動物擠壓傷全真模擬平臺的建立及效果初步評價

董文龍 ，裴麗婭 ，劉晉陽 ，王 雪 ，樊毫軍 ，林 穎 ，吳 杰 ，趙健晢 ，朱文通

地震是一種突發(fā)的自然災(zāi)害，而地震中最慘重的代價就是人員傷亡，擠壓傷/擠壓綜合征是除地震直接造成的死亡外，位于第二位的致死原因[1]。由于目前地震等自然災(zāi)害的發(fā)生還無法科學(xué)有效地預(yù)測，特別是地震發(fā)生后，救援現(xiàn)場情況十分危急，傷員大量出現(xiàn)，醫(yī)務(wù)人員的工作重點放在搶救傷員而無法進(jìn)行擠壓綜合征現(xiàn)場早期研究，搶救結(jié)束后大量數(shù)據(jù)無法再現(xiàn)，而在實驗室用動物研究擠壓綜合征造模時，方法主要是膠皮管勒緊動物大腿根部，用彈簧施加壓力于動物后肢或用一定質(zhì)量的重物壓于動物身體的不同部位等。這些實驗裝置比較簡陋、粗糙，不能給實驗提供一個準(zhǔn)確的地震現(xiàn)場模擬環(huán)境，導(dǎo)致醫(yī)學(xué)上對救援現(xiàn)場擠壓綜合征的早期診斷和預(yù)防措施發(fā)展緩慢。因此，如何真實地還原地震災(zāi)害現(xiàn)場，針對地震傷進(jìn)行深入的臨床研究，構(gòu)建全真模擬地震實驗平臺是提高現(xiàn)場救援技術(shù)的關(guān)鍵[2]。本研究依托災(zāi)害救援醫(yī)學(xué)全軍重點實驗室，聯(lián)合北京維爾森科技發(fā)展有限公司，設(shè)計并研發(fā)了全真地震模擬振動平臺，并在平臺上搭建等比縮尺建筑[3]，可將實驗動物放于建筑物中，進(jìn)行地震致動物擠壓傷全真還原模擬實驗，全面系統(tǒng)地還原地震環(huán)境及相關(guān)因素，并進(jìn)行數(shù)次大鼠擠壓傷模擬造模，評價該平臺穩(wěn)定性及操控性，為系統(tǒng)深入地開展地震擠壓傷研究提供基礎(chǔ)實驗平臺，為下一步系統(tǒng)深入地開展地震傷相關(guān)臨床研究奠定基礎(chǔ)?，F(xiàn)報道如下。

1 材料與方法

1.1 組成部分 本套全真模擬地震實驗平臺由地震基礎(chǔ)臺面、控制柜、信號反饋與分析系統(tǒng)、工業(yè)計算機、以及相應(yīng)控制軟件組成，能夠準(zhǔn)確的模擬不同震級（6級、7級、8級）的地震（圖1）。

圖1 地震模擬震動平臺動物實驗?zāi)Ｐ?/p>

1.2 方案設(shè)計

1.2.1 機械結(jié)構(gòu) 平臺的自重1 200 kg、尺寸1.5 m×1.2 m、可承載建筑物重量≤2 000 kg、加速度0～2 g、位移50 mm、模擬地震產(chǎn)生振動頻率0～50 Hz等各項相關(guān)參數(shù)，臺面設(shè)有安裝孔，可安裝及更換實驗建筑物體。

1.2.2 電機驅(qū)動系統(tǒng) 電機功率11 kW（由驅(qū)動電機、連接裝置、減速裝置組成），由兩臺電機組成一個電機控制上下運動，模擬地震時縱波運動方向，另一電機控制左右運動，模擬地震時橫波運動方向。

1.2.3 控制柜參數(shù) 外形尺寸為1.2 m×0.8 m×0.6 m；米白色、內(nèi)部包含PLC變頻器（進(jìn)口元件），以及附屬相應(yīng)的控制元件和連接電動機的線纜部分。

