CN106128253A - 一种人体骨折模型及其诊断、固定与复位训练模拟系统、方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种人体骨折模型及其诊断、固定与复位训练模拟系统、方法，该模型至少包括骨骼模型、关节连接件、皮肤模型、肌肉模型、血管模型、模拟血液袋和伤口模型；该人体骨折诊断与固定训练模拟系统包括上位机、人体骨折模型和所述人体骨折模型内部设置的检测电路，检测电路由一个主控单元和被其控制的一个或多个传感组件、有线或无线通讯单元及电源组成。与现有技术相比，本发明在同类装置中首次逼真模拟人体四肢皮肤骨骼肌肉系统，长骨常见骨折的体征表现，以及四肢大关节的活动自由度及活动的角度范围；从而为人体四肢长骨骨折的诊断与固定复位训练提供工具，有利于医学学生尽快地掌握骨折的表现、诊断依据及固定复位操作的方法，提高教学效果。

Description

一种人体骨折模型及其诊断、固定与复位训练模拟系统、方法

技术领域

本发明涉及传感器检测及医学教学领域，具体涉及一种用于人体四肢长骨骨折诊断与固定复位训练的仿真模型及训练软件系统。

背景技术

骨折是急救和院内常见疾患，在战争和地震灾害的时候，发病率能达到近30％，对骨折的处理是医学界的重要课题。在现场或院前急救，需要对骨折患者进行固定，在院内，需要对骨折患者进行复位与固定。手法复位是中医骨伤科一项重要的技术，现有的对医护人员进行的骨折固定复位训练基本是通过书本讲解、观看解剖模型、正常人身体上模拟训练、积累对病人处理经验等方式，由于初学者缺乏经验，在正常人身上又无法得到骨折时的处理经验，而通过在病人身上积累经验一方面易对病人造成更多不必要的痛苦，病人不易接受；另一方面对一些不常见的病例难以获得经验。近年来兴起的模拟人技术则有望解决这个问题，通过模拟人对人体解剖结构和病症的模拟，使得受训者能够重复得到接近真实病例的体验，为相关医学技术的培训提供了科学可靠的平台。目前尚未有专门的骨折诊断及固定复位训练模拟人模型产品。

中国发明专利号：98112545.X的“骨折、脱位手法复位模型”，公开了一种用于骨折复位手法模拟训练的模型。它首次用机械、电子技术将人体多处骨折的特征模拟出来，能够进行手法复位练习，并能声光指示手法复位成功与否。该模型的躯干为钢木结构，骨骼为聚氯乙稀硬塑棒，肌肉用黑橡胶带及拉簧制作，扁阔肌用海绵片模拟，皮肤用人造革仿制。模型高160cm、重30kg,可卧可坐。分为开启、固锁、电路、控制四大 系统。该模型的优点是能够进行开启、固锁等控制，并有声光提示是否复位成功。但是该模型也存在一个明显的缺陷就是模型仿真度不高。人体骨折手法复位的第一步即为“手摸心会”，强调通过手的触摸，了解骨折病情，包括骨折的部位、解剖结构的错位程度、旋转移位或缩短移位的情况等，从而形成对骨折部位的立体印象，再研究复位的手法和步骤。而发明98112545.X并未按人体骨骼的解剖外形制作，对骨折涉及到的分离移位、侧方移位、缩短移位、成角移位、旋转移位等，并不能很好地进行模拟，也需要设计较为规则的断面才能顺利完成各项操作，与人体骨折的复杂情况不符，难以获得“手摸心会”的训练效果；该发明检测复位的方法由于有较多的机械结构，本身可能对复位过程造成干扰，使得复位手感不真实。另外，该模型的一个不足之处是它只能简单地用声光提示复位成功与否，对于复位操作过程没有检测与提示，也就不能实时指导与纠正训练动作，训练效果不佳。因而该发明作为诊断和固定复位的训练模型并不合适。

发明内容

为了克服现有结构存在的不足，本发明提出了一种人体骨折模型及其诊断、固定与复位训练模拟系统、方法，高仿真度地用于人体四肢长骨骨折诊断及固定复位训练的模型，诊断与固定训练模拟系统基于人体骨折模型，并且具有配套执行的训练软件系统。

