損傷與防護生物力學（injury and protection biomechanics）是研究生物組織或器官損傷機理及其防護方法的一門交叉性學科,屬于現(xiàn)代生物力學的重要分支.其研究目標是降低載荷環(huán)境下組織或器官的損傷程度,主要內(nèi)容包括載荷造成生物組織和器官的損傷機制、損傷耐受極限以及損傷過程中的生物力學動態(tài)響應、如何改善組織和器官所處的力學環(huán)境降低其損傷程度、有效的防護裝備優(yōu)化設計思路.高過載性載荷由于其作用短時性和爆發(fā)性具有較高致命性,因此,人在過載環(huán)境下的抗損傷能力已越來越成為航空器研制、汽車性能提升、運動員競技能力提升與充分發(fā)揮的瓶頸;尤其是更快、更靈活新型飛機的出現(xiàn),超音速彈射救生、大過載高增長率的機動飛行防護等問題向損傷與防護生物力學研究提出了新的挑戰(zhàn),同時也為損傷與防護生物力學的發(fā)展提供了新發(fā)展機遇.隨著科技不斷進步,航空航天、交通事故、體育運動乃至日常生活中老年人跌倒等過程中人體沖擊過載性損傷越來越呈現(xiàn)發(fā)生率高、防護效率低等問題,一方面由于人體耐限實驗會造成損傷而難以獲得真實數(shù)據(jù),另一方面生物組織具有復雜非線性及黏彈性、可再生和重建特性,涉及到如何精準描述生物組織或器官... 

【文章來源】：力學進展. 2020,50(00)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：45 頁

【部分圖文】：

組織損傷

從力學角度看,物體在運動過程或載荷作用下,當載荷達到足夠大時將會發(fā)生變形乃至斷裂等響應.人體損傷的力學效應首先需要關注各個部位的生物組織在載荷作用下的力學響應狀態(tài).力學載荷引起的組織內(nèi)部應力主要包括壓縮應力、拉伸應力、剪切應力.引起生物組織內(nèi)部應力導致?lián)p傷的載荷類型包括以下幾種:(1)直接碰撞:周圍環(huán)境中的物體與人體組織發(fā)生碰撞,造成接觸力的作用效果.比如穿蓋彈射瞬間頭部撞擊飛機艙蓋、空中降落過程四肢與降落傘之間的碰撞、跳傘著陸過程下肢與地面的碰撞等.(2)慣性加速度引起的沖擊過載:突然加速或減速造成人體各個部位加速度變化.如彈射瞬間座椅彈射引起的突然加速造成各部位的加速度出現(xiàn)急劇變化、過失速機動飛行中飛機加速度大小和方向得快速變化引起人體加速度快速變化、艦載機起降過程加速度的劇烈變化等.(3)靜態(tài)過載:純靜態(tài)力學載荷作用在真實世界其實是難以觀察到的,通常意義人體的生物力學響應和損傷機理分析過程使用的靜態(tài)加載是相對的,控制加速度極慢以至于相對其他條件可以忽略的一種準靜態(tài)加載.為此,導致?lián)p傷的力學機制分為直接撞擊性損傷和突然運動產(chǎn)生的非直接撞擊性損傷(Goldsmith 1972,Hardy et al.1994).關于損傷的力學效應總結(jié)在圖3中.4.1.1 頭部損傷

持續(xù)性高過載中飛行員的頸部損傷發(fā)生率一直都居高不下,直接影響飛行員日常訓練和實際飛行.飛行過程中佩戴頭盔、瞄準器和夜視儀等設備更加重了頭頸部的負擔,增大了飛行員在彈射救生和機動飛行中出現(xiàn)頸部損傷的風險.飛行員頸部損傷的典型類型主要有壓縮性骨折、棘突骨折、棘間韌帶撕裂、肌筋膜疼痛和肌肉疼痛等(柳松楊等2010).彈射救生、艦載機著陸和返回艙著陸等過程脊柱損傷率一直居高不下,46.8%的飛行員在3個月內(nèi)出現(xiàn)過頸部急性損傷(Perper 2019,Str¨ohle et al.2018,Nadeau et al.2019,Vanderbeek 1988).美國海軍航空兵和空軍中50%～75%的高性能戰(zhàn)機飛行員曾出現(xiàn)過頸部疼痛,戰(zhàn)斗機飛行員在暴露于+Gz載荷后的頸部損傷發(fā)生率高達89%(Andersen 1988,Burton 1999).法國空軍在2000—2008年間的彈射數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn),42%的飛行員發(fā)生了脊柱骨折、椎間盤及韌帶損傷,其中發(fā)生骨折的飛行員術(shù)后6個月才能恢復執(zhí)行飛行任務(Manen et al.2014).飛行事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明,彈射過載引起的脊柱損傷多發(fā)生在胸腰段,彈射過程高達29.4%的飛行員發(fā)生脊柱骨折損傷,彈射造成的骨性損傷中64.2%發(fā)生于T10-L2節(jié)段(Sridhar et al.2019).在減速過載、開傘動載以及著陸沖擊過載中均對人體產(chǎn)生不同方向和大小的高G沖擊,特別是在著陸沖擊過載中,胸腰段的骨折損傷比飛行中過載造成的損傷更為嚴重(Ly et al.2018).臨床統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明,胸腰椎連結(jié)部位也是人體脊柱傷多發(fā)部位(Case et al.2018).脊柱損傷生物力學研究對于航天器返回艙著陸、飛行員防護和乘員防護等具有重要意義,也可為航空、交通安全規(guī)范制定及參數(shù)設計提供理論依據(jù).2.3 下肢

【參考文獻】：
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