CN101303812B - 人体胸廓在心肺复苏胸外心脏按压下弹性曲线的模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种心肺复苏胸外心脏按压下的弹性曲线的模拟方法。本发明其主要内容是：1、采用不等变形并列线性压缩弹簧组模拟胸廓的非线性弹性力；2、采用阻尼器(缓冲器，减速器)模拟胸廓阻尼力，阻尼器的阻尼系数在0-5cm内的平均值(2.93Ns/cm)相等；3、模拟胸廓前后壁模拟人体胸壁，在上面分别安装阻尼器和弹簧组的两端，固定后形成胸廓模拟机构。本发明在同类方法中首次应用弹簧、缓冲设备组合，使得按压一松弛过程的滞回曲线与公开文献的典型人体胸廓滞回曲线一致，从而能够在该模拟机构上获得更接近真实人体的按压手感，提高在该机构上进行心肺复苏胸外心脏按压手法训练的效果。

Description

人体胸廓在心肺复苏胸外心脏按压下弹性曲线的模拟方法

技术领域

本发明涉及模拟力学及模型，具体地说，是一种心肺复苏胸外心脏按压下的力-胸骨位移关系滞回曲线的模拟方法。

技术背景

心肺复苏胸外心脏按压是心肺复苏3大关键技术之一，医学上对按压方法的推荐值为频率80-100次/分钟、深度4-5cm、位置：胸骨下1/3。为对心肺复苏胸外心脏按压的培训，国内外开发了多种心肺复苏模拟人。心肺复苏模拟人模拟人体的某些特征，其中对人体胸廓在心肺复苏胸外按压时的力-胸骨位移关系模拟直接影响到按压时模拟人的手感(包括阻力大小、胸壁回弹速度与力度等)与人体胸廓是否相似，是心肺复苏模拟人的重要技术之一。而对人体胸廓在心肺复苏胸外按压时的力-胸骨位移关系的研究成果主要有：1993年Gruben对16个不同特征的人进行心肺复苏胸外按压试验，得到典型人体胸廓在心肺复苏胸外心脏按压下力-位移关系的模型公式：

F＝29.4x+22.3x²-1.35x³+0.325x⁴+(0.710+0.887x)x′+c    [1]

其中F表示力，单位为N，x表示位移，单位cm，c表示误差项。该模型的力表达式是位移的函数，包含高次项和一阶导数项，可以看作是弹性力F_e和阻尼力F_d的和：

F＝F_e+F_d                           [2]

F_e＝29.4x+22.3x²-1.35x³+0.325x⁴    [3]

F_d＝(0.710+0.887x)x′              [4]

心肺复苏模拟人技术中，对力-胸骨位移关系的模拟，现有的模拟人位于胸腔的阻力提供机构通常采用线性压缩弹簧，一种是单簧结构，即采用一个线性压缩弹簧在胸廓内部提供阻力，另一种是多簧结构，即采用多个弹簧在模拟人胸壁下的多个点支撑提供阻力，各个弹簧的自由长度相等，按压时同时起作用，相当于多个弹簧并联，其阻力等于各个弹簧的阻力之和，即各弹簧刚度乘以总变形量的和。它们存在的问题主要是：1、静态加载下力-位移是线性关系，与人体胸廓弹性力的非线性特征不符；2、动态加载下因摩擦等因素的存在，按压与松弛过程稍有不同，但无明显的阻尼现象，与人体胸廓存在明显阻尼不符；3、现有心肺复苏模拟人胸廓总体上其按压过程和松弛过程的力是基本一致的，与人体胸廓在心肺复苏胸外按压时按压与松弛过程的阻力成明显的滞回曲线不符。

