專利名稱：一種具有仿真胸腔骨骼結(jié)構(gòu)的心肺復(fù)蘇模擬人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及醫(yī)療教學(xué)儀器，更具體地說是用于心肺復(fù)蘇訓(xùn)練的醫(yī)療培訓(xùn)模擬人。
背景技術(shù)：
熟練掌握心肺復(fù)蘇(CPR)操作需要經(jīng)常性、正確的訓(xùn)練。為此國內(nèi)外開發(fā)了多種 心肺復(fù)蘇模擬人。心肺復(fù)蘇模擬人可以完成人工呼吸、胸外按壓等操作，通常具有頭部與上 軀干，口、鼻、氣管、肺部可實現(xiàn)人工呼吸操作；具有一定彈性的胸腔，可以模擬胸外按壓的 阻力。CPR模擬人對胸腔力學(xué)特性的模擬直接影響到訓(xùn)練的真實性，力學(xué)特性與人體不 相似，受訓(xùn)者無法獲得真實的手感，達(dá)不到良好的訓(xùn)練效果?？茖W(xué)研究表明，人體在胸外按 壓下，按壓力與胸骨位移不是簡單的線性關(guān)系。Gruben等人就曾對16個不同特征的人進(jìn)行 心肺復(fù)蘇胸外按壓試驗，得到典型人體胸廓在心肺復(fù)蘇胸外心臟按壓下力_位移關(guān)系的模 型公式F = 29. 4x+22. 3x2-l. 35x3+0. 325x4+(0. 710+0. 887x)x' +c[1]從[1]式可以看出，按壓力與胸骨位移呈非線性關(guān)系，按壓阻力可看成彈性力與 阻尼共同作用的結(jié)果?，F(xiàn)有的CPR模擬人通常采用在胸腔安裝線性壓縮彈簧來模擬按壓時的彈性，一種 是單簧結(jié)構(gòu)，即采用一個線性壓縮彈簧在胸廓內(nèi)部提供阻力；另一種是多簧結(jié)構(gòu)，即采用多 個彈簧在模擬人胸壁下的多個點支撐提供阻力。它們存在的問題是1.彈簧的力-位移是線性關(guān)系，與人體胸廓彈性力的非線性特征不符，從而影響 手感。2.胸腔結(jié)構(gòu)與人體不具備相似性，按壓時胸廓的起伏與人體存在較大差距，從而 影響受訓(xùn)者的手感與判斷。專利US5423685設(shè)計了一種采用聚亞胺脂發(fā)泡代替彈簧的CPR模擬人，US5249968 設(shè)計了一種風(fēng)箱結(jié)構(gòu)的按壓裝置代替彈簧，這兩個專利的設(shè)計使得按壓力呈現(xiàn)一定非線 性。但這類結(jié)構(gòu)很難控制按壓的阻力，同時胸廓的起伏與人體并不相似，加工復(fù)雜，不易實 現(xiàn)。專利US5468151發(fā)明了一種中空的吹塑成型，具有凹凸結(jié)構(gòu)的板式胸腔結(jié)構(gòu)，通 過調(diào)節(jié)單板的材料特性、厚度等條件來提供合適的按壓阻力。該專利存在問題有1.塑料材料存在強度、耐疲勞性能、老化等方面問題，對胸腔的力學(xué)性能及保持具 有不利的影響。2.該專利的胸腔結(jié)構(gòu)及材料特性，無法提供胸外按壓下足夠的阻尼。在人工呼吸訓(xùn)練中，吹氣量是關(guān)鍵參數(shù)。吹氣量要在一定的合理范圍內(nèi)(急救醫(yī) 學(xué)建議值為500-1000ml)?，F(xiàn)有的(PR模擬人通常采用具有一定彈性的容器(如塑料膜) 來模擬肺部，通過測量容器的體積變化來測量吹氣量。一般情況下，容器變形不規(guī)則，很難 測定準(zhǔn)確的體積變化，導(dǎo)致吹氣量的測量精度較差。