动物挤压伤全真模拟平台的建立及效果初步评价

董文龙 ，裴丽娅 ，刘晋阳 ，王 雪 ，樊毫军 ，林 颖 ，吴 杰 ，赵健晢 ，朱文通

地震是一种突发的自然灾害，而地震中最惨重的代价就是人员伤亡，挤压伤/挤压综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灾害的发生还无法科学有效地预测，特别是地震发生后，救援现场情况十分危急，伤员大量出现，医务人员的工作重点放在抢救伤员而无法进行挤压综合征现场早期研究，抢救结束后大量数据无法再现，而在实验室用动物研究挤压综合征造模时，方法主要是胶皮管勒紧动物大腿根部，用弹簧施加压力于动物后肢或用一定质量的重物压于动物身体的不同部位等。这些实验装置比较简陋、粗糙，不能给实验提供一个准确的地震现场模拟环境，导致医学上对救援现场挤压综合征的早期诊断和预防措施发展缓慢。因此，如何真实地还原地震灾害现场，针对地震伤进行深入的临床研究，构建全真模拟地震实验平台是提高现场救援技术的关键[2]。本研究依托灾害救援医学全军重点实验室，联合北京维尔森科技发展有限公司，设计并研发了全真地震模拟振动平台，并在平台上搭建等比缩尺建筑[3]，可将实验动物放于建筑物中，进行地震致动物挤压伤全真还原模拟实验，全面系统地还原地震环境及相关因素，并进行数次大鼠挤压伤模拟造模，评价该平台稳定性及操控性，为系统深入地开展地震挤压伤研究提供基础实验平台，为下一步系统深入地开展地震伤相关临床研究奠定基础。现报道如下。

1 材料与方法

1.1 组成部分 本套全真模拟地震实验平台由地震基础台面、控制柜、信号反馈与分析系统、工业计算机、以及相应控制软件组成，能够准确的模拟不同震级（6级、7级、8级）的地震（图1）。

图1 地震模拟震动平台动物实验模型

1.2 方案设计

1.2.1 机械结构 平台的自重1 200 kg、尺寸1.5 m×1.2 m、可承载建筑物重量≤2 000 kg、加速度0～2 g、位移50 mm、模拟地震产生振动频率0～50 Hz等各项相关参数，台面设有安装孔，可安装及更换实验建筑物体。

1.2.2 电机驱动系统 电机功率11 kW（由驱动电机、连接装置、减速装置组成），由两台电机组成一个电机控制上下运动，模拟地震时纵波运动方向，另一电机控制左右运动，模拟地震时横波运动方向。

1.2.3 控制柜参数 外形尺寸为1.2 m×0.8 m×0.6 m；米白色、内部包含PLC变频器（进口元件），以及附属相应的控制元件和连接电动机的线缆部分。

1.2.4 供电参数 交流380 V；功率12 kW；可与计算机进行实时通讯，采用RS-232或485接口。

1.2.5 信号反馈系统 由加速度传感器、采集卡及相应软件组成；传感器采用ic应变式加速度传感器，灵敏度为300 mV/g、最大检测频率为2 500 Hz、单向最大加速度值为2 g；采集卡可动态采集传感器实时加速度值；通过软件编译以波形图的方式显示在电脑上面。

1.2.6 对地面要求 要求为混凝土地面，混凝土厚度＞15 cm，承重＞350 kg/m[2,4]。

1.3 缩尺建筑模型构建 《中国地震烈度表》[5]将房屋结构评判对象分为A、B、C三类：A类，木构架和土、石、砖墙建造的旧式房屋；B类，未经抗震设防的单层或多层砖砌体房屋；C类，按照Ⅶ度抗震设防的单层或多层砖砌体房屋。其中B类（砌体结构房屋）主要以砌块建造的结构，在我国被广泛使用[6]。

