CN104464475A - 一种医用模拟呼吸系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种医用模拟呼吸系统，通过驱动电机驱动凸轮机构的运转带动上基座逐步上移与下落模拟呼吸运动，通过上基座的移动同时带动弹性部件的拉伸，从而带动肿瘤模型的运动，模拟肿瘤的运动状态，通过弹性部件的作用，使得肿瘤模型在随上基座移动的过程中存在一个滞后量，符合人体呼吸时肿瘤的移动变化规律，形象直观地再现了呼吸引起的胸壁和体内肿瘤的关联运动，可有效应用到实际的医疗技术研究中。且该系统结构简单直观，操作方便，有效降低实验成本，在科学研究领域和医疗技术领域具有很高的应用价值。

Description

一种医用模拟呼吸系统

技术领域

本发明属于医疗设备技术领域，具体涉及一种医用模拟呼吸系统。

背景技术

近年来肿瘤的发病率不断上升，尤以肺部肿瘤较为常见，它时时刻刻都在影响着人们的生活。但是目前的医疗技术还没有达到理想的标准，无法安全有效的治愈肿瘤疾病。

目前，治疗肿瘤的方法有多种，一般以放射治疗为主，放射治疗技术作为一种特殊的治疗方法，需要一个精确的三维立体定向框架，精确的确定治疗过程中肿瘤的位置，但是由于呼吸运动使肿瘤的精准定位和精准放射治疗成为难题。由于呼吸运动，在放射治疗过程中就会很容易使周围正常的组织和器官受到辐射。为了提高治疗的准确性，需要采取适当的措施对肿瘤的运动变化进行补偿，因此需要一种能够模拟人体呼吸的系统作为研究体表运动和肿瘤运动相关性的平台，来确定肿瘤的运动变化规律，从而提高治疗的准确性。

现有技术中虽然有一些相关呼吸运动的模型，但是大部分呼吸模拟器主要是功能上的模拟器，配合呼吸机工作的。比如Ue等人曾使用物理模型进行呼吸运动校正仿真，物理模型模型被放置在一个手推车上，人工控制沿着z轴的进行前后运动，来模拟PET在图像数据采集过程中肺部呼吸运动。但是这种物理模型方法需要人为操作的干预进行仿真，在实际使用中可靠性不高，也不是很方便。Qiao和Fitzpatrick等人的研究工作中曾应用过机械体模。这种机械体模虽然能够仿真不规则呼吸运动的刚性运动，但是其结果仍然是有局限性的，因为在这种仿真中只实现了对一维非变形运动的模拟。另外，这种技术所需的花费较高也是它的缺点之一。还有一些模型虽然能够模拟呼吸运动但是只有呼吸运动的模拟，并没有涉及到肿瘤运动的模拟，而治疗过程中呼吸运动与肿瘤的运动是密切相关的，因此有必要设计出一种更符合实际情况的模型，应用到医疗技术领域中去。

与本发明相似的一款产品是动态解剖呼吸的人体模型，该模型与本发明的区别，本发明相对该模型的优势，该模型是基于奥尔德森放射治疗(ART)的动态呼吸体模(TBP)。其软组织材料中的呼吸系统是细化为ART幻影相同的弹性材料，弹性肺部有现实的呼吸密度。呼吸系统的人体模型是一个复杂的塑料仿真人形躯干包括肺，胸腔/胸壁骨，皮肤和子真皮，并且包含在肺部独立移动的肿瘤。通过应用编程实现增加和减少空气压力，从而实现假体肺填补空气复制人体肺功能。通过编程可以实现1厘米多的扩胸运动。随着肺部的膨胀和收缩，模拟胸腔骨骼前部的运动和外侧皮肤表面的变化。通过独立编程的应用程序驱动气动执行器运动，从而实现一个肺部的目标运动。模型的材料和组合物被设计成是一个人的胸廓的物理形式和对放射线图像属性的仿真。呼吸相控的呼吸CT检查表明，它可以模拟人的胸部运动。但是该模型中肿瘤一般是独立运动的，与人体的呼吸运动不存在相关性。

