呼吸/心跳同步触发多功能撞击致伤装置的研制

关键词：同步触发控制器；气动式撞击机；激光测速仪

中图号：R655　文献标识码：B

0　引言

　　创伤，特别是交通伤已成为人类一大公害，国外从本世纪40年代 开始进行实验研究，早期实验研究无论是用自由落体式或摆锤式致伤撞击装置，不仅体积大且笨重，最大缺点是不能模拟高速致伤条件［1，2］。 随后有人用撞击设备制造动物创伤模型，虽提高了撞击速度，机型较小，使用方便，但其速度和压缩幅度不易掌握。 本世纪80年代初美国通用汽车公司首先设计制作出气动式撞击机，使撞击速度大大提高。 1993年国内第三军医大学野战外科研究所报道在BIM-1型(自由落体式)生物撞击机基础上研制出一台BIM-Ⅱ型(气动式)生物撞击机［1］ 。 我们于上述基础上，研制了一台集气动式撞击机、激光测速仪、呼吸/心跳同步触发控制器、万能动物固定台和信号处理、分析记录仪、5部分为一体的多功能撞击致伤装置。 整机性能稳定，各类致伤参数精确可调，自动化程度高，可应用于生物机体各部位致创伤，更适合对胸部创伤的研究。

1　多功能撞击致伤机组成

1.1　气动式撞击机　

       主机重1200 kg，体积1。9 m×0.73 m×0.43 m，用45#钢材制成。 动力部分为5 L容量的耐压气缸，其承受压力＞25 MPa，实际工作压力＜10 MPa，排气口径15 mm,排气速度＞6 000 L/S。 炮管采用现代航炮用无缝钢管，内径高精度磨光，并经镀铬处理，与弹丸紧密接合，光滑。 发射及回弹用大功率负压真空泵，按需启动，回弹时间可在1 s内完成。 电磁阈最大耐压为4 MPa，启动压力为0.6MPa～1.0MPa，可使快速阈门于1.5 s内完全开启，发射速度在5m/s～92 m/s范围可调。 主机工作原理是先将弹丸置于发射位置，给气缸内充入一定压力气体，使用呼吸/心跳同步控制器或手控发射，电信号使电磁阈工作，用气源气体推动快速开关阈，瞬间将气缸内高压气体释放，使弹丸沿炮管向前产生高速运动。 弹丸发射后撞击“二次撞击杆”，撞击杆后部有限位装置，前端可安装不同直径的撞击头。 撞击质量和压缩幅度事先可按需调整。 

1.2　激光测速仪　

       测速仪是撞击机重要配套部分。 本装置采用250 mm He-Ne长寿激光器做光源，输入功率20W，侧速范围3m/s～90m/s，测量精度达显示值的1/100。 工作原理是将激光发射器发出激光束, 经分束镜和反射镜分为强度相等两平行光束，并分别投射到两个光探测器，当运动物体沿垂直于两光束运动时，即可获得物体经过两光束间距离(Δs) 所用的时间(Δt)，由此即可计算并显示物体在两光束间运动的速度：v＝Δs/Δt。

1.3　呼吸/心跳同步触发控制器　

       呼吸/心跳同步触发撞击机致伤是研究胸部创伤不可缺少的组成部分，通常呼吸信号是采用叶片式气体量传感器引出呼吸信号，对此我们作了新的尝试，采用应变式传感器，靠胸壁运动幅度带动应变片引出压力波形。 心电信号仍用Ⅱ导联用多股屏蔽线引出。

　　工作原理是从实验动物采集呼吸或心电信号，经生物电放大器放大后输入整形电路加以整形，然后输入信号比较单元与预置的电平相比较，满足设定条件时即引发一次方波，在延时电路中可调整延时引发方波的间隔，使方波的触发点恰好落在预定的击发时相上。 

1.4　万能动物固定台　

       实验动物固定台直径为70cm，底座为长方形200cm×750cm，重300kg，用45#钢材制作。 台面可安装犬和各种小动物固定装置。 采用推拉与旋转相结合的方式，动物固定后可根据需要做多维调整，各方向调整距离在20cm～40cm之间，附有指示标尺，调整精度为1mm。 台座与主机连为一体，以防止撞击时动物移位。 操作灵活方便，能满足多种动物，各部位致伤实验的需要。

1.5　主线路连接、信号处理和生理记录仪　

       激光测速仪，同步时相触发控制器及稳压电源均装入同一主控制箱内，电磁阈与真空泵和气缸均安装于主机机座内，并分别连接于独立的电源，控制器与示波仪之间用专用电缆连接，控制输出线接电磁阈，生物电信号线，方波信号输出线以及从实验动物引出的各项观测指标均可直接或通过相应的换能器连接于多道生理仪进行描记和记录。

　　该装置1996年研制和组装成功，经体外调试达到设计要求，性能稳定，使用安全，操作方便。 经实验结果表明，该装置可制造兔和猫胸部撞击伤致ARDS、兔心肌挫伤以及颌面创伤实验模型，并成功进行了相关临床基础研究，取得满意效果。

2　讨论

　　多功能撞击致伤装置是指在同一设备中可以完成不同动物、不同部位、不同致伤条件和受伤形式的多种功能的组合，在实验中可以方便的调整各种撞击参数，通过简单更换撞击部位而改换致伤方式，是创伤研究中不可缺少的主要设备。 其中气动式撞击机又是模拟现代高速交通伤的必要条件，本装置炮弹出膛初速可达330 km/h，并有激光测速仪配套，实时测定致伤物速度，进而换算出致伤能量，适用于不同致伤速度的交通事故伤研究。 

　　人们早已了解肺与支气管受伤程度与呼吸状态和声门关闭与否有很大关系，Lau［3］在本世纪80年代也指出收缩末期心脏受撞击后易发生反弹，舒张末期受撞击则易发生变形和吸收能量，并导致心脏破裂。 因此设计与之配套的呼吸/心跳同步触发控制器，根据需要将撞击时间点固定于呼吸或心跳某一时相完成撞击动作，对胸部撞击伤的研究就显得十分重要，国内尚未见报道。 此项研究还改用了应变式传感器，从胸壁运动引出呼吸波形信号控制撞击动作，获得满意结果。完善和提高了胸部撞击伤实验研究质量。

作者简介：黄乃祥，男，44岁，博士后，副主任医师

参考文献
1.孙立英，李晓炎，王正国。 BIM-1型和Ⅱ型生物撞击机的研制。 中华创伤杂志，1993;9(2):114
2.蔡建辉，易定华，刘维永。 撞击参数对原发性心脏原发伤的影响。 中华创伤杂志, 1995;11(2):79-81
3.Lau IV。 Effect of timing and relocity of impact on ventriculor myocardial rupture。J Biomechanical Engineoning,1983;105(1):1-5