本发明提出了一种人体骨折模型，该模型至少包括骨骼模型、关节连接件、皮肤模型、肌肉模型、血管模型、模拟血液袋以及伤口模型；其中：

骨骼模型，具有人体骨骼所有的解剖外形特征和硬度；关节连接件由模拟关节的机械结构构成，将骨骼模型按照人体关节活动特征连接起来，确保大关节的活动自由度及角度范围与正常人体一致；皮肤模型覆盖于骨折模型的最外层表面；肌肉模型设置在皮肤模型和骨骼模型之间；血管模型设置于肌肉模型中；在该人体骨折模型的特定位置构建伤口模型，伤口模型根据需要制作成两种不同形式，即闭合性骨折伤口模型或开放性骨折伤口模型，于伤口模型中设置骨折断裂模拟结构，该结构中至少包括模拟骨折断面。

本发明还提出了一种人体骨折诊断、固定与复位训练模拟系统，该系统包括上位机、人体骨折模型和所述人体骨折模型内部设置的检测电路，其中：人体骨折模型至少包括骨骼模型、关节连接件、皮肤模型、肌肉模型、血管模型、模拟血液袋以及所构成的伤口模型；其中：骨骼模型，具有人体骨骼所有的解剖外形特征和硬度；关节连接件由金属机械结构构成，将骨骼模型按照人体关节活动特征连接起来，确保大关节的活动自由度及角度范围与正常人体一致；皮肤模型覆盖于骨折模型的最外层表面；肌肉模型设置在皮肤模型和骨骼模型之间；伤口模型结合骨骼模型、关节连接件、皮肤模型和肌肉模型的结构设计出两种模式，即闭合性骨折伤口模型和开放性骨折伤口模型；且于伤口模型中设置骨折断裂处模拟结构，该结构中至少包括两个模拟骨折断面；

检测电路具有主控单元和其控制的至少一个传感组件、有线或无线通讯单元及电源，主控单元通过有线或无线通讯单元与上位机连接，每个传感组件包括两个惯性传感器和一个位移传感器，所述位移传感器由栅格触点式变阻器和触点探针组成，触点探针安装于一个骨折断面的几何中心，栅格触点式变阻器安装于另一骨折断面，两个所述惯性传感器分别设置于所述模拟骨折断面的两端；

主控单元对传感组件检测的信息进行分析，计算出所述骨折断裂模拟结构的断裂骨骼两端的包括相对角度及距离在内的位置关系，通过有线或无线通讯单元发送给上位机，上位机利用软件计算复位操作的动作路径并显示骨折姿态指导固定复位训练；

该系统在人体骨折模型中断裂骨骼完全复位时对上位机软件系统进行初始化校准，通过所述人体骨折模型的检测电路发送骨折部位的相关数据；上位机接收该数据并实时显示一个虚拟的骨骼画面，通过该骨骼画面展示出检测电路检测到的骨骼姿态，给受训者提示骨折部位断裂的骨骼相对位置、角度关系。

本发明再提出了一种人体骨折诊断、固定与复位训练模拟方法，该方法包括以下步骤：

上位机开机、软件启动后，与模型检测电路建立通讯，点击软件界面开始按键，软件开始接收数据；

进行系统初始化：将骨折部位完全复位，软件根据上传的检测数据进行初始化；

通过软件界面选择训练模式或者考核模式，根据相应的模式进行训练或考核；

若选择训练模式：受训者在模型上进行骨折复位操作，在训练模式下通过观看软件界面体会操作的力度、方向、旋转幅度。上位机软件计算复位操作的动作路径并显示骨折姿态；上位机软件根据与正确的动作路径的对比给予受训者指导，提示受训者正确的操作方式；

若选择考核模式，骨折复位操作完成后，软件给出复位效果评估结果。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：在同类装置中首次同时逼真模拟人体四肢皮肤骨骼肌肉系统，长骨常见骨折的体征表现，以及四肢大关节的活动自由度及活动的角度范围；同时，通过智能传感器、检测电路及上位机软件系统对训练动作过程进行全程监测，以虚实结合的方式训练时对受训者的操作进行实时指导，或进行训练操作的考核，从而为人体四肢长骨骨折的诊断与固定复位训练提供工具，有利于医学学生尽快地掌握骨折的表现、诊断依据及固定复位操作的方法，提高教学效果。