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，設(shè)計一種易于實現(xiàn)的仿真胸腔結(jié)構(gòu)，給出胸腔結(jié) 構(gòu)重要參數(shù)的設(shè)計方法，使得所發(fā)明CPR模擬人在胸外按壓下力學(xué)特性與人體相似；采用 文丘里管測量人工呼吸的吹氣流量，設(shè)計相應(yīng)的測量機構(gòu)，實現(xiàn)吹氣流量的準(zhǔn)確測量。本發(fā)明通過下述方案予以實現(xiàn)，所述具有仿真胸腔骨骼結(jié)構(gòu)的心肺復(fù)蘇模擬人包 括模擬人肢體模型、測量機構(gòu)、操作與顯示電路系統(tǒng)3部分。所述模擬人肢體模型由頭部和上軀干構(gòu)成，所述上軀干由仿真胸腔骨架、軟組織、 外皮、仿真肺構(gòu)成，所述仿真肺位于軟組織與外皮之間，仿真胸腔骨架鑲嵌于軟組織中；所 述仿真胸腔骨架由環(huán)形肋骨、胸骨和胸椎組成，胸骨和胸椎分別與頭部連接件固定，環(huán)形肋 骨的底面分別與胸椎固定，環(huán)形肋骨的頂面分別與胸骨固定。仿真胸腔骨架采用如65錳 等的彈性金屬材料制成，提供胸外按壓的彈性力。軟組織提供胸外按壓的適當(dāng)阻尼。仿真 肺部采用PVC材料制成，仿真肺部位于軟組織與模擬人外皮之間，人工呼吸時，氣體吹入肺 部，肺部膨脹，克服外皮的彈性，造成胸廓隆起；吹氣后，外皮的彈性使得肺部恢復(fù)吹氣前形 狀。測量機構(gòu)實現(xiàn)吹氣量、按壓深度的測量，包括吹氣量與按壓深度測量機構(gòu)。吹氣量 測量機構(gòu)由文丘里管與壓差式壓力傳感器構(gòu)成；按壓深度測量機構(gòu)由塑料電位計、轉(zhuǎn)軸、拉 線3部分構(gòu)成。操作與顯示電路主要由單片機及其外圍電路構(gòu)成，實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)采集、顯示等 操作。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是1.與采用彈簧或類似結(jié)構(gòu)的CPR模擬人相比，本發(fā)明實現(xiàn)的CPR模擬人的胸廓起 伏與真人相似，不存在按壓偏離位置所造成的手感失真等問題。2.具備與人體相似的胸腔骨骼結(jié)構(gòu)，通過有限元計算方法，可為胸外按壓提供可 控的彈性力。模型結(jié)構(gòu)簡單，采用彈性金屬材料制作骨架，彈性力可精確地計算出，從而為 模型參數(shù)的確定提供科學(xué)依據(jù)，大幅度降低產(chǎn)品開發(fā)的成本。3.能夠精確地測量人工呼吸的吹氣量，從而為人工呼吸效果的評價提供科學(xué)依據(jù)。4.胸腔骨架由金屬材料加工，包裹骨架的采用發(fā)泡材料，產(chǎn)品生產(chǎn)對模具的要求 遠(yuǎn)比塑料件對模具的要求低，大大降低了模具成本。


圖1是本發(fā)明所指CPR模擬人的整體結(jié)構(gòu)圖；圖2是胸腔骨架結(jié)構(gòu)圖；圖3是文丘里管結(jié)構(gòu)圖；圖4是人工呼吸吹氣量測量機構(gòu)連接圖；圖5是操作與顯示電路系統(tǒng)原理框圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步描述。圖1是本發(fā)明所指模擬人的整體結(jié)構(gòu)圖。模型頭部1，外皮2，軟組織3，胸腔骨架 4，內(nèi)部空腔5，肺部6，為便于展示內(nèi)部結(jié)構(gòu)，圖中部分區(qū)域為剖面；其中肺部6位于軟組織 3與外皮2之間，胸腔骨架4鑲嵌于軟組織3中。