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CN201410032383.0 一种生物撞击系统

技术领域

本发明涉及一种生物撞击系统。

背景技术

生物撞击装置是用来模拟外部撞击引起的创伤的致伤装置,主要用于 临床实验研究。目前,市面上有多种撞击器产品,包括美国生产的PinPoint TM,第三军医大学研制的BIM-1型(自由落体式)生物撞击机、BIM-Ⅱ型(气 动式)生物撞击机和小型生物撞击机,第四军医大学研究的多功能生物撞 击机和基于射钉枪的小型撞击器。这些装置除了第三军医大学研究的 BIM-1型是自由落体式传统的结构外,其余都是采用高压气动模式,驱使 撞击头撞击实验对象。

由于撞击头是在气压或重力的作用下撞击被测试的生物对象。气压越 大或撞击头的高度越高,撞击头撞击的速度越大,撞击的力量也越大。因 此,这些实验装置都是采用气压的大小(或撞击头高低)作为描述实验撞 击结果的参数。但气压或撞击头的高度都无法精确描述撞击头撞击被测试 生物对象的过程和力量特征。

根据碰撞理论,撞击过程需要符合动量守恒定理:

F×Δt=Σm×Δv

F:表示外部作用在物体上的力,是一个空间矢量;

Δt:表示外部作用力作用在物体上的时间;

m:表示物体的质量;

Δv:表示物体速度的变化量,是一个空间矢量。

当被测对象位置固定的时候,该动量守恒公式就变为:

F×Δt=m×Δv

m是撞击过程中,撞击被实验对象的所有物体的质量总和,Δv是质量m 的速度变化量。由于撞击实验完成后,撞击被实验对象的物体的速度为零, 因此,Δv的大小等于发射速度。

F:是撞击过程中的撞击力。根据上述公式,该力的大小等于撞击物体质 量m和其速度的乘积除以作用时间的商。

由于每个实验的撞击作用时间受实验对象软组织的状态等多方面因素影 响,因此,现有的实验装置采用气压的大小(或撞击头高低)作为描述实验 撞击结果的参数,其描述撞击效果的方法不够精准,无法精确描述撞击头撞 击被测试生物对象的过程和力量特征,对于创伤形成的机理研究还缺乏更有 说服力的数据。

发明内容

本发明的目的是提供一种可准确记录撞击过程力学特征的生物撞击 系统。

为实现上述目的,本发明采用如下技术方案:

一种生物撞击系统,包括撞击装置及控制板,所述撞击装置的撞击端设 有压力传感器,所述压力传感器与控制板连接。

进一步地,还包括与控制板连接的显示装置。

进一步地,所述控制板采用单片机或ARM处理器。

进一步地,所述ARM处理器采用ARM9处理器。

进一步地,所述撞击装置包括气源、撞击缸及支架,气源与撞击缸的输 入端连接,撞击缸固定在支架上,所述压力传感器安装在撞击缸的推杆末端。

进一步地,所述气源通过气管及安装在气管上的阀门与撞击缸的输入端 连接,所述控制板与阀门连接。

进一步地,还包括控制盒体,所述控制板安装在控制盒体内,所述控制 盒体上安装有指令控件,所述指令控件与控制板连接。

进一步地,所述阀门设置在控制盒体内。

进一步地,所述气源采用小型便携式空压机GA81/4X。

进一步地,所述支架包括可放置撞击对象的水平底板及固定在水平底 板上的倒L型的梁,所述撞击缸竖直固定在梁上。

由于采用上述技术方案,本发明至少具有以下优点:

(1)本发明利用精密力传感器和单片机实时采集并记录撞击头在撞击过 程中的力信号,可精确描述生物撞击过程的力学特征,为分析撞击过程的撞 击力特征提供准确数据,弥补了传统撞击实验装置无法监控撞击过程的空白。

(2)本发明操作简便、结构紧凑、成本低廉,并且具有较高的稳定性和 可靠性,适合于各种生物撞击实验的验证。

附图说明

上述仅是本发明技术方案的概述,为了能够更清楚了解本发明的技术 手段,以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明的生物撞击系统原理图。

图2是本发明的生物撞击系统结构示意图。

图3是控制盒结构示意图。

图4是控制盒内部连接示意图。

图5是支架和撞击缸连接示意图。

具体实施方式

如图1所示,本发明的一种生物撞击系统,包括撞击装置及控制板,所 述撞击装置的撞击端设有压力传感器,所述压力传感器与控制板连接。进一 步地,还包括与控制板连接的显示装置。其中,控制板采用由单片机或ARM 处理器构成的嵌入式系统,优选ARM9处理器。

本发明的撞击装置优选高压气动模式,上海硅莱实业有限公司生产的“小 型便携式空压机GA81/4X”即属此类。具体而言,撞击装置包括气源、撞击 缸及支架;气源通过气管与撞击缸的输入端连接,气管上安装有阀门,与所 述控制板连接,撞击缸固定在支架上,撞击缸端部的推杆即为实施撞击行为 的撞击头,所述压力传感器安装在撞击缸的推杆末端。

