為探究顱腦損傷的類型、致傷機理及損傷判據,通常使用顱腦物理模型替代真實尸體模型來開展生物力學實驗。顱腦物理模型是多層結構的復合體,涵蓋了頭部皮膚、顱骨、腦脊液和腦組織等顱腦生理結構,解決了人體頭部生物力學實驗模型來源困難以及成本高的問題。
顱腦物理模型的制備成本較低,通過開展生物力學實驗與數值模擬進行對比,驗證了顱腦物理模型的有效性。同時開發了三套測試系統,分別是壓力測試系統、應變測試系統和加速度測試系統,測試系統通過多種微型傳感器構成,其在獲取顱腦加速度、顱骨應變和顱內壓力等響應時造成的影響較小。
本項目一方面通過增材制造的方法制備具有復雜幾何結構的頭部皮膚、顱骨等,具有較高的外型還原度,如圖1所示;另一方面通過使用無毒無害的生物材料,例如Lasty-R光敏樹脂、道康寧184、道康寧527和工業蒸餾水等,可以近似反應人體頭部組織及器官的材料屬性,如圖2所示。落錘沖擊實驗中的顱腦物理模型如圖3所示。
圖1.顱骨物理模型
圖2.腦組織替代模型
圖3.落錘沖擊實驗中的顱腦物理模型
新技術、新材料領域
顱腦物理模型產業正處于快速發展階段。隨著生物力學、材料科學以及3D打印技術的不斷進步,顱腦物理模型的制造精度和仿真度得到了顯著提升。此外,越來越多的科研機構和企業開始投入資源研發和生產這類模型,以滿足不斷增長的市場需求。顱腦物理模型主要可用于顱腦損傷模擬實驗、神經外科手術模擬、 康復治療評估、汽車安全測試等場景。
顱腦損傷模擬實驗
顱腦物理模型可以模擬不同類型的顱腦損傷(如腦震蕩、開放性傷口等),用于研究損傷機制和評估腦組織對外部沖擊的反應。研究人員可以通過施加不同力度和方向的沖擊,觀察顱腦結構的受力情況,獲取力學數據,為后續的損傷預防和治療提供科學依據。
神經外科手術模擬
顱腦物理模型的設計可以復現真實顱腦的復雜結構,幫助醫生熟悉手術步驟和可能遇到的解剖變異,從而提高手術的準確性和安全性。
康復治療評估
顱腦物理模型可用于評估各種康復治療的效果,尤其是在腦損傷后的功能恢復中。通過模擬特定的傷害和康復措施,研究人員可以監測患者在物理治療過程中的進展。
汽車安全測試
在汽車安全領域,顱腦物理模型可以用于模擬車輛碰撞對乘員顱腦的影響,幫助設計更安全的汽車內部結構和安全氣囊系統。
這些場景展示了顱腦物理模型在醫學和工程領域的重要性,幫助提高對顱腦損傷的理解,促進醫療技術的進步,并提升公眾安全。
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