1.3.1 建筑物结构的确定 建筑物结构分为钢结构、钢筋混凝土结构、砖混结构、厂房结构、土木结构三种，从构造建筑物原材料、制作难度、可操作性等实际情况考虑，经专家论证选择最为适宜的建筑物结构：砖混结构的建筑物，本部分是整个模型构建成功的关键。

1.3.2 建筑物结构、尺寸比例的确定 根据地震模拟振动平台的尺寸大小、承重等基本性能，结合实验动物相对人体质量、耐受性等对比，对建筑物结构、尺寸进行适当的比例缩小（等比例结构），将建筑物因缩小比例而导致的失真度降低至最小，采用“平台法”施工，使整个模型的结构更加科学合理。

1.4 功能特点

1.4.1 实验平台的选型 课题组通过文献查阅、资料收集、专家论证，结合实际情况，采用优质钢板钢焊结构台面，具有重量轻，台面弯曲频率高，可抵抗建筑物倒塌对设备的破坏等优点，同时使用双向电液伺服驱动地震模拟振动台，具有精度高、响应快、功率大等优点。

1.4.2 地震相关参数的设定 地震模拟振动平台可模拟不同级别地震振动波，还能够调节震动频率及双向震动方向（横向及纵向），初步设定的amax为2.0 g，台面最大位移为50 mm，模拟震动频率为0～50 Hz，并由平台控制界面实时显示。

1.4.3 模拟地震破坏效果 由操作系统控制模拟地震平台对缩尺建筑物进行模拟地震破坏实验，可由控制台上预先设置模拟的真实震级（6级、7级、8级）和持续时间（数秒到数分钟），在设备运行期间达到相应震级对应的破坏效果。

1.4.4 其他 地震实验平台由专用控制柜输出电力控制，耗电量低，安全性强；全部平台采用优质钢材钢焊结构，刚性好，易维护，配件产品采用进口控制元件，可靠性高。

沃尔特·格罗佩斯（Walter Gropius,1883～1969）是 20 世纪最重要的现代设计家、设计理论家和设计教育的奠基人。他不仅在理论上和在设计实践中提倡“功能追随形式”的观念，而且把现代主义的设计观念从包豪斯带到了美国，从而影响到全世界。格罗佩斯把“功能追随形式”设计观念更加明确表达为“功能第一，形式第二”。

1.5 大鼠地震挤压伤造模 选择雄性健康Wistar大鼠30只（由军事医学科学院实验动物中心提供），实验动物许可证号：SCXK-(军) 2012-0004，平均体重为（200±50）g，自由摄食和饮水，实验前12 h停止食料喂养，正常供水。所有大鼠随机分为6组，分别为对照组5只，不进行挤压伤造模；实验1～5组，每组5只，将各组大鼠分别放入缩尺建筑中，分次启动地震振动台，每次均模拟中度震动（7级地震），使建筑物坍塌。于坍塌后24 h揭开废墟，解救出被埋压大鼠，观察统计各组大鼠解压时存活率，于解除埋压后24 h观察大鼠肌红蛋白尿出现情况及存活率，评估全真模拟震动平台造模效果。所有大鼠解除埋压后自由进食水。

1.6 检测指标及方法 （1）大鼠存活情况的观察与统计：于解救后观察大鼠的一般情况及活动情况，观察大鼠受伤部位及伤情，统计大鼠的存活率。（2）肌红蛋白尿发生率：观察被挤压大鼠在挤压解除后24 h的局部及全身表现；观察肌红蛋白尿发生和24 h尿量变化情况，统计进展致挤压综合征情况。（3）模型挤压效果评价：结合实验组大鼠挤压伤伤情、病死率及挤压综合征发生率，评估该模型挤压效果，指导进一步模型改造。

2 结 果

2.1 地震模拟 应用全真地震模拟振动台，在此振动台台面上构建缩尺建筑物，材料为普通烧结砖，建筑物的大小为120 cm×80 cm×70 cm，建筑为的整体质量为600 kg。地震模拟振动台控制系统设置频率为30 Hz、振动时间为5 s时可模拟出7级地震的效果（图2）。