附图说明

图1为本发明实施例的四肢长骨骨折(下肢，胫骨干骨折)模型示意图；

图2为本发明实施例的骨折模型检测电路示意图；

图3为是本发明实施例的骨折模型使用流程图；

图4为本发明的实施例骨折模型的完整人体应用模型的结构示意图；

图5为本发明引用的发明专利201510934337.4的实施例的骨折断面成角定义示意图；(a)、骨折模型初始状态；(b)、骨折模型成角移位状态；(c)、骨折模型旋转移位状态；(d)、骨折模型复合移位状态；

图6为本发明引用的发明专利201010263074.6的栅格触点式变阻器和触点探针在骨折骨骼的断面上的安装示意图；

附图标记：1、模拟人躯干，2、模拟人上肢，3、模拟人下肢，4、检测电路；5、上位机，6、仿真骨骼，7、传感组件，8、骨折断面，9、电线，21、电源，22、主控单元，23、有线/无线通讯单元，51、骨折近端；52、骨折远端；53、第一九轴惯性传感器；54、第二九轴惯性传感器；61、导线；62、栅格触点式变阻器；63、触点探针。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

如图1所示，为本发明的一种四肢长骨骨折模型(下肢胫骨干骨折)，包括骨骼模型、关节连接件、皮肤模型、肌肉模型、血管模型、模拟血液袋和伤口模型等部分。其中，骨骼模型是由真人骨骼采用硬质材料(如PVC)翻模制成，具有人体骨骼所有的解剖外形特征和一定的硬度；关节连接件由、具有一定强度材料(如金属)机械结构构成，将骨骼系统按照人体关节活动特征连接起来，确保大关节(包括手、肘、肩关节及踝、膝、髋关节)的活动自由度及角度范围与正常人体一致，同时不破坏骨骼模型的特征解剖标志；皮肤模型由硅胶材料制成，通过调节固化剂的比例调节材料的质地，使得接近人体皮肤的弹性和手感，通过真人肢体硅胶翻模工艺，使得皮肤模型具有和真人高度一致的皮肤纹理和整体外形，对硅胶材料颜色进行适当调整获得人体肤色的仿真皮肤；肌肉模型，在皮肤模型和骨骼模型之间，由发泡海绵材料填充制作成的仿真肌肉，使得仿真模型具有与真人一致的肢体外形尺寸，并有近似人体肌肉的松软度和弹性；且于伤口模型中设置两个骨折断裂处模拟结构，血管模型设置于肌肉模型中，主要用于开放性骨折模型，它位于肌肉模型中，可以与模拟血液袋相连，模拟血液袋内装上模拟血液与血管相连后可模拟伤口出血；伤口模型部分可以根据需要设计成不同的形式，主要有两种，一种是闭合性骨折伤口，即没有皮肤破裂流血，只有肿胀瘀青等外在表现，和内部骨折断裂的情形；另一种是具有开放性的外伤伤口，皮肤破裂，模拟血管露出，接上装满模 拟血的模拟血液袋后伤口可流出模拟的鲜红血液，同时骨骼断裂，甚至暴露在外。伤口模型都根据人体四肢常见骨折进行设计，每个肢体(如左上肢或右下肢)模型模拟一种骨折，可制作出多个骨折模型形成一个系列。皮肤、肌肉、骨骼模型的弹性、手感与真人相似，骨骼模型的解剖结构与真人相同，伤口模型与骨折伤情相像，从而可以用于骨折诊断训练，受训者通过观察伤口外形和用手触及骨骼模型的骨折处，可以感受到骨折的具体伤情，从而做出诊断。

骨折模型的具体形式可以多样，可以制作成包含完整人体的模型(如图4所示)，也可只是四肢之一(如图1所示)，还可以是上半身模型或者下半身模型，但是必须至少具有一条完整的肢体模型(如上肢或下肢)和一处骨折伤口模型，从而可以进行骨折的诊断、固定复位训练。

例如：肱骨干骨折作为常见骨折通常是闭合性骨折，故通常只有骨骼的错位畸形，肌肉肿胀，内出血造成瘀青等外在表现，固定的方式通常是甲板固定，并将前臂一并固定。因而具有完整人体或者上半身的模型是比较适合进行训练的。