1.2.4 供電參數(shù) 交流380 V；功率12 kW；可與計算機進(jìn)行實時通訊，采用RS-232或485接口。

1.2.5 信號反饋系統(tǒng) 由加速度傳感器、采集卡及相應(yīng)軟件組成；傳感器采用ic應(yīng)變式加速度傳感器，靈敏度為300 mV/g、最大檢測頻率為2 500 Hz、單向最大加速度值為2 g；采集卡可動態(tài)采集傳感器實時加速度值；通過軟件編譯以波形圖的方式顯示在電腦上面。

1.2.6 對地面要求 要求為混凝土地面，混凝土厚度＞15 cm，承重＞350 kg/m[2,4]。

1.3 縮尺建筑模型構(gòu)建 《中國地震烈度表》[5]將房屋結(jié)構(gòu)評判對象分為A、B、C三類：A類，木構(gòu)架和土、石、磚墻建造的舊式房屋；B類，未經(jīng)抗震設(shè)防的單層或多層磚砌體房屋；C類，按照Ⅶ度抗震設(shè)防的單層或多層磚砌體房屋。其中B類（砌體結(jié)構(gòu)房屋）主要以砌塊建造的結(jié)構(gòu)，在我國被廣泛使用[6]。

1.3.1 建筑物結(jié)構(gòu)的確定 建筑物結(jié)構(gòu)分為鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、磚混結(jié)構(gòu)、廠房結(jié)構(gòu)、土木結(jié)構(gòu)三種，從構(gòu)造建筑物原材料、制作難度、可操作性等實際情況考慮，經(jīng)專家論證選擇最為適宜的建筑物結(jié)構(gòu)：磚混結(jié)構(gòu)的建筑物，本部分是整個模型構(gòu)建成功的關(guān)鍵。

1.3.2 建筑物結(jié)構(gòu)、尺寸比例的確定 根據(jù)地震模擬振動平臺的尺寸大小、承重等基本性能，結(jié)合實驗動物相對人體質(zhì)量、耐受性等對比，對建筑物結(jié)構(gòu)、尺寸進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋壤s?。ǖ缺壤Y(jié)構(gòu)），將建筑物因縮小比例而導(dǎo)致的失真度降低至最小，采用“平臺法”施工，使整個模型的結(jié)構(gòu)更加科學(xué)合理。

1.4 功能特點

1.4.1 實驗平臺的選型 課題組通過文獻(xiàn)查閱、資料收集、專家論證，結(jié)合實際情況，采用優(yōu)質(zhì)鋼板鋼焊結(jié)構(gòu)臺面，具有重量輕，臺面彎曲頻率高，可抵抗建筑物倒塌對設(shè)備的破壞等優(yōu)點，同時使用雙向電液伺服驅(qū)動地震模擬振動臺，具有精度高、響應(yīng)快、功率大等優(yōu)點。

1.4.2 地震相關(guān)參數(shù)的設(shè)定 地震模擬振動平臺可模擬不同級別地震振動波，還能夠調(diào)節(jié)震動頻率及雙向震動方向（橫向及縱向），初步設(shè)定的amax為2.0 g，臺面最大位移為50 mm，模擬震動頻率為0～50 Hz，并由平臺控制界面實時顯示。

1.4.3 模擬地震破壞效果 由操作系統(tǒng)控制模擬地震平臺對縮尺建筑物進(jìn)行模擬地震破壞實驗，可由控制臺上預(yù)先設(shè)置模擬的真實震級（6級、7級、8級）和持續(xù)時間（數(shù)秒到數(shù)分鐘），在設(shè)備運行期間達(dá)到相應(yīng)震級對應(yīng)的破壞效果。

1.4.4 其他 地震實驗平臺由專用控制柜輸出電力控制，耗電量低，安全性強；全部平臺采用優(yōu)質(zhì)鋼材鋼焊結(jié)構(gòu)，剛性好，易維護(hù)，配件產(chǎn)品采用進(jìn)口控制元件，可靠性高。

沃爾特·格羅佩斯（Walter Gropius,1883～1969）是 20 世紀(jì)最重要的現(xiàn)代設(shè)計家、設(shè)計理論家和設(shè)計教育的奠基人。他不僅在理論上和在設(shè)計實踐中提倡“功能追隨形式”的觀念，而且把現(xiàn)代主義的設(shè)計觀念從包豪斯帶到了美國，從而影響到全世界。格羅佩斯把“功能追隨形式”設(shè)計觀念更加明確表達(dá)為“功能第一，形式第二”。