因此，鉴于以上问题，有必要提出一种新型的医用模拟呼吸系统，简化模拟系统的结构，精确肿瘤的位置，提高系统的可靠性，能够模拟人体呼吸时胸腔和肺部肿瘤的运动变化，实现两者的运动的相关性，操作方便，有效降低实验成本。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种医用模拟呼吸系统，有效简化了模拟系统的结构，同时可精确肿瘤的位置，提高系统的可靠性，能够模拟人体呼吸时胸腔和肺部肿瘤的运动变化，实现两者的运动的相关性，操作方便，有效降低实验成本，在科学研究领域和医疗技术领域具有很高的应用价值。

根据本发明的目的提出的一种医用模拟呼吸系统，包括分别代表胸部与背部的上基座与下基座，所述上下基座相互拼接配合，所述系统内部设置有肿瘤模型，所述肿瘤模型两端分别通过弹性部件连接上、下基座，所述系统内部还设置有驱动装置，所述驱动装置固定于所述下基座上并运转推动上基座上下移动模拟呼吸运动，弹性部件随上基座的上下移动产生伸缩变换，从而带动肿瘤模型随上基座运行。

优选的，所述驱动装置包括驱动电机与凸轮机构，所述上基座上固定设置有连接部件，所述凸轮机构与所述连接部件配合运转，通过凸轮机构的转动带动连接部件逐步上移与下落。

优选的，所述凸轮机构包括椭圆盘，所述连接部件一端设置有滚珠，所述滚珠与所述椭圆盘相接触，并随椭圆盘的转动驱动连接部件上下移动。

优选的，所述驱动电机的输出端设置有进行动力传递及转速调整的传动机构，所述凸轮机构固定于所述传动机构的输出轴上，随输出轴同步运转。

优选的，所述传动机构为带传动或链传动或齿轮传动。

优选的，所述下基座上固定设置有支架，所述传动机构的输出轴转动固定于所述支架上。

优选的，所述连接部件与所述输出轴垂直设置，所述支架上连接有直角架，所述直角架一端固定于所述支架上，另一端固定所述连接部件。

优选的，所述连接部件与所述输出轴垂直设置，所述支架上连接有直角架，所述直角架一端固定于所述支架上，另一端上开设有导向孔，所述连接部件穿过所述导向孔与所述上基座固定，实现连接部件移动导向。

优选的，所述弹性部件为弹簧，所述肿瘤模型连接固定于两弹簧之间。

优选的，所述上基座与所述下基座相互啮合。

与现有技术相比，本发明公开的医用模拟呼吸系统的优点是：

通过驱动电机驱动凸轮机构的运转带动上基座逐步上移与下落模拟呼吸运动，通过上基座的移动同时带动弹性部件的拉伸，从而带动肿瘤模型的运动，模拟肿瘤的运动状态，通过弹性部件的作用，使得肿瘤模型在随上基座移动的过程中存在一个滞后量，符合人体呼吸时肿瘤的移动变化规律，形象直观地再现了呼吸引起的胸壁和体内肿瘤的关联运动，可有效应用到实际的医疗技术研究中。

本发明结构简单直观，零部件使用少，有效简化了模拟系统的结构，同时可精确肿瘤的位置，提高系统的可靠性，且操作方便，有效降低实验成本，在科学研究领域和医疗技术领域具有很高的应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为医用模拟呼吸系统的主视图。

图2为医用模拟呼吸系统的俯视图。

图3为医用模拟呼吸系统内部结构图。

图4为驱动装置的结构示意图1。

图5为驱动装置的结构示意图2。

图6为医用模拟呼吸系统的分解图。

图中的数字或字母所代表的相应部件的名称：

1、上基座2、下基座3、驱动装置4、弹簧5、肿瘤模型6、支架7、直角架8、底座9、指示灯

31、驱动电机32、小带轮33、大带轮34、传送带35、输出轴36、圆盘37、椭圆盘38、连接部件39、滚珠40、支撑块

具体实施方式

现有技术中虽然有一些相关呼吸运动的模型，但是大部分呼吸模拟器主要是功能上的模拟器，配合呼吸机工作的，这种物理模型方法需要人为操作的干预进行仿真，在实际使用中可靠性不高，也不是很方便。还有一种机械体模虽然能够仿真不规则呼吸运动的刚性运动，但是其结果仍然是有局限性的，因为在这种仿真中只实现了对一维非变形运动的模拟，且这种技术所需的花费较高。还有一些模型虽然能够模拟呼吸运动但无法体现呼吸运动与肿瘤的运动是密切相关性。