如图2所示，骨折模型内部的检测电路4主要由主控单元22和被其控制的至少一个传感组件7、有线或无线通讯单元23及电源21组成。每个传感组件7包括两个惯性传感器和一个位移传感器；主控单元22对传感组件7检测的信息进行分析，计算出所述骨折断裂处模拟结构的骨折部位断裂骨骼(例如骨折断面8)的相对角度及距离等位置关系，再通过有线或无线通讯单元23发送给上位机，上位机5软件根据相关信息实现复位训练等功能。传感器组件相关的设置及骨骼相对位置和角度关系的检测方法参见发明申请号：201510934337.4，《一种骨折复位训练模型角度检测装置及其方法》和发明专利号：201010263074.6，《一种骨折模型复位检测装置及检测方法》。具体的电路组成如图5和图6所示，包括两个惯性传感模块，一个位移传感器。位移传感器可以是图6所示与发明专利201010263074.6相同的方案，也可以选用其它的实施方案，例如，可以在骨折断面两端分别设置一个发光元件和一个或多个感光元件，发光元件位于断面 中央，如果是一个感光元件，则设置在另一断面的中央；如果是多个感光元件，则在断面以一定的对称方式排列。通过对感光元件的电信号变化来判断断面之间的距离(位移)：感光元件与发光元件距离最近且面对面时，电信号最强，距离增大时，电信号减弱。

如图3所示，系统的工作流程如下：上位机开机、软件启动后，与模型检测电路通讯联通，点击软件界面开始按键，软件开始接收数据。首次使用时(或出厂时)，还需要进行初始化，即将骨折部位完全复位，让骨骼如同没有经历骨折时，软件根据上传的检测数据进行初始化，此时软件界面的骨骼是完全复位的。软件界面可以选择训练模式或者考核模式，选择完后，就可以根据相应的模式进行训练或考核。两种模式的主要区别是，训练模式在操作过程中实时显示骨骼的画面(最好是三维的)，提示断裂骨骼的相对位置关系，到结束时还可以提示整个过程的动作路径并给出操作建议；而考核模式在操作过程中不给出实时的画面，只在结束时给出操作的评分及改进建议。模式选择好了之后正式开始训练操作，受训者在模型上进行骨折复位操作，可以在训练模式下通过观看软件界面体会操作的力度、方向、旋转幅度等等，软件也可计算复位操作的动作路径并显示骨折姿态；根据与正确的动作路径的对比给予受训者指导，提示受训者正确的操作方式；也可在考核模式下，自己体会并完成复位操作。操作完成后软件给出选择的模式对应的结果。两种模式都可在训练过程完成之后，可对复位效果进行评估，按临床的标准给出等级评价，并能够对整个过程的骨骼位置变化的动态过程进行视频重现，并指出操作过程中的错误，指导受训者改进操作手法。

在复位训练时，可以从软件界面上看到四肢骨骼的虚拟现实画面，实时展示断裂处的骨骼相对位置和角度关系，受训者可以对照虚拟现实画面来实时修正训练动作，也可以在不观看虚拟现实画面的情况下完成复位操作，再回看操作过程的回放视频，根据软件提示操作的错误之处修正自己的操作步骤。此外，软件还可以设置训练及考核模式，以满足训练和考核中不同的需求。

使用时，就将模型当作受伤病患，可进行视、触等诊断操作，特别是触摸骨骼的位置、表面特征等了解骨骼断裂等情况的存在，从而进行初步的骨折诊断，进一步可以判断骨折的部位、类型、严重程度、需要进行的处理等。完成诊断后，可进一步利用模型进行包扎固定操作，固定可采用甲板固定甚至树枝等其他工具固定，确保固定位置超过骨折两端关节，使得骨折位置不再发生骨骼严重错位移动等情况，引起二次损伤。有条件进行手法复位的骨折，还可在本模型上练习手法复位的步骤，尽可能避免损伤神经、血管、肌肉并使得断裂骨骼基本恢复到解剖位置关系，熟练掌握复位技巧。

Claims (9)

1.一种人体骨折模型，其特征在于，该模型至少包括骨骼模型、关节连接件、皮肤模型、肌肉模型、血管模型、模拟血液袋以及伤口模型；其中：

骨骼模型，具有人体骨骼所有的解剖外形特征和硬度；关节连接件由模拟关节的机械结构构成，将骨骼模型按照人体关节活动特征连接起来，确保大关节的活动自由度及角度范围与正常人体一致；皮肤模型覆盖于骨折模型的最外层表面；肌肉模型设置在皮肤模型和骨骼模型之间；血管模型设置于肌肉模型中；在该人体骨折模型的特定位置构建伤口模型，伤口模型根据需要制作成两种不同形式，即闭合性骨折伤口模型或开放性骨折伤口模型，于伤口模型中设置骨折断裂模拟结构，该结构中至少包括模拟骨折断面。