1.5 大鼠地震擠壓傷造模 選擇雄性健康Wistar大鼠30只（由軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院實驗動物中心提供），實驗動物許可證號：SCXK-(軍) 2012-0004，平均體重為（200±50）g，自由攝食和飲水，實驗前12 h停止食料喂養(yǎng)，正常供水。所有大鼠隨機分為6組，分別為對照組5只，不進(jìn)行擠壓傷造模；實驗1～5組，每組5只，將各組大鼠分別放入縮尺建筑中，分次啟動地震振動臺，每次均模擬中度震動（7級地震），使建筑物坍塌。于坍塌后24 h揭開廢墟，解救出被埋壓大鼠，觀察統(tǒng)計各組大鼠解壓時存活率，于解除埋壓后24 h觀察大鼠肌紅蛋白尿出現(xiàn)情況及存活率，評估全真模擬震動平臺造模效果。所有大鼠解除埋壓后自由進(jìn)食水。

1.6 檢測指標(biāo)及方法 （1）大鼠存活情況的觀察與統(tǒng)計：于解救后觀察大鼠的一般情況及活動情況，觀察大鼠受傷部位及傷情，統(tǒng)計大鼠的存活率。（2）肌紅蛋白尿發(fā)生率：觀察被擠壓大鼠在擠壓解除后24 h的局部及全身表現(xiàn)；觀察肌紅蛋白尿發(fā)生和24 h尿量變化情況，統(tǒng)計進(jìn)展致擠壓綜合征情況。（3）模型擠壓效果評價：結(jié)合實驗組大鼠擠壓傷傷情、病死率及擠壓綜合征發(fā)生率，評估該模型擠壓效果，指導(dǎo)進(jìn)一步模型改造。

2 結(jié) 果

2.1 地震模擬 應(yīng)用全真地震模擬振動臺，在此振動臺臺面上構(gòu)建縮尺建筑物，材料為普通燒結(jié)磚，建筑物的大小為120 cm×80 cm×70 cm，建筑為的整體質(zhì)量為600 kg。地震模擬振動臺控制系統(tǒng)設(shè)置頻率為30 Hz、振動時間為5 s時可模擬出7級地震的效果（圖2）。

圖2 地震模擬實驗平臺實物圖

2.2 模型擠壓傷效果 地震平臺上構(gòu)建重量約600 kg的縮尺建筑物，建筑物內(nèi)每次放置5只大鼠，在所有5次模擬震動中建筑物倒塌面積約80%，5組實驗中僅有1只大鼠被直接砸壓致死，其余均存活；所有大鼠的受傷部位基本為后背部砸壓傷，四肢砸壓傷少見，其中5只于解除埋壓后24 h死亡，6只出現(xiàn)了肌紅蛋白尿，進(jìn)展致擠壓綜合征，見表1。

2.3 大鼠一般情況 正常對照組5只大鼠精神良好，活動自如，呼吸均勻，呼吸頻率85（66～114）次/min，未見其他不良體征。實驗組大鼠致傷后精神萎靡，心率加快，呼吸頻率可達(dá)165（105～183）次/min，尤其出現(xiàn)棕紅色肌紅蛋白尿的大鼠四肢濕冷，伏于籠底，呈現(xiàn)“低血容量休克”的表現(xiàn)；25只實驗組大鼠解除埋壓時的存活率為96%（24/25）；解除埋壓后24 h的存活率為80%（20/25）；肌紅蛋白尿出現(xiàn)率為24%（6/25），其中1只出現(xiàn)無尿，4只在24 h內(nèi)死亡，見表1。

3 討 論

地震危害甚大，近年來更是發(fā)生頻繁。目前地震尚無法進(jìn)行科學(xué)有效地預(yù)測，地震救援結(jié)束以后，大量的數(shù)據(jù)無法再現(xiàn)，造成地震傷的研究機制不夠完善，現(xiàn)場救治措施發(fā)展緩慢的局面。筆者所在課題組根據(jù)醫(yī)學(xué)的需求，設(shè)計一種全真地震模擬實驗平臺，并在此平臺上搭建縮尺建筑物，將實驗動物放于建筑物中，進(jìn)行地震模擬實驗，以此建立地震傷研究模型，為地震傷的救治措施研究提供基礎(chǔ)平臺。