圖2是胸腔骨架結(jié)構(gòu)圖，胸骨7和胸椎9分別與頭部連接件8固定，五根肋骨(第 1根肋骨10，第5根肋骨11)均為環(huán)形結(jié)構(gòu)，五根肋骨依次排列，五根肋骨的底面分別與胸 椎9固定，五根肋骨的頂面分別與胸骨7固定。圖3是文丘里管結(jié)構(gòu)圖，文丘里管上部12，第一壓差式傳感器連接件13，第二壓差 式連接件14，文丘里管尾部15，文丘里管為圓柱體，該圖為剖面圖。圖4是人工呼吸吹氣量測量機構(gòu)連接圖，與鼻相連的管路16，與口相連的管路17， 氣管18，文丘里管19，與肺部相連的管路20，肺部6，文丘里管19位于內(nèi)部空腔5。圖5是操作與顯示電路系統(tǒng)原理框圖，圖中箭頭方向代表數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较?。具有仿真胸腔骨骼結(jié)構(gòu)的心肺復(fù)蘇模擬人包括模擬人肢體模型、測量機構(gòu)、操作 與顯示電路系統(tǒng)3部分。3部分連接關(guān)系及各部分內(nèi)部部件之間關(guān)系如下1.肢體模型由頭部和上軀干構(gòu)成。模型頭部1有口、鼻，口鼻分別與管路16、17相 連，通過氣管18與上軀干內(nèi)的肺部6連接。上軀干由仿真胸腔骨架4、軟組織3、外皮2、內(nèi) 部空腔5、肺部6四部分構(gòu)成。骨架4包裹于軟組織3內(nèi)，軟組織3內(nèi)部為空腔5，軟組織5 最外邊有外皮2包裹，肺部6位于外皮2與軟組織3之間。2.測量機構(gòu)包括吹氣量與按壓深度測量機構(gòu)。吹氣量測量機構(gòu)的連接關(guān)系為 口、鼻分別與管路16、17連接，管路16、17均連接到氣管18，氣管18與文丘里管上部12相 連，文丘里管尾部15與管路20連接，管路20接到肺部6。以下就具有仿真胸腔骨骼結(jié)構(gòu)的心肺復(fù)蘇模擬人各部分的實現(xiàn)方法加以說明。一、肢體模型1. “骨架”肋骨、胸骨采用65Mn彈簧鋼材料加工，胸椎采用較厚不易變形的金屬板制成，肋 骨上部與胸骨固定，底部與胸椎固定。為達(dá)到符合胸外按壓下仿真骨架的力學(xué)性能與人體 相似，通過有限元計算方法，設(shè)計骨架的幾何尺寸與關(guān)鍵參數(shù)。在有限元計算軟件下，建立 骨架的三維模型，施加合理的約束條件，計算不同幾何尺寸(肋骨厚度、寬度)下，按壓力對 應(yīng)的胸骨位移。將該數(shù)據(jù)與人體試驗獲得的數(shù)據(jù)相比對，確定合適的幾何尺寸。2.軟組織軟組織采用聚氨酯現(xiàn)場發(fā)泡加工工藝。將加工好的骨架模型放入人形模具內(nèi)部， 再將聚氨酯發(fā)泡原料倒入模具進(jìn)行發(fā)泡，形成包裹骨架的軟組織。在最內(nèi)部掏出一定體積 的聚氨酯發(fā)泡，形成空腔。胸外按壓的阻尼與空腔的體積及發(fā)泡材料的力學(xué)特性相關(guān)。調(diào) 整發(fā)泡材料的力學(xué)特性可以通過調(diào)整聚氨酯發(fā)泡原料的配比加以實現(xiàn)，確定合適的阻尼需 要進(jìn)行多次試驗。3.外皮模型外皮需要具有良好的彈性，為此選擇硅膠材料進(jìn)行加工。肺部位于發(fā)泡材料與模擬人外皮之間，人工呼吸時，氣體吹入肺部，肺部膨脹，克服外皮的彈性，造成胸廓隆起；吹氣后，外皮的彈性使得肺部恢復(fù)吹氣前形狀。二、測量機構(gòu) 1.吹氣測量機構(gòu)吹氣測量的原理是采用文丘里管將壓差信號轉(zhuǎn)化為流量信號，再通過積分將流量 換算為吹氣量。