本发明针对现有技术中的不足，提供了一种医用模拟呼吸系统，有效简化了模拟系统的结构，同时可精确肿瘤的位置，提高系统的可靠性，能够模拟人体呼吸时胸腔和肺部肿瘤的运动变化，实现两者的运动的相关性，操作方便，有效降低实验成本，在科学研究领域和医疗技术领域具有很高的应用价值。

下面将通过具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

请一并参见图1与图6，如图所示，一种医用模拟呼吸系统，包括分别代表胸部与背部的上基座1与下基座2，上下基座相互拼接配合，系统内部设置有肿瘤模型5，肿瘤模型5两端分别通过弹性部件连接上、下基座，其中弹性部件可为弹簧4，肿瘤模型5固定连接于两弹簧之间。其中上基座与下基座为相互啮合。

系统内部还设置有驱动装置，驱动装置固定于下基座2上并运转推动上基座1上下移动模拟呼吸运动，弹簧随上基座的上下移动产生伸缩变换，从而带动肿瘤模型随上基座运行。由于在人体呼吸的过程中，肺部肿瘤运动相对呼吸运动存在一定的滞后性，因此通过设置弹簧来固定肿瘤模型，实现呼吸运动与肿瘤运动的密切相关。

驱动装置3包括驱动电机31与凸轮机构，驱动电机31通过底座8固定于下基座上，上基座1上固定设置有连接部件，凸轮机构与连接部件配合运转，通过凸轮机构的转动带动连接部件逐步上移与下落。

驱动电机31的输出端设置有进行动力传递及转速调整的传动机构，凸轮机构固定于传动机构的输出轴35上，随输出轴35同步运转。其中，下基座上还固定设置有支撑块40，支撑块40用以支撑输出轴，提高输出轴的强度，保证驱动装置运转时的稳定性。

传动机构包括小带轮32、大带轮33以及传送带34，驱动电机带动小带轮32转动，通过传送带将动力传递给大带轮33，在实现动力传递的同时也对输出转速进行调整。其中，传动机构除采用带传动方式外，还可采用链传动或齿轮传动等，具体不做限制。

凸轮机构包括椭圆盘37，连接部件38一端设置有滚珠39，滚珠39与椭圆盘37相接触，并随椭圆盘的转动驱动连接部件上下移动。通过设置椭圆盘与滚珠配合作用，形象的模拟人体呼吸运动。其中椭圆盘的长半轴及短半轴的尺寸可根据实验需要而调整，具体参数值不做限制。

下基座2上固定设置有支架6，传动机构的输出轴35转动固定于支架6上。通过支架6对驱动装置进行定位，实现传动时的机构的稳定性。

连接部件38与输出轴35垂直设置，支架6上连接有直角架7，直角架7一端固定于支架6上，另一端固定连接部件38。实现对连接部件的有效支撑。椭圆盘转动时可驱动连接部件同步移动并推动上基座上下移动。

其中连接部件可固定于上基座中部位置或是为对称设置的若干个，这样在实验过程中，可保证上基座整体同步上下移动，保证模拟系统的有效性。

此外，驱动装置还可为气动驱动或液压驱动或丝杠螺母副驱动等方式，具体可根据使用需要而定，在此不做限制。

上基座上还设置有指示灯9，指示灯9为三个且成直线分布，表示胸腔运动的状态。指示灯的数量可以若干个，在此不做限制。

本发明涉及的模拟呼吸系统可以通过无线连接笔记本电脑，进行操作软件控制，可以设置各种线性和非线性肺模型，工作中能够实时改变模型的参数，能够按设定保存所有数据，利用软件可方便的对数据进行分析。在本发明实施例中，从临床记录的病人呼吸数据得到控制信号，通过驱动电机和弹簧实现模拟胸腹和肿瘤运动，使得呼吸模拟系统再现病人的呼吸运动轨迹。