图2 地震模拟实验平台实物图

2.2 模型挤压伤效果 地震平台上构建重量约600 kg的缩尺建筑物，建筑物内每次放置5只大鼠，在所有5次模拟震动中建筑物倒塌面积约80%，5组实验中仅有1只大鼠被直接砸压致死，其余均存活；所有大鼠的受伤部位基本为后背部砸压伤，四肢砸压伤少见，其中5只于解除埋压后24 h死亡，6只出现了肌红蛋白尿，进展致挤压综合征，见表1。

2.3 大鼠一般情况 正常对照组5只大鼠精神良好，活动自如，呼吸均匀，呼吸频率85（66～114）次/min，未见其他不良体征。实验组大鼠致伤后精神萎靡，心率加快，呼吸频率可达165（105～183）次/min，尤其出现棕红色肌红蛋白尿的大鼠四肢湿冷，伏于笼底，呈现“低血容量休克”的表现；25只实验组大鼠解除埋压时的存活率为96%（24/25）；解除埋压后24 h的存活率为80%（20/25）；肌红蛋白尿出现率为24%（6/25），其中1只出现无尿，4只在24 h内死亡，见表1。

3 讨 论

地震危害甚大，近年来更是发生频繁。目前地震尚无法进行科学有效地预测，地震救援结束以后，大量的数据无法再现，造成地震伤的研究机制不够完善，现场救治措施发展缓慢的局面。笔者所在课题组根据医学的需求，设计一种全真地震模拟实验平台，并在此平台上搭建缩尺建筑物，将实验动物放于建筑物中，进行地震模拟实验，以此建立地震伤研究模型，为地震伤的救治措施研究提供基础平台。

3.1 地震模拟振动台模型国内外研究情况 自20世纪40年代，首次用地震模拟振动台模拟地震以来[7]，目前世界上已建立了数百座地震模拟振动台，主要分布在日本、意大利、美国等国家[8]，其中日本拥有的地震模拟振动台规模最大、数量最多[9]。由于三向六自由度振动台造价太高，所以在地震模拟振动台建设中，单向地震模拟振动台占有较大比例。根据不完全统计，1966—2006年，日本建设了约50台地震模拟振动台，单向地震模拟振动台约30台，比例超过50%[10]。随着科技迅速发展，目前世界上已研制了多种不同承载能力和台面尺寸的地震模拟平台，主要用于地质、矿藏、建筑、交通等方面研究，具体包括结构物的动力特性、设备抗震性能、检验结构抗震措施等方面，同时在海洋结构工程、水工结构、桥梁工程等领域起着重要作用[11]。

3.2 实验平台技术难点及效果评价 关于选择地震模拟振动平台的构建，笔者所在课题组咨询工程学、工程振动学专家，参照已有振动平台的实验要求，根据缩尺建筑结构力学承受能力，结合真实地震震动情境及实验需求，经过论证筛选，确定为二自由度双向地震模拟振动平台。关于科学合理的构建缩尺建筑物方面，咨询结构力学及建筑学方面专家，按照实验动物和人的质量比例相对建筑物对比进行缩尺，结合动物相对于人的生物学特性，反复论证，根据后续实验动物需要和实际房屋大小相似率，调整各种材料的强度及建筑结构进行微缩，最终确定缩尺建筑物的制作方案[14]。当然，本振动平台基于全真模拟地震情境及地震现场环境而建造，影响振动台性能的因素由许多，如连接、支撑、导向装置及建筑物构建的稳定性等，本次动物实验由于实验动物少，分组不足，同时大鼠作为实验动物具有趋避性、抵抗力强、肌肉组织少及四肢短小等特点，其挤压伤造模的稳定性、多因素性及可重复性等也需进一步实验进行调整。因此，该模型作为地震致动物挤压伤模型的全真模拟震动平台，要具有高稳定性、强操控性及多次重复倒塌等特性，但其稳定性尚需要进一步大量动物实验校验。