2.如权利要求1所述的人体骨折模型，其特征在于，所述人体骨折模型构成多种骨折模型形式，即至少包括完整人体骨折模型形式、四肢骨折模型形式、上半身骨折模型形式或者下半身骨折模型形式，且各种形式都至少具有一条肢体模型，模型上至少有一处骨折伤口模型，以满足骨折诊断、固定复位训练的进行。

3.如权利要求1所述的一种人体骨折模型，其特征在于，在所述骨折模型形式上，伤口模型也模拟不同的伤口形式，从而形成一个骨折模型系列。

4.一种人体骨折诊断、固定与复位训练模拟系统，其特征在于，该系统包括上位机、人体骨折模型和所述人体骨折模型内部设置的检测电路，其中：人体骨折模型至少包括骨骼模型、关节连接件、皮肤模型、肌肉模型、血管模型、模拟血液袋以及所构成的伤口模型；其中：骨骼模型，具有人体骨骼所有的解剖外形特征和硬度；关节连接件由金属机械结构构成，将骨骼模型按照人体关节活动特征连接起来，确保大关节的活动自由度及角度范围与正常人体一致；皮肤模型覆盖于骨折模型的最外层表面；肌肉模型设置在皮肤模型和骨骼模型之间；伤口模型结合骨骼模型、关节连接件、皮肤模型和肌肉模型的结构设计出两种模式，即闭合性骨折伤口模型和开放性骨折伤口模型；且于伤口模型中设置骨折断裂处模拟结构，该结构中至少包括两个模拟骨折断面；

检测电路具有主控单元和其控制的至少一个传感组件、有线或无线通讯单元及电源，主控单元通过有线或无线通讯单元与上位机连接，每个传感组件包括两个惯性传感器和一个位移传感器，构成位移传感器的两个部分分别安装在骨折模型断面两端，两个所述惯性传感器分别设置于所述模拟骨折断面的两端；

主控单元对传感组件检测的信息进行分析，计算出所述骨折断裂模拟结构的断裂骨骼两端的包括相对角度及距离在内的位置关系，通过有线或无线通讯单元发送给上位机，上位机利用软件计算复位操作的动作路径并显示骨折姿态指导固定复位训练；

该系统在人体骨折模型中断裂骨骼完全复位时对上位机软件系统进行初始化校准，通过所述人体骨折模型的检测电路发送骨折部位的相关数据；上位机接收该数据并实时显示一个虚拟的骨骼画面，通过该骨骼画面展示出检测电路检测到的骨骼姿态，给受训者提示骨折部位断裂的骨骼相对位置、角度关系。

5.如权利要求4所述的人体骨折诊断与固定训练模拟系统，其特征在于，所述上位机利用软件计算复位操作的动作路径并显示骨折姿态，根据与正确的动作路径的对比给予受训者指导，提示受训者正确的操作方式。

6.如权利要求4所述的人体骨折诊断、固定与复位训练模拟系统，其特征在于，所述上位机利用软件在训练过程完成之后，对复位效果进行评估，按临床的标准给出等级评价，并能够对整个过程的骨骼位置变化的动态过程进行视频重现，并指出操作过程中的错误，指导受训者改进操作手法。

7.一种人体骨折诊断、固定与复位训练模拟方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

上位机开机、软件启动后，与模型检测电路建立通讯，点击软件界面开始按键，软件开始接收数据；

进行系统初始化：将骨折部位完全复位，软件根据上传的检测数据进行初始化；

通过软件界面选择训练模式或者考核模式，根据相应的模式进行训练或考核；

若选择训练模式：受训者在模型上进行骨折复位操作，在训练模式下通过观看软件界面体会操作的力度、方向、旋转幅度。上位机软件计算复位操作的动作路径并显示骨折姿态；上位机软件根据与正确的动作路径的对比给予受训者指导，提示受训者正确的操作方式；

若选择考核模式，骨折复位操作完成后，软件给出复位效果评估结果。

8.如权利要求7所述的一种人体骨折诊断、固定与复位训练模拟方法，其特征在于，该方法还包括在所述训练操作完成之后，还包括对复位效果进行评估的步骤。

9.如权利要求7所述的一种人体骨折诊断、固定与复位训练模拟方法，其特征在于，该方法还包括对整个过程的骨骼位置变化的动态过程进行视频重现，并指出操作过程中的错误，指导受训者改进操作手法的步骤。