过载性损伤与防护生物力学
发布时间：2021-07-30 13:21
损伤与防护生物力学（injury and protection biomechanics）是研究生物组织或器官损伤机理及其防护方法的一门交叉性学科,属于现代生物力学的重要分支.其研究目标是降低载荷环境下组织或器官的损伤程度,主要内容包括载荷造成生物组织和器官的损伤机制、损伤耐受极限以及损伤过程中的生物力学动态响应、如何改善组织和器官所处的力学环境降低其损伤程度、有效的防护装备优化设计思路.高过载性载荷由于其作用短时性和爆发性具有较高致命性,因此,人在过载环境下的抗损伤能力已越来越成为航空器研制、汽车性能提升、运动员竞技能力提升与充分发挥的瓶颈;尤其是更快、更灵活新型飞机的出现,超音速弹射救生、大过载高增长率的机动飞行防护等问题向损伤与防护生物力学研究提出了新的挑战,同时也为损伤与防护生物力学的发展提供了新发展机遇.随着科技不断进步,航空航天、交通事故、体育运动乃至日常生活中老年人跌倒等过程中人体冲击过载性损伤越来越呈现发生率高、防护效率低等问题,一方面由于人体耐限实验会造成损伤而难以获得真实数据,另一方面生物组织具有复杂非线性及黏弹性、可再生和重建特性,涉及到如何精准描述生物组织或器官...
【文章来源】：力学进展. 2020,50(00)北大核心EICSCD
【文章页数】：45 页
【部分图文】：
组织损伤
从力学角度看,物体在运动过程或载荷作用下,当载荷达到足够大时将会发生变形乃至断裂等响应.人体损伤的力学效应首先需要关注各个部位的生物组织在载荷作用下的力学响应状态.力学载荷引起的组织内部应力主要包括压缩应力、拉伸应力、剪切应力.引起生物组织内部应力导致损伤的载荷类型包括以下几种:(1)直接碰撞:周围环境中的物体与人体组织发生碰撞,造成接触力的作用效果.比如穿盖弹射瞬间头部撞击飞机舱盖、空中降落过程四肢与降落伞之间的碰撞、跳伞着陆过程下肢与地面的碰撞等.(2)惯性加速度引起的冲击过载:突然加速或减速造成人体各个部位加速度变化.如弹射瞬间座椅弹射引起的突然加速造成各部位的加速度出现急剧变化、过失速机动飞行中飞机加速度大小和方向得快速变化引起人体加速度快速变化、舰载机起降过程加速度的剧烈变化等.(3)静态过载:纯静态力学载荷作用在真实世界其实是难以观察到的,通常意义人体的生物力学响应和损伤机理分析过程使用的静态加载是相对的,控制加速度极慢以至于相对其他条件可以忽略的一种准静态加载.为此,导致损伤的力学机制分为直接撞击性损伤和突然运动产生的非直接撞击性损伤(Goldsmith 1972,Hardy et al.1994).关于损伤的力学效应总结在图3中.4.1.1 头部损伤
持续性高过载中飞行员的颈部损伤发生率一直都居高不下,直接影响飞行员日常训练和实际飞行.飞行过程中佩戴头盔、瞄准器和夜视仪等设备更加重了头颈部的负担,增大了飞行员在弹射救生和机动飞行中出现颈部损伤的风险.飞行员颈部损伤的典型类型主要有压缩性骨折、棘突骨折、棘间韧带撕裂、肌筋膜疼痛和肌肉疼痛等(柳松杨等2010).弹射救生、舰载机着陆和返回舱着陆等过程脊柱损伤率一直居高不下,46.8%的飞行员在3个月内出现过颈部急性损伤(Perper 2019,Str¨ohle et al.2018,Nadeau et al.2019,Vanderbeek 1988).美国海军航空兵和空军中50%～75%的高性能战机飞行员曾出现过颈部疼痛,战斗机飞行员在暴露于+Gz载荷后的颈部损伤发生率高达89%(Andersen 1988,Burton 1999).法国空军在2000—2008年间的弹射数据中发现,42%的飞行员发生了脊柱骨折、椎间盘及韧带损伤,其中发生骨折的飞行员术后6个月才能恢复执行飞行任务(Manen et al.2014).飞行事故统计数据表明,弹射过载引起的脊柱损伤多发生在胸腰段,弹射过程高达29.4%的飞行员发生脊柱骨折损伤,弹射造成的骨性损伤中64.2%发生于T10-L2节段(Sridhar et al.2019).在减速过载、开伞动载以及着陆冲击过载中均对人体产生不同方向和大小的高G冲击,特别是在着陆冲击过载中,胸腰段的骨折损伤比飞行中过载造成的损伤更为严重(Ly et al.2018).临床统计数据表明,胸腰椎连结部位也是人体脊柱伤多发部位(Case et al.2018).脊柱损伤生物力学研究对于航天器返回舱着陆、飞行员防护和乘员防护等具有重要意义,也可为航空、交通安全规范制定及参数设计提供理论依据.2.3 下肢
【参考文献】：
期刊论文
[1]Biomechanism of resistance to retinal injury in woodpecker’s eyes[J]. Shan Lu,Xingyu Fan,Sijian Liu,Xiaoyu Liu,Lizhen Wang. Science China（Life Sciences）. 2020(04)