发明内容

本发明的目的在于克服现有结构存在的不足，提供一种能够真实反映心肺复苏胸外心脏按压下的力-胸骨位移关系的模拟方法。

本发明心肺复苏胸外心脏按压下的弹性曲线的模拟方法，其特征是，按照下述步骤实现：

(1)采用不等变形并列线性压缩弹簧组模拟胸廓的非线性弹性力，采用至少2个不等变形的线性压缩弹簧并联，在心肺复苏要求的0-5.0cm按压深度内，弹簧组弹性力对位移的分段线性曲线与公开发表的典型人体的胸廓弹性力曲线在各段积分值相等；各弹簧的刚度与弹簧高度配合从而可以拟合典型人体胸廓的弹性力：在心肺复苏胸外按压的位移范围内(5.0cm)，弹簧组的力-位移曲线呈分段线性，各分段区间内力的积分值与公式[3]在相应区间的积分值相等，其物理意义是在心肺复苏按压时弹簧组各段及整个过程做功与在典型人体胸廓上按压所作的功相同，从而可以实现分段线性拟合非线性曲线；弹簧的安装套管可将弹簧固定并能将各弹簧顶端的高度差固定；弹簧组安装在套管中从上端进行加载时，可精确拟合人体胸廓的非线性弹性力；

(2)采用缓冲设备模拟胸廓阻尼力，阻尼系数与公开发表的典型人体阻尼系数平均值相同，缓冲设备的阻尼系数(即公式[4]中x′的系数(0.710+0.887x))在0-5cm内的平均值(2.93Ns/cm)相等；

(3)弹簧组和缓冲设备并联，模拟胸廓在胸外按压下按压-松弛过程的按压力-胸骨位移的滞回曲线，符合公式[1]。

将本发明应用于模拟人体，模拟胸廓前后壁模拟人体胸壁，在上面分别安装缓冲设备和弹簧组的两端，固定后形成胸廓模拟机构。整个胸廓模拟机构结构稳定能顺畅的进行按压操作，用于心肺复苏模拟人对人体胸廓的模拟。

本发明的有益效果是：本发明在同类方法中首次应用弹簧、缓冲设备组合，使得按压-松弛过程的滞回曲线与公开文献的典型人体胸廓滞回曲线一致，从而能够在该模拟机构上获得更接近真实人体的按压手感，提高在该机构上进行心肺复苏胸外心脏按压手法训练的效果。

附图说明

图1是弹簧组设计过程中采用分段线性拟合弹性力曲线；

图2是阻尼系数平均值的计算示意图；

图3是弹簧组-阻尼器系统(2弹簧)的结构剖面图。

具体实施方式

本方法根据弹簧数的不同而在结构上稍有不同，但基本方法和设计过程相同。

以2个弹簧组成弹簧组为例，介绍具体的设计方法、过程及结构。因人体心肺复苏胸外按压的深度为4.0-5.0cm，设定弹簧组的最大压缩量为6.0cm，2个弹簧的自由高度差为2.5cm，规定1#弹簧自由高度比2#弹簧高2.5cm。因成人胸廓前后壁的距离通常为20.0-30.0cm，设定弹簧组总的自由高度＜20.0cm。

首先分别确定1#弹簧和2#弹簧的刚度。图1是弹簧组设计过程中采用分段线性拟合弹性力曲线(即公式[3]的曲线)示意图，a为曲线[3]，b为分两段线性拟合曲线，第一段为位移0-2.5cm区间，第二段为位移2.5-5.0cm区间。A1、A2分别为a曲线在第一段区间、第二段区间的积分值(a曲线以下的面积)，B1、B2分别为b曲线在第一段区间、第二段区间的积分值(b曲线以下的面积)，有A1＝B1，A2＝B2。根据弹簧高度差，以各段积分值相等(做功相同)即图1中b曲线(实线)在第一段区间和第二段区间的积分值(即B1，B2)分别与a曲线(虚线，公式[3]的曲线)在相应区间的积分值(即A1，A2)相等的原则，计算两段线性曲线拟合公式[3]在0-5.0cm区间的具体表达式，并计算两段线段的斜率，则其中0-2.5cm段的斜率为1#弹簧的刚度，2.5-5.0cm段的斜率等于1#和2#弹簧刚度的和。令k₁为1#弹簧的刚度，k₂为2#弹簧的刚度，则有：

$A1=\underset{0}{\overset{2.5}{\∫}}(29.4x+{22.3x}^2-1.35x^3+{0.325x}^4)\mathrm{dx}$ $A2=\underset{2.5}{\overset{5}{\∫}}(29.4x+{22.3x}^2-1.35x^3+{0.325x}^4)\mathrm{dx}$