本发明的工作原理如下：

驱动电机31启动，驱动小带轮32运转，小带轮32运转带动传送带34运转，继而驱动大带轮33的运转，由于大带轮33和圆盘36以及椭圆盘37固定于输出轴35上，所以大带轮运转的同时可以带动圆盘和椭圆盘运转，由于椭圆盘的特殊形状，当椭圆盘运转时可以驱使滚珠39滚动及上下运动，滚珠固定在连接部件38上，连接部件可驱动上基座上下运动，上基座的上下运动即为人体呼气和吸气时腹部的变化状态。整个运动过程就模拟出了胸腔的运动。两个弹簧4分别固定在两个基座上，当上基座上下运动时，两个弹簧被拉伸，同时带动肿瘤模型5的上下运动，即模拟出人体呼吸时肺部肿瘤的运动过程。这种模拟呼吸系统不仅模拟了呼吸时胸腔腹的运动，也模拟了肿瘤的运动，并体现出了胸腹运动与肿瘤运动的相关性，更符合实际人体呼吸运动，而且结构简单，成本低廉，在科学研究和医疗技术中具有很高的应用价值。

实施例2

其余与实施例1相同，不同之处在于，连接部件38与输出轴垂直设置，支架6上连接有直角架，直角架一端固定于支架上，另一端上可开设导向孔，连接部件穿过导向孔与上基座固定，通过直角架实现对连接部件的移动导向，同时提高机构的稳定性。

本发明公开了一种医用模拟呼吸系统，通过驱动电机驱动凸轮机构的运转带动上基座逐步上移与下落模拟呼吸运动，通过上基座的移动同时带动弹性部件的拉伸，从而带动肿瘤模型的运动，模拟肿瘤的运动状态，通过弹性部件的作用，使得肿瘤模型在随上基座移动的过程中存在一个滞后量，符合人体呼吸时肿瘤的移动变化规律，形象直观地再现了呼吸引起的胸壁和体内肿瘤的关联运动，可有效应用到实际的医疗技术研究中。

本发明结构简单直观，零部件使用少，有效简化了模拟系统的结构，同时可精确肿瘤的位置，提高系统的可靠性，且操作方便，有效降低实验成本，在科学研究领域和医疗技术领域具有很高的应用价值。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种医用模拟呼吸系统，其特征在于，包括分别代表胸部与背部的上基座与下基座，所述上下基座相互拼接配合，所述系统内部设置有肿瘤模型，所述肿瘤模型两端分别通过弹性部件连接上、下基座，所述系统内部还设置有驱动装置，所述驱动装置固定于所述下基座上并运转推动上基座上下移动模拟呼吸运动，弹性部件随上基座的上下移动产生伸缩变换，从而带动肿瘤模型随上基座运行。

2.如权利要求1所述的医用模拟呼吸系统，其特征在于，所述驱动装置包括驱动电机与凸轮机构，所述上基座上固定设置有连接部件，所述凸轮机构与所述连接部件配合运转，通过凸轮机构的转动带动连接部件逐步上移与下落。

3.如权利要求2所述的医用模拟呼吸系统，其特征在于，所述凸轮机构包括椭圆盘，所述连接部件一端设置有滚珠，所述滚珠与所述椭圆盘相接触，并随椭圆盘的转动驱动连接部件上下移动。

4.如权利要求2所述的医用模拟呼吸系统，其特征在于，所述驱动电机的输出端设置有进行动力传递及转速调整的传动机构，所述凸轮机构固定于所述传动机构的输出轴上，随输出轴同步运转。

5.如权利要求4所述的医用模拟呼吸系统，其特征在于，所述传动机构为带传动或链传动或齿轮传动。

6.如权利要求4所述的医用模拟呼吸系统，其特征在于，所述下基座上固定设置有支架，所述传动机构的输出轴转动固定于所述支架上。

7.如权利要求6所述的医用模拟呼吸系统，其特征在于，所述连接部件与所述输出轴垂直设置，所述支架上连接有直角架，所述直角架一端固定于所述支架上，另一端固定所述连接部件。

8.如权利要求6所述的医用模拟呼吸系统，其特征在于，所述连接部件与所述输出轴垂直设置，所述支架上连接有直角架，所述直角架一端固定于所述支架上，另一端上开设有导向孔，所述连接部件穿过所述导向孔与所述上基座固定，实现连接部件移动导向。

9.如权利要求1所述的医用模拟呼吸系统，其特征在于，所述弹性部件为弹簧，所述肿瘤模型连接固定于两弹簧之间。

10.如权利要求1所述的医用模拟呼吸系统，其特征在于，所述上基座与所述下基座相互啮合。