表1 大鼠地震挤压伤造模后存活率及肌红蛋白尿出现率比较

总之，本课题组首次将地震模拟振动台引入到医学实验相关研究，构建全真地震模拟振动平台，同时构建缩尺砖混建筑物，形成可系统还原地震模拟振动平台的动物实验模型。该模型通过控制不同级别的地震，使建筑物倒塌，利用致伤动物开展一系列临床医学相关研究，包括监测动物生理指标的变化、伤情变化、神经内分泌、疾病谱变化、现场救治手段等多方面研究[15]，进而为深入开展地震对人体伤害研究提供基础，为灾害现场第一时间展开医疗诊治提供可靠的理论依据。

[1]Hou S K, Lv Q, Ding H,et al. Disaster medicine in China:present and future [J]. Disaster Med Public Health Prep, 2016（28）: 1-9. DOI: 10.1017/dmp.2016.71.

[2]Song J, Ding H, Fan H J,et al. Canine model of crush syndrome established by a digital crush injury device platform [J]. Int J Clin Exp Pathol, 2015, 8（6）: 6117-6125.

[3]宋 或, 张贵文, 党星海,等. 相似模型与缩尺模型特点分析[J]. 高等建筑教育, 2003, 12（4）: 57-58.

[4]宋家欢，陶德怀，刘艳辉.地基土刚度变化对地震模拟振动台基础的影响[J].山西建筑，2016，42（33）: 352-354. DOI: 10.13719/j.cnki.cn14-1279/tu.2016.33.024.

[5]黄浩华.地震模拟振动台的设计与应用技术[M].北京:地震出版社，2008: 15-85.

[6]郭 宁. 南北地震带具有区域特殊性的典型房屋建筑抗震性能分析[D].哈尔滨：中国地震局工程力学研究所，2012.

[7]Williams M S, Blakeborough A. Laboratory testing of structures under dynamic loads: An introductory review [J]. Philos Trans A Math Phys Eng Sci, 2001, 359 (1786): 1651-1669.

[8]Pavese A, Lai C, Calvi G,et al. Reaction mass and foundation design of the high performance, one-degree-of-freedom eucentre shaking table [J]. Pavia, 2005（ 1）: 513-524.

[9]张德武. 三维六自由度地震模拟振动台基础的动力分析与设计计算方法研究[D].西安：西安建筑科技大学，2009.

[10]Scawthorn C. Earthquake engineering handbook [M]. USA,CRC press, 2010: 24.

[11]刘必灯，郭 讯，周 洋，等.大型地震模拟振动台运行对周围场地影响的试验研究[J].振动与冲击，2016，35（13）: 212-218. DOI: 10.13465/j.cnki.jvs.2016.13.034.

[12]沈德建，吕西林.地震模拟振动台及模型试验研究进展[J].结构工程师, 2006, 22（6）:55-58. DOI: 10.3969/j.issn.1005-0159.2006.06.013.

[13]宗周红，陈 亮，黄福云. 地震模拟振动台台阵试验技术研究及应用 [J]. 结构工程师，2011，27（S1）: 6-14.DOI: 10.15935/j.cnki.jggcs.2011.s1.003.

[14]黄维平, 王连广. 人工质量在砖混结构振动台试验中的作用 [J].地震工程与工程振动， 2001，21（3） : 99-103. DOI: 10.3969/j.issn.1000-1301.2001.03.018.

[15]刘爱兵, 王海燕, 郝钦芳,等. 从疾病谱变化规律划分灾难医学救援阶段及其意义[J]. 中华急诊医学杂志,2006, 15（12）: 1063-1066. DOI: 10.3760/j.issn:1671-0282.2006.12.002.