$B1=\underset{0}{\overset{2.5}{\∫}}{k}_1\mathrm{xdx}$

$B2=\underset{2.5}{\overset{5}{\∫}}[(k_{2}x+k_{1}x)-2.5k_2]\mathrm{dx}$

A1＝B1，A2＝B2

计算得到1#弹簧的刚度k₁为64.380N/cm，2#弹簧的刚度k₂为154.913N/cm。

接下来根据得到的上述两个弹簧的刚度，以2个弹簧内外径互相配合实现互相嵌套为要求，以及前述弹簧组总高限的要求(弹簧组总的自由高度＜20.0cm)，计算并选择弹簧的具体尺寸。选定的两个弹簧的具体尺寸参数为：1#弹簧中径4.0cm，钢丝直径0.5cm，自由高度15.00cm，2#弹簧中径2.5cm，钢丝直径0.45cm，自由高度12.34cm。

最后根据弹簧间自由高度差与要求的2.5cm有偏差通过设计的套管来纠正：套筒有两个同心圆环凹槽，分别可以安装1#和2#弹簧，1#凹槽比2#凹槽的深度大0.16cm，从而弹簧安装到凹槽之后形成的弹簧组1#弹簧和2#弹簧的高度差为15.00-12.34+0.16＝2.5cm。

图2是阻尼系数平均值的计算示意图，根据公式[4]，阻尼系数是位移的一次函数(c曲线)，平均值(d线)为2.93Ns/cm。c、d下的面积相等。阻尼器选则的原则是：根据心肺复苏深度要求，行程L不小于5.0cm；根据Gruben的研究结果，阻尼系数平均值d＝2.93Ns/cm；要求外径小于弹簧组内径从而可以互相嵌套。选择缓冲器AC2050，其参数为：行程5.0cm，油缸外径2.0cm(弹簧组内径2.05cm)，活塞柱外径0.6cm，自由高度17.5cm，调节缓冲器油缸内的油量，使得阻尼系数d＝2.93Ns/cm。

阻尼器和弹簧组的配合，安装于两块尼龙板(模拟胸廓前后壁)之间。如图3所示，1#弹簧2，2#弹簧3和阻尼器4同轴设置于弹簧套筒5内，上面板1固定于1#弹簧2顶端。工作过程：在上面板正中位置进行心肺复苏胸外心脏按压操作，随着深度的增加，上面板先后接触到1#弹簧，2#弹簧，同时整个按压-松弛过程缓冲器都在起作用，使得按压-松弛过程呈接近人体胸廓表现的滞回曲线。

Claims (3)

1.一种心肺复苏胸外心脏按压下的弹性曲线的模拟方法，其特征是，按照下述步骤实现：

(1)采用不等变形并列线性压缩弹簧组模拟胸廓的非线性弹性力，采用至少2个不等变形的线性压缩弹簧并联，在心肺复苏要求的0-5.0cm按压深度内，弹簧组弹性力对位移的分段线性曲线与公开发表的典型人体的胸廓弹性力曲线在各段积分值相等，所述公开发表的典型人体的胸廓弹性力曲线为F_e＝29.4x+22.3x²-1.35x³+0.325x⁴，其中F_e表示弹性力，x表示位移；

(2)采用缓冲设备模拟胸廓阻尼力，阻尼系数与公开发表的典型人体阻尼系数平均值相同，所述公开发表的典型人体阻尼系数平均值相同的缓冲设备的阻尼系数在0-5cm内的平均值为2.93Ns/cm；

(3)将上述弹簧组和缓冲设备并联，模拟胸廓在胸外按压下按压力对胸骨位移的滞回曲线，所述滞回曲线为F＝29.4x+22.3x²-1.35x³+0.325x⁴+(0.710+0.887x)x′+c，其中F表示力，x表示位移，c表示误差项。

2.根据权利要求1所述的心肺复苏胸外心脏按压下的弹性曲线的模拟方法，其特征是，所述至少2个不等变形的线性压缩弹簧是不同高度的不等变形并列线性压缩弹簧，且所述弹簧组成弹簧组；所述弹簧内、外径相互配合，互相嵌套。

3.根据权利要求1所述的心肺复苏胸外心脏按压下的弹性曲线的模拟方法，其特征是，所述缓冲设备外径小于弹簧组内径。

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