CN101840651B - 一种具有仿真胸腔骨骼结构的心肺复苏模拟人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有仿真胸腔骨骼结构的心肺复苏模拟人。本发明具有仿真胸腔骨骼结构的心肺复苏模拟人包括模拟人肢体模型、测量机构、操作与显示电路系统3部分。本发明提供一种易于实现的仿真胸腔结构，给出胸腔结构重要参数的设计方法，使得所发明CPR模拟人在胸外按压下力学特性与人体相似；采用文丘里管测量人工呼吸的吹气流量，设计相应的测量机构，实现吹气流量的准确测量。

Description

一种具有仿真胸腔骨骼结构的心肺复苏模拟人

技术领域

本发明涉及医疗教学仪器，更具体地说是用于心肺复苏训练的医疗培训模拟人。

背景技术

熟练掌握心肺复苏(CPR)操作需要经常性、正确的训练。为此国内外开发了多种心肺复苏模拟人。心肺复苏模拟人可以完成人工呼吸、胸外按压等操作，通常具有头部与上躯干，口、鼻、气管、肺部可实现人工呼吸操作；具有一定弹性的胸腔，可以模拟胸外按压的阻力。

CPR模拟人对胸腔力学特性的模拟直接影响到训练的真实性，力学特性与人体不相似，受训者无法获得真实的手感，达不到良好的训练效果。科学研究表明，人体在胸外按压下，按压力与胸骨位移不是简单的线性关系。Gruben等人就曾对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]

从[1]式可以看出，按压力与胸骨位移呈非线性关系，按压阻力可看成弹性力与阻尼共同作用的结果。

现有的CPR模拟人通常采用在胸腔安装线性压缩弹簧来模拟按压时的弹性，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。它们存在的问题是：

1.弹簧的力-位移是线性关系，与人体胸廓弹性力的非线性特征不符，从而影响手感。

2.胸腔结构与人体不具备相似性，按压时胸廓的起伏与人体存在较大差距，从而影响受训者的手感与判断。

专利US5423685设计了一种采用聚亚胺脂发泡代替弹簧的CPR模拟人，US5249968设计了一种风箱结构的按压装置代替弹簧，这两个专利的设计使得按压力呈现一定非线性。但这类结构很难控制按压的阻力，同时胸廓的起伏与人体并不相似，加工复杂，不易实现。

专利US5468151发明了一种中空的吹塑成型，具有凹凸结构的板式胸腔结构，通过调节单板的材料特性、厚度等条件来提供合适的按压阻力。该专利存在问题有：

1.塑料材料存在强度、耐疲劳性能、老化等方面问题，对胸腔的力学性能及保持具有不利的影响。

2.该专利的胸腔结构及材料特性，无法提供胸外按压下足够的阻尼。

在人工呼吸训练中，吹气量是关键参数。吹气量要在一定的合理范围内(急救医学建议值为500-1000ml)。现有的CPR模拟人通常采用具有一定弹性的容器(如塑料膜)来模拟肺部，通过测量容器的体积变化来测量吹气量。一般情况下，容器变形不规则，很难测定准确的体积变化，导致吹气量的测量精度较差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，设计一种易于实现的仿真胸腔结构，给出胸腔结构重要参数的设计方法，使得所发明CPR模拟人在胸外按压下力学特性与人体相似；采用文丘里管测量人工呼吸的吹气流量，设计相应的测量机构，实现吹气流量的准确测量。