3.1 地震模擬振動臺模型國內(nèi)外研究情況 自20世紀(jì)40年代，首次用地震模擬振動臺模擬地震以來[7]，目前世界上已建立了數(shù)百座地震模擬振動臺，主要分布在日本、意大利、美國等國家[8]，其中日本擁有的地震模擬振動臺規(guī)模最大、數(shù)量最多[9]。由于三向六自由度振動臺造價太高，所以在地震模擬振動臺建設(shè)中，單向地震模擬振動臺占有較大比例。根據(jù)不完全統(tǒng)計，1966—2006年，日本建設(shè)了約50臺地震模擬振動臺，單向地震模擬振動臺約30臺，比例超過50%[10]。隨著科技迅速發(fā)展，目前世界上已研制了多種不同承載能力和臺面尺寸的地震模擬平臺，主要用于地質(zhì)、礦藏、建筑、交通等方面研究，具體包括結(jié)構(gòu)物的動力特性、設(shè)備抗震性能、檢驗結(jié)構(gòu)抗震措施等方面，同時在海洋結(jié)構(gòu)工程、水工結(jié)構(gòu)、橋梁工程等領(lǐng)域起著重要作用[11]。

3.2 實驗平臺技術(shù)難點及效果評價 關(guān)于選擇地震模擬振動平臺的構(gòu)建，筆者所在課題組咨詢工程學(xué)、工程振動學(xué)專家，參照已有振動平臺的實驗要求，根據(jù)縮尺建筑結(jié)構(gòu)力學(xué)承受能力，結(jié)合真實地震震動情境及實驗需求，經(jīng)過論證篩選，確定為二自由度雙向地震模擬振動平臺。關(guān)于科學(xué)合理的構(gòu)建縮尺建筑物方面，咨詢結(jié)構(gòu)力學(xué)及建筑學(xué)方面專家，按照實驗動物和人的質(zhì)量比例相對建筑物對比進(jìn)行縮尺，結(jié)合動物相對于人的生物學(xué)特性，反復(fù)論證，根據(jù)后續(xù)實驗動物需要和實際房屋大小相似率，調(diào)整各種材料的強度及建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行微縮，最終確定縮尺建筑物的制作方案[14]。當(dāng)然，本振動平臺基于全真模擬地震情境及地震現(xiàn)場環(huán)境而建造，影響振動臺性能的因素由許多，如連接、支撐、導(dǎo)向裝置及建筑物構(gòu)建的穩(wěn)定性等，本次動物實驗由于實驗動物少，分組不足，同時大鼠作為實驗動物具有趨避性、抵抗力強、肌肉組織少及四肢短小等特點，其擠壓傷造模的穩(wěn)定性、多因素性及可重復(fù)性等也需進(jìn)一步實驗進(jìn)行調(diào)整。因此，該模型作為地震致動物擠壓傷模型的全真模擬震動平臺，要具有高穩(wěn)定性、強操控性及多次重復(fù)倒塌等特性，但其穩(wěn)定性尚需要進(jìn)一步大量動物實驗校驗。

表1 大鼠地震擠壓傷造模后存活率及肌紅蛋白尿出現(xiàn)率比較

總之，本課題組首次將地震模擬振動臺引入到醫(yī)學(xué)實驗相關(guān)研究，構(gòu)建全真地震模擬振動平臺，同時構(gòu)建縮尺磚混建筑物，形成可系統(tǒng)還原地震模擬振動平臺的動物實驗?zāi)Ｐ汀Ｔ撃Ｐ屯ㄟ^控制不同級別的地震，使建筑物倒塌，利用致傷動物開展一系列臨床醫(yī)學(xué)相關(guān)研究，包括監(jiān)測動物生理指標(biāo)的變化、傷情變化、神經(jīng)內(nèi)分泌、疾病譜變化、現(xiàn)場救治手段等多方面研究[15]，進(jìn)而為深入開展地震對人體傷害研究提供基礎(chǔ)，為災(zāi)害現(xiàn)場第一時間展開醫(yī)療診治提供可靠的理論依據(jù)。

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