[2]武警某部新兵新训期间胫骨疲劳性骨膜炎发病情况的调查[J]. 于向丽,刘辉,叶林. 武警医学. 2020(01)
[3]两种不同姿势模拟着陆足底生物力学特点[J]. 李毅,伍骥,郑超,黄蓉蓉,那雨虹,扬帆,苏斌,王增顺. 空军医学杂志. 2014(03)
[4]机动飞行过载时操纵杆位置对飞行员操控影响的生物力学研究[J]. 都承斐,王丽珍,柳松杨,樊瑜波. 航天医学与医学工程. 2014(04)
[5]基于飞行仿真的Herbst机动飞行员过载分析[J]. 王亚伟,柳松杨,都承斐,樊瑜波. 医用生物力学. 2014(04)
[6]±Gx加速度对航母舰载机飞行员的影响及防护对策[J]. 张选斌,唐勇,岳洪梅. 人民军医. 2013(10)
[7]Biomechanism of impact resistance in the woodpecker’s head and its application[J]. WANG LiZhen,LU Shan,LIU XiaoYu,NIU XuFeng,WANG Chao,NI YiKun,ZHAO MeiYa,FENG ChengLong,ZHANG Ming,FAN YuBo. Science China（Life Sciences）. 2013(08)
[8]Comparative study of the mechanical properties,micro-structure,and composition of the cranial and beak bones of the great spotted woodpecker and the lark bird[J]. WANG LiZhen1,ZHANG HongQuan2 & FAN YuBo1* 1Key Laboratory for Biomechanics and Mechanobiology of Ministry of Education,School of Biological Science and Medical Engineering,Beihang University,Beijing 100191,China;2School of Materials Science and Engineering,Wuhan University of Technology,Wuhan 430000,China. Science China（Life Sciences）. 2011(11)
[9]军机飞行员的颈部损伤研究[J]. 柳松杨,丛红,王鹤,杨春信,吴铨,杨毅. 医用生物力学. 2010(04)
[10]模拟跳伞着陆中踝关节防护对下肢肌电活动性的影响[J]. 牛文鑫,王旸,何艳,裴葆青,樊瑜波. 医用生物力学. 2010(04)
本文编号：3311479
【文章来源】：力学进展. 2020,50(00)北大核心EICSCD
【文章页数】：45 页
【部分图文】：
组织损伤
从力学角度看,物体在运动过程或载荷作用下,当载荷达到足够大时将会发生变形乃至断裂等响应.人体损伤的力学效应首先需要关注各个部位的生物组织在载荷作用下的力学响应状态.力学载荷引起的组织内部应力主要包括压缩应力、拉伸应力、剪切应力.引起生物组织内部应力导致损伤的载荷类型包括以下几种:(1)直接碰撞:周围环境中的物体与人体组织发生碰撞,造成接触力的作用效果.比如穿盖弹射瞬间头部撞击飞机舱盖、空中降落过程四肢与降落伞之间的碰撞、跳伞着陆过程下肢与地面的碰撞等.(2)惯性加速度引起的冲击过载:突然加速或减速造成人体各个部位加速度变化.如弹射瞬间座椅弹射引起的突然加速造成各部位的加速度出现急剧变化、过失速机动飞行中飞机加速度大小和方向得快速变化引起人体加速度快速变化、舰载机起降过程加速度的剧烈变化等.(3)静态过载:纯静态力学载荷作用在真实世界其实是难以观察到的,通常意义人体的生物力学响应和损伤机理分析过程使用的静态加载是相对的,控制加速度极慢以至于相对其他条件可以忽略的一种准静态加载.为此,导致损伤的力学机制分为直接撞击性损伤和突然运动产生的非直接撞击性损伤(Goldsmith 1972,Hardy et al.1994).关于损伤的力学效应总结在图3中.4.1.1 头部损伤