2.按壓深度測量按壓深度采用塑料電位計進(jìn)行測量。具體原理為塑料電位計轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)角度變 化對應(yīng)電阻值的變化，通過在轉(zhuǎn)軸上纏繞線繩，將旋轉(zhuǎn)角度的變化對應(yīng)到線繩的直線位移 變化。將線繩一端固定于轉(zhuǎn)軸，另一端固定于第4肋骨與胸骨的連接處，塑料電位計固定于 第4肋骨與胸骨連接處正下方的胸椎上。三、操作與顯示電路系統(tǒng)共有2組模擬量輸入(按壓深度，人工呼吸吹氣量)，可以選擇AD公司的AD采樣 芯片AD7888，共有8個模擬量輸入通道，采樣頻率可達(dá)500Kb/s，采用SPI接口，便于通單片 機的串行數(shù)據(jù)通訊。采用C8051F330構(gòu)建單片機系統(tǒng)，具備數(shù)字I/O能力，可以控制鍵盤與顯示，可以 同AD采樣芯片建立通訊，獲取傳感器數(shù)據(jù)。
權(quán)利要求
一種具有仿真胸腔骨骼結(jié)構(gòu)的心肺復(fù)蘇模擬人，由頭部和上軀干構(gòu)成，其特征是，所述上軀干由仿真胸腔骨架、軟組織、外皮、仿真肺構(gòu)成，所述仿真肺位于軟組織與外皮之間，仿真胸腔骨架鑲嵌于軟組織中；所述仿真胸腔骨架由環(huán)形肋骨、胸骨和胸椎組成，胸骨和胸椎分別與頭部連接件固定，環(huán)形肋骨的底面分別與胸椎固定，環(huán)形肋骨的頂面分別與胸骨固定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有仿真胸腔骨骼結(jié)構(gòu)的心肺復(fù)蘇模擬人，其特征是，還包括吹氣量測量機構(gòu)、按壓深度測量機構(gòu)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，所述吹氣量測量機構(gòu)由文丘里管 與壓差式壓力傳感器構(gòu)成；所述按壓深度測量機構(gòu)由塑料電位計、轉(zhuǎn)軸、拉線構(gòu)成；數(shù)據(jù)處 理系統(tǒng)由單片機及外圍電路構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有仿真胸腔骨骼結(jié)構(gòu)的心肺復(fù)蘇模擬人。本發(fā)明具有仿真胸腔骨骼結(jié)構(gòu)的心肺復(fù)蘇模擬人包括模擬人肢體模型、測量機構(gòu)、操作與顯示電路系統(tǒng)3部分。本發(fā)明提供一種易于實現(xiàn)的仿真胸腔結(jié)構(gòu)，給出胸腔結(jié)構(gòu)重要參數(shù)的設(shè)計方法，使得所發(fā)明CPR模擬人在胸外按壓下力學(xué)特性與人體相似；采用文丘里管測量人工呼吸的吹氣流量，設(shè)計相應(yīng)的測量機構(gòu)，實現(xiàn)吹氣流量的準(zhǔn)確測量。
文檔編號G09B23/28GK101840651SQ201010164568
公開日2010年9月22日 申請日期2010年5月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月6日
發(fā)明者倪愛娟, 劉長軍, 孫秋明, 張彥軍, 田豐, 謝新武, 魏高峰 申請人:中國人民解放軍軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院衛(wèi)生裝備研究所