进一步地,控制板安装在控制盒体内,所述控制盒体上安装有指令控件, 所述指令控件与控制板连接。所述阀门也可以设置在控制盒体内。

请配合参阅图2所示,本发明的生物撞击系统,包括气源1、控制盒4、 支架9、撞击缸7、压力传感器8、输出气管5、输入气管3、信号线6和电 源插头2。撞击缸7固定在支架9上,压力传感器8安装在撞击缸7的推杆 末端,输入气管3连接气源1的输出端口和控制盒4的输入端口,输出气管 5连接控制盒4的输出端口和撞击缸7的输入端口,电源插头2连接220电 源和控制盒4,信号线6连接压力传感器8和控制盒4。

如图3、4所示,控制盒包括显示装置46、控件47、控制板48、阀门411、 控制盒体412以及控制盒底座410。其中,控件47直接安装在控制盒体412 上,显示装置46通过螺钉安装在控制盒体412上,阀门411和控制板48通 过螺钉安装在控制盒底座410上,利用控制线44分别将显示装置46、控件 47、阀门411与控制板48连接起来,电源插头43连接控制板48至外部的电 源,控制板48将电源插头43输入的220V交流电转变为5V直流电,为控制 板的工作提供能源。

显示装置46和控件47通过数据线45连接到控制板48的指令数据输入 端的;控制线44连接控制板48的输出端口和阀门411的控制端口;输入气 管2一端连接阀门411的输入端,一端连接气源的输出端;输出气管1一端 连接阀门11的输出端,一端连接撞击缸的输入端;压力信号线49一端连接 控制板48的信号输入端,一端连接到压力传感器的信号输出端;电源插头 43的接头安装在控制板48的电源接头上。

如图5所示,撞击缸7竖直固定在支架9上,所述支架9具有可放置撞 击对象的水平底板90,水平底板90上固定有倒L型的梁,螺钉92、93穿过 安装块91的安装孔94、95,拧紧在L型梁上的螺孔96、97上,将撞击缸7 固定在支架9上。撞击缸7的固定位置可根据实验需要进行调节,以保持撞 击缸7和实验对象的相对位置,控制撞击缸7撞击实验对象的部位。在实验 过程中,实验对象摆放在支架9的水平底板90上。气源提供实验需要的高压 空气,驱动撞击缸7的推杆71以一定的速度伸出,带动压力传感器8撞击实 验对象。

本发明在实验过程中,输入气管连接气源和阀门的输入端,输出气管连 接阀门的输出端和撞击缸的输入端,形成了一个高压气路。阀门起着开关的 作用。控制板根据控件的控制信号控制阀门打开(或关闭)气路,或者将采 集的压力信号、时间等参数显示在显示装置上。

操作者可通过控件将初始化、实验开始、实验数据显示等指令通过数据 线传递给控制板。控制板根据指令,初始化系统,打开阀门,控制气源提供 的高压空气流向撞击缸,驱动撞击缸的推杆及其末端的压力传感器,以一定 的速度伸出,撞击实验对象。压力传感器实时采集压力信号,并将信号经过 信号线传给控制板,控制板接受控件传来的控制信号和压力传感器传来的压 力信号,并以100kHz的频率实时采集、记录压力传感器的压力信号,并根据 指令将数据显示在显示装置的屏幕上。

本发明可以作为计算机辅助骨科牵引复位系统应用于临床医学上,优点 在于:(1)调节气源高压空气的压力,可以控制撞击实验的速度和撞击力大 小。(2)利用压力传感器作为撞击头,可以实时记录撞击实验过程中,撞击 头撞击实验对象的撞击力大小及其变化特征,为生物撞击实验分析,真实模 拟外部撞击引起的创伤,提供精确、全面的实验数据,使实验结果更具备科 学性、准确性和可重复性。

为进一步说明本发明的技术方案,现将利用本发明进行牵引复位手术操 作的过程简单描述如下:

1)根据图1所示,连接本发明的各个部分,将电源插头连接到220V 电源上,实验对象摆放在支架的底座上,确保实验撞击缸的撞击头对准要实 验的部位;

2)打开气源,并调节气源的输出气压到实验需要的压力;

3)通过控制盒的控件,对系统的各个参数进行初始化;

4)通过控制盒的控件,控制阀门打开气源和撞击缸之间的气路,驱动 撞击缸的推杆伸出,带动压力传感器撞击实验对象,同时记录实验过程中压 力传感器的压力信号。

5)通过控制盒的控件,将实验过程记录的压力信号、撞击过程的时间 等参数显示在显示装置上。

由于采用了以上技术方案,本发明的生物撞击试验系统借助计算机技术、 机电控制技术、传感器技术,辅助实验人员,实现准确测量、控制生物撞击 实验过程中撞击力的大小及变化特征。本发明涉及机械学、单片机、气动控 制等多门学科,在传统的生物撞击实验装置基础上,引入压力传感器和单片 机技术,实时精确记录撞击过程中压力及其变化特征的信息,辅助实验人员 实时采集、准确控制生物撞击实验过程,科学分析撞击结果形成的原因和条 件,提高生物撞击实验的准确性和可重复性,弥补了传统撞击实验装置无法 监控撞击过程的空白。

以上所述,仅是本发明的较佳实施例而已,并非对本发明作任何形式 上的限制,本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、 等同变化或修饰,均落在本发明的保护范围内

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