持续性高过载中飞行员的颈部损伤发生率一直都居高不下,直接影响飞行员日常训练和实际飞行.飞行过程中佩戴头盔、瞄准器和夜视仪等设备更加重了头颈部的负担,增大了飞行员在弹射救生和机动飞行中出现颈部损伤的风险.飞行员颈部损伤的典型类型主要有压缩性骨折、棘突骨折、棘间韧带撕裂、肌筋膜疼痛和肌肉疼痛等(柳松杨等2010).弹射救生、舰载机着陆和返回舱着陆等过程脊柱损伤率一直居高不下,46.8%的飞行员在3个月内出现过颈部急性损伤(Perper 2019,Str¨ohle et al.2018,Nadeau et al.2019,Vanderbeek 1988).美国海军航空兵和空军中50%～75%的高性能战机飞行员曾出现过颈部疼痛,战斗机飞行员在暴露于+Gz载荷后的颈部损伤发生率高达89%(Andersen 1988,Burton 1999).法国空军在2000—2008年间的弹射数据中发现,42%的飞行员发生了脊柱骨折、椎间盘及韧带损伤,其中发生骨折的飞行员术后6个月才能恢复执行飞行任务(Manen et al.2014).飞行事故统计数据表明,弹射过载引起的脊柱损伤多发生在胸腰段,弹射过程高达29.4%的飞行员发生脊柱骨折损伤,弹射造成的骨性损伤中64.2%发生于T10-L2节段(Sridhar et al.2019).在减速过载、开伞动载以及着陆冲击过载中均对人体产生不同方向和大小的高G冲击,特别是在着陆冲击过载中,胸腰段的骨折损伤比飞行中过载造成的损伤更为严重(Ly et al.2018).临床统计数据表明,胸腰椎连结部位也是人体脊柱伤多发部位(Case et al.2018).脊柱损伤生物力学研究对于航天器返回舱着陆、飞行员防护和乘员防护等具有重要意义,也可为航空、交通安全规范制定及参数设计提供理论依据.2.3 下肢
【参考文献】：
期刊论文
[1]Biomechanism of resistance to retinal injury in woodpecker’s eyes[J]. Shan Lu,Xingyu Fan,Sijian Liu,Xiaoyu Liu,Lizhen Wang. Science China（Life Sciences）. 2020(04)
[2]武警某部新兵新训期间胫骨疲劳性骨膜炎发病情况的调查[J]. 于向丽,刘辉,叶林. 武警医学. 2020(01)
[3]两种不同姿势模拟着陆足底生物力学特点[J]. 李毅,伍骥,郑超,黄蓉蓉,那雨虹,扬帆,苏斌,王增顺. 空军医学杂志. 2014(03)
[4]机动飞行过载时操纵杆位置对飞行员操控影响的生物力学研究[J]. 都承斐,王丽珍,柳松杨,樊瑜波. 航天医学与医学工程. 2014(04)
[5]基于飞行仿真的Herbst机动飞行员过载分析[J]. 王亚伟,柳松杨,都承斐,樊瑜波. 医用生物力学. 2014(04)
[6]±Gx加速度对航母舰载机飞行员的影响及防护对策[J]. 张选斌,唐勇,岳洪梅. 人民军医. 2013(10)
[7]Biomechanism of impact resistance in the woodpecker’s head and its application[J]. WANG LiZhen,LU Shan,LIU XiaoYu,NIU XuFeng,WANG Chao,NI YiKun,ZHAO MeiYa,FENG ChengLong,ZHANG Ming,FAN YuBo. Science China（Life Sciences）. 2013(08)
[8]Comparative study of the mechanical properties,micro-structure,and composition of the cranial and beak bones of the great spotted woodpecker and the lark bird[J]. WANG LiZhen1,ZHANG HongQuan2 & FAN YuBo1* 1Key Laboratory for Biomechanics and Mechanobiology of Ministry of Education,School of Biological Science and Medical Engineering,Beihang University,Beijing 100191,China;2School of Materials Science and Engineering,Wuhan University of Technology,Wuhan 430000,China. Science China（Life Sciences）. 2011(11)
[9]军机飞行员的颈部损伤研究[J]. 柳松杨,丛红,王鹤,杨春信,吴铨,杨毅. 医用生物力学. 2010(04)
[10]模拟跳伞着陆中踝关节防护对下肢肌电活动性的影响[J]. 牛文鑫,王旸,何艳,裴葆青,樊瑜波. 医用生物力学. 2010(04)
本文编号：3311479
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