本发明通过下述方案予以实现，所述具有仿真胸腔骨骼结构的心肺复苏模拟人包括模拟人肢体模型、测量机构、操作与显示电路系统3部分。

所述模拟人肢体模型由头部和上躯干构成，所述上躯干由仿真胸腔骨架、软组织、外皮、仿真肺构成，所述仿真肺位于软组织与外皮之间，仿真胸腔骨架镶嵌于软组织中；所述仿真胸腔骨架由环形肋骨、胸骨和胸椎组成，胸骨和胸椎分别与头部连接件固定，环形肋骨的底面分别与胸椎固定，环形肋骨的顶面分别与胸骨固定。仿真胸腔骨架采用如65锰等的弹性金属材料制成，提供胸外按压的弹性力。软组织提供胸外按压的适当阻尼。仿真肺部采用PVC材料制成，仿真肺部位于软组织与模拟人外皮之间，人工呼吸时，气体吹入肺部，肺部膨胀，克服外皮的弹性，造成胸廓隆起；吹气后，外皮的弹性使得肺部恢复吹气前形状。

测量机构实现吹气量、按压深度的测量，包括吹气量与按压深度测量机构。吹气量测量机构由文丘里管与压差式压力传感器构成；按压深度测量机构由塑料电位计、转轴、拉线3部分构成。

操作与显示电路主要由单片机及其外围电路构成，实现传感器数据采集、显示等操作。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.与采用弹簧或类似结构的CPR模拟人相比，本发明实现的CPR模拟人的胸廓起伏与真人相似，不存在按压偏离位置所造成的手感失真等问题。

2.具备与人体相似的胸腔骨骼结构，通过有限元计算方法，可为胸外按压提供可控的弹性力。模型结构简单，采用弹性金属材料制作骨架，弹性力可精确地计算出，从而为模型参数的确定提供科学依据，大幅度降低产品开发的成本。

3.能够精确地测量人工呼吸的吹气量，从而为人工呼吸效果的评价提供科学依据。

4.胸腔骨架由金属材料加工，包裹骨架的采用发泡材料，产品生产对模具的要求远比塑料件对模具的要求低，大大降低了模具成本。

附图说明

图1是本发明所指CPR模拟人的整体结构图；

图2是胸腔骨架结构图；

图3是文丘里管结构图；

图4是人工呼吸吹气量测量机构连接图；

图5是操作与显示电路系统原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

图1是本发明所指模拟人的整体结构图。模型头部1，外皮2，软组织3，胸腔骨架4，内部空腔5，肺部6，为便于展示内部结构，图中部分区域为剖面；其中肺部6位于软组织3与外皮2之间，胸腔骨架4镶嵌于软组织3中。

图2是胸腔骨架结构图，胸骨7和胸椎9分别与头部连接件8固定，五根肋骨(第1根肋骨10，第5根肋骨11)均为环形结构，五根肋骨依次排列，五根肋骨的底面分别与胸椎9固定，五根肋骨的顶面分别与胸骨7固定。

图3是文丘里管结构图，文丘里管上部12，第一压差式传感器连接件13，第二压差式连接件14，文丘里管尾部15，文丘里管为圆柱体，该图为剖面图。

图4是人工呼吸吹气量测量机构连接图，与鼻相连的管路16，与口相连的管路17，气管18，文丘里管19，与肺部相连的管路20，肺部6，文丘里管19位于内部空腔5。

图5是操作与显示电路系统原理框图，图中箭头方向代表数据传输的方向。

具有仿真胸腔骨骼结构的心肺复苏模拟人包括模拟人肢体模型、测量机构、操作与显示电路系统3部分。3部分连接关系及各部分内部部件之间关系如下：

1.肢体模型由头部和上躯干构成。模型头部1有口、鼻，口鼻分别与管路16、17相连，通过气管18与上躯干内的肺部6连接。上躯干由仿真胸腔骨架4、软组织3、外皮2、内部空腔5、肺部6四部分构成。骨架4包裹于软组织3内，软组织3内部为空腔5，软组织5最外边有外皮2包裹，肺部6位于外皮2与软组织3之间。

2.测量机构包括吹气量与按压深度测量机构。吹气量测量机构的连接关系为：口、鼻分别与管路16、17连接，管路16、17均连接到气管18，气管18与文丘里管上部12相连，文丘里管尾部15与管路20连接，管路20接到肺部6。

