为用于减速伤实验研究的致伤装置的结构示意图；

图2为滚动装置与导向轨的约束关系侧视示意图；

图3为滚动装置与导向轨的约束关系俯视示意图。

附图中，1为导向轨，2为托架，3为砧板，4为标尺，5为滑车，6为用于缓冲减速的装置，7为基座，8为压缩弹簧，9为支架，10为滑轮，11为上支撑座。

具体实施方式

参见图1至图3，为本用于减速伤实验研究的致伤装置的一种实施例，所述致伤装置包括基座7、上支撑座11、滑车5等。所述滑车5位于上支撑座11与基座7之间，上支撑座11与基座7之间具有滑车坠落的空间，该空间内竖直设置几根平行的导向轨1，导向轨1上端连接于上支撑座11，下端连接于基座7，滑车5通过滚动装置与导向轨1滚动配合。所述滚动装置包括支架9、滑轮10，支架9通过螺栓紧固或焊接固定安装在滑车5上，滑轮10通过轴支撑在支架0上，滑轮10与导向轨1接触形成滚动配合。所述导向轨1设置为两根或两根以上，滑车5上的滚动装置的数量与导向轨1的数量对应，每个滚动装置与一根导向轨1滚动配合，使滑车5在导向轨1的导向作用下沿导向轨向下坠落，坠落定位准确，坠落过程中的重心平稳；所述滑轮10为两个设有轮槽的滑轮，两个滑轮10分别通过轴支撑在支架9上，支架9为框形支架，两个滑轮位于框形支架中，两个滑轮10的轮槽相对，将一根导向轨1夹在两轮槽之间的空隙中形成滚动配合。本实施例的导向轨1采用四根钢缆，四根钢缆呈矩阵布置，钢缆拉紧连接在上支撑座11和基座7之间，以保证滑车沿钢缆坠落时的重心稳定。钢缆上端穿过上支撑座后可采用通常的固定装置如挂钩或钢缆连接件等固定在上支撑座上，钢缆的下端穿过基座7后可用带锁紧装置的棘轮固定在基座上，使上支撑座11与基座7之间的距离即滑车5的坠落高度可以根据实验需要调整。所述滑车5一侧设有向水平方向伸出滑车的用于托住动物的托架2，用于托住动物的托架2由两个从滑车5伸出的支撑杆和连接在两支撑杆之间的托住动物的网格构成，基座7上对应滑车的部位设有用于缓冲减速的装置6，基座7上对应用于托住动物的托架2的部位设有用于动物碰撞的砧板3。所述托架2上的托住动物的网格位于基座上的用于碰撞的砧板3的上方与用于碰撞的砧板对应；所述用于缓冲减速的装置6为橡胶垫或汽车碰撞吸能用蜂窝铝垫，当然也可采用具有吸能作用的其他弹性结构的缓冲装置。所述上支撑座11的底部设有压缩弹簧8与滑车5对应，压缩弹簧8可固定在安装板上，安装板通过螺钉紧固在上支撑座11上。所述基座7与上支撑座11的同一侧之间设有高度标尺4。滑车5上设置牵引挂钩，通过提升滑车的牵引绳与牵引挂钩连接，将滑车提升，松掉牵引绳即可使滑车坠落。所述的上支撑座11可以用螺栓固定在设有不同高度安装孔的支撑架上，也可以借用现有高建筑物上设置不同高度的挂钩，将上支撑座11挂接固定。

本发明致伤装置不仅仅局限于上述实施例，所述导向轨采用呈三角形阵布置的三根导向轨，或呈对称布置的两根导向轨，或呈对称布置的多于四根的导向轨，同样也能实现导向和保持滑车坠落重心平稳的目的。或者导向轨上设置导向滑槽，滑轮在导向滑槽中与导向轨形成滚动配合，也能实现导向和保持滑车坠落重心平稳的目的。

采用本发明用于减速伤研究实验的致伤装置制作减速伤模型时，首先将已禁饮、禁食4小时的用于实验的活体动物，在实验前进行耳缘静脉麻醉和气管插管。

把麻醉后的活体动物固定在用于减速伤研究实验的装置的滑车上，用伸出滑车的用于托住动物的托架托住动物需致伤部位，使动物需致伤的部位对准砧板；

然后将滑车提升至实验所需高度，让滑车沿导向轨自由坠落，或者由上支撑座底部设置的压缩弹簧的压缩量控制开始坠落的初速度，让滑车沿导向轨自由坠落，使动物需致伤部位与砧板碰撞，同时滑车与用于缓冲减速的装置碰撞，由用于缓冲减速的装置控制减速度，形成动物需致伤部位的减速损伤，得到减速伤模型。

通过用于缓冲减速的装置控制减速度，可根据实验所需的减速度更换用于缓冲减速的装置的厚度，和/或更换不同吸能材料的用于缓冲减速的装置。例如：将滑车提升至7.0m的高度，压缩弹簧的压缩量为0cm，分别采用厚度为2cm、4cm的橡胶垫和厚度10cm的汽车碰撞吸能用蜂窝铝垫作为用于缓冲减速的装置，共进行3次坠落实验，三次坠落实验的结果如下表：

滑车7.0m自由下落的速度、减速度

以下为采用本发明致伤装置研究兔颅脑减速伤模型的一次实验：

1)健康家兔45只，雌雄不拘，体重2.0±0.5kg，按坠落高度随机平均分为3组，I组高度2.5m坠落，II组高度3.5m坠落，III组高度7.0m坠落。兔实验前4h禁饮、禁食。3％戊巴比妥钠行耳缘静脉麻醉(剂量30mg/kg)，进行气管插管。

2)兔以仰卧姿态被束缚固定在滑车上，用托架托起兔的头部，使兔颅顶部对准砧板，将滑车分别从标尺处的2.5m、3.5m和7.0m位置坠落，用于缓冲减速的装置为4cm厚的橡胶垫，对家兔进行致伤。

3)I组家兔出现了轻度颅脑减速伤，II组家兔呈中度颅脑减速伤，III组是严重的颅脑减速伤。