以下就具有仿真胸腔骨骼结构的心肺复苏模拟人各部分的实现方法加以说明。

一、肢体模型

1.“骨架”

肋骨、胸骨采用65Mn弹簧钢材料加工，胸椎采用较厚不易变形的金属板制成，肋骨上部与胸骨固定，底部与胸椎固定。为达到符合胸外按压下仿真骨架的力学性能与人体相似，通过有限元计算方法，设计骨架的几何尺寸与关键参数。在有限元计算软件下，建立骨架的三维模型，施加合理的约束条件，计算不同几何尺寸(肋骨厚度、宽度)下，按压力对应的胸骨位移。将该数据与人体试验获得的数据相比对，确定合适的几何尺寸。

2.软组织

软组织采用聚氨酯现场发泡加工工艺。将加工好的骨架模型放入人形模具内部，再将聚氨酯发泡原料倒入模具进行发泡，形成包裹骨架的软组织。在最内部掏出一定体积的聚氨酯发泡，形成空腔。胸外按压的阻尼与空腔的体积及发泡材料的力学特性相关。调整发泡材料的力学特性可以通过调整聚氨酯发泡原料的配比加以实现，确定合适的阻尼需要进行多次试验。

3.外皮

模型外皮需要具有良好的弹性，为此选择硅胶材料进行加工。肺部位于发泡材料与模拟人外皮之间，人工呼吸时，气体吹入肺部，肺部膨胀，克服外皮的弹性，造成胸廓隆起；吹气后，外皮的弹性使得肺部恢复吹气前形状。

二、测量机构

1.吹气测量机构

吹气测量的原理是采用文丘里管将压差信号转化为流量信号，再通过积分将流量换算为吹气量。

2.按压深度测量

按压深度采用塑料电位计进行测量。具体原理为：塑料电位计转轴的旋转角度变化对应电阻值的变化，通过在转轴上缠绕线绳，将旋转角度的变化对应到线绳的直线位移变化。将线绳一端固定于转轴，另一端固定于第4肋骨与胸骨的连接处，塑料电位计固定于第4肋骨与胸骨连接处正下方的胸椎上。

三、操作与显示电路系统

共有2组模拟量输入(按压深度，人工呼吸吹气量)，可以选择AD公司的AD采样芯片AD7888，共有8个模拟量输入通道，采样频率可达500Kb/s，采用SPI接口，便于通单片机的串行数据通讯。

采用C8051F330构建单片机系统，具备数字I/O能力，可以控制键盘与显示，可以同AD采样芯片建立通讯，获取传感器数据。

Claims (2)

1.一种具有仿真胸腔骨骼结构的心肺复苏模拟人，由头部和上躯干构成，其特征是，所述上躯干由仿真胸腔骨架、软组织、外皮、仿真肺构成，所述仿真肺位于软组织与外皮之间，仿真胸腔骨架镶嵌于软组织中；所述仿真胸腔骨架由环形肋骨、胸骨和胸椎组成，胸骨和胸椎分别与头部连接件固定，环形肋骨的底面分别与胸椎固定，环形肋骨的顶面分别与胸骨固定；所述肋骨、胸骨采用65锰弹簧钢材料制成，胸椎采用不易变形的金属板制成，软组织采用聚氨酯发泡材料制成，外皮采用弹性良好的硅胶材料制成，仿真肺由PVC材料制成；在有限元计算软件下，建立骨架的三维模型，施加合理的约束条件，计算不同肋骨厚度和宽度尺寸条件下，按压力对应的胸骨位移，将该数据与人体试验获得的数据相比对，确定上述各组成部分合适的几何尺寸。

2.根据权利要求1所述的具有仿真胸腔骨骼结构的心肺复苏模拟人，其特征是，还包括吹气量测量机构、按压深度测量机构和数据处理系统，所述吹气量测量机构由文丘里管与压差式压力传感器构成；所述按压深度测量机构由塑料电位计、转轴、拉线构成；数据处理系统由单片机及外围电路构成。

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