CN111281705A - 一种翻身垫及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种翻身垫，包括：固定板；支撑气囊，其固定设置在所述固定板上；一对支撑板，其对称固定设置在所述固定板径向两侧；一对翻身板，其对称设置在所述固定板径向两侧，并与对应所述支撑板铰接；一对主气囊，其分别固定设置在对应所述翻身板上；一对辅气囊，其对称固定设置在所述固定板径向两侧，并分别与其位于异侧的所述主气囊连通；多个排气阀，其分别设置在对应所述主气囊和支撑气囊上；一对驱动机构，其分别设置在对应所述支撑板上，且输出端与对应所述翻身板固定连接；多个充气装置，其分别与所述支撑气囊和所述主气囊连通，用于对所述支撑气囊和所述主气囊进行分别充气。本发明提供一种翻身垫的控制方法。

Description

一种翻身垫及其控制方法

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，更具体的是，本发明涉及一种翻身垫及其控制方法。

背景技术

压疮是长期卧床、年老体弱、昏迷瘫痪和危重患者常见并发症之一。主要是由于局部组织长期受压，血液循环障碍，皮肤持续缺血缺氧营养不良，导致软组织破溃坏死。一旦发生压疮，不仅增加患者痛苦、加重病情、延长病程。

中国发明专利201910183185.7公开一种自动翻身垫，包括翻身垫体、循环水箱以及设置在翻身垫体和循环水箱之间的多个软管，该自动翻身垫，通过水源对患者进行支撑，水源有一定的组织形态，便于患者躺在翻身垫体上，提高患者平躺的舒适度，通过控制不同的排水泵工作，使得翻身垫体形成不同的结构形状，便于进行翻身工作，且整体不需要通过人力进行翻身作业，减轻医护人员的负担。但是该结构是通过控制水量实现患者翻身，当需要减少水量时，需将水排出，并需要容器来盛装，实现整体循环，因此，需要外置水箱，导致整个设备体积较大。并且水是聚集态，趋于流向地势低的地方，如何控制水的组织形态实现翻身呢？

中国实用新型专利201721097194.7公开一种充气翻身垫，其分为左侧气囊和右侧气囊；左侧气囊包括由上至下顺次层叠形成且彼此不连通的左上气囊、左中气囊和左下气囊；右侧气囊包括由上至下顺次层叠形成且彼此不连通的右上气囊、右中气囊和右下气囊，通过对气囊进行充气，实现实现渐进式翻身。但是该结构通过充气泵对气囊进行充气，在使用时通过每层的充放气接口进行充气，协助患者翻身，仍然需要护理人员根据实际情况和躺卧时间控制选择气囊进行充气，费时费力。

发明内容

本发明的一个目的是设计开发了一种翻身垫，能够对主气囊的气压和翻身板的抬起高度进行实时调节，实现患者的实时翻身，省时省力。

本发明的另一个目的是设计开发一种翻身垫的控制方法，能够基于确定性跳跃循环状态CRJ网络确定翻身垫的工作状态，实现患者的实时翻身。

本发明还能精确控制主气囊的气压，实现患者的翻身角度的精确控制。

本发明提供的技术方案为：

一种翻身垫，包括：

固定板，其为长方体板状结构；

支撑气囊，其固定设置在所述固定板上；

一对支撑板，其为长方体板状结构，且对称固定设置在所述固定板径向两侧；

一对翻身板，其为长方体板状结构，且对称设置在所述固定板径向两侧，并与对应所述支撑板铰接；

一对主气囊，其分别固定设置在对应所述翻身板上；

一对辅气囊，其对称固定设置在所述固定板径向两侧，并分别与其位于异侧的所述主气囊连通；

多个排气阀，其分别设置在对应所述主气囊和支撑气囊上，用于排气；

一对驱动机构，其分别设置在对应所述支撑板上，且输出端与对应所述翻身板固定连接，用于驱动所述翻身板绕所述固定板轴向旋转；

多个充气装置，其分别与所述支撑气囊和所述主气囊连通，用于对所述支撑气囊和所述主气囊进行分别充气。

优选的是，还包括：

一对弹性连接布，其对称设置在所述固定板径向两侧，且分别连接位于同侧的对应所述翻身板与所述支撑板的周向未铰接处。

优选的是，所述主气囊的外侧面为凸面，且所述凸面为波浪面；在所述主气囊的外侧面的中部设置有弧面脊柱支撑凸起。

优选的是，所述辅气囊与和其位于异侧的所述主气囊的相对一面为内凹弧面，相背一面为外凸弧面。

优选的是，所述驱动机构为多个气缸，且缸体一端设置在对应所述支撑板内，活塞杆一端与对应所述翻身板固定连接；所述排气阀为电磁排气阀。

优选的是，还包括：

多个气压传感器，其分别设置在所述支撑气囊和所述主气囊内，用于检测气压；

一对角度传感器，其分别设置在所述主气囊外侧面上，用于检测翻转角度；

计时器，其设置在所述固定板上，用于检测对应翻转角度的持续时间；

控制器，其与所述气压传感器、角度传感器、计时器、排气阀、驱动机构和充气装置连接，用于接收所述气压传感器、角度传感器和计时器的检测数据，并控制所述排气阀、驱动机构和充气装置工作。

一种翻身垫的控制方法，在翻身垫工作时，基于确定性跳跃循环状态CRJ网络确定翻身垫的工作状态，具体包括如下步骤：

步骤一、输入患者年龄，卧床年限和体重，并采集上一时刻的翻身角度和对应翻身角度的持续时间；

步骤二、确定三层CRJ神经网络的输入层神经元向量x＝{x₁,x₂,x₃,x₄,x₅}；其中，x₁为患者年龄，x₂为患者卧床年限，x₃为患者体重，x₄为上一时刻的翻身角度，x₅为上一时刻的翻身角度的持续时间；

步骤三、所述输入层向量映射到储备池，储备池的神经元为m个；

步骤四、得到输出层神经元向量o＝{o₁,o₂,o₃,o₄,o₅}；其中，o₁为下一时刻的翻身状态，o₂为下一时刻的翻身角度，o₃为下一时刻的翻身角度的持续时间，o₄为下一时刻的支撑气囊的气压，o₅为下一时刻的主气囊的高度和翻身板抬起高度的比值；

其中，所述输出神经元值

当o₁＝-1时，患者向左侧翻身；当o₁＝+1时，患者向右侧翻身。

优选的是，所述输入层、储备池及所述输出层的激励函数均采用双曲正切函数，其状态方程为：

x(k+1)＝tanh(W_mid·x(k)+W_in·u(k))

式中，W_in为输入权重，W_mid为储备池对输出的权重，其包含循环权重和跳跃权重，W_out为输出权重。

优选的是，根据所述下一时刻的主气囊的高度和翻身板抬起高度的比值确定下一时刻的主气囊的高度为：

其中，h为下一时刻的主气囊的高度，θ为下一时刻的翻身角度，L为支撑板的径向宽度，α为下一时刻的主气囊的高度和翻身板抬起高度的比值。

优选的是，根据所述下一时刻的主气囊的高度确定对应主气囊的气压满足：

其中，P为下一时刻对应主气囊的气压，M为患者体重，M_A为单位体重，P_max为主气囊的最大气压，h_max为主气囊的最大高度，e为自然对数的底数，P_s0为支撑气囊的标准气压，P_s为支撑气囊的实际气压。

本发明所述的有益效果：

(1)本发明设计开发的翻身垫，能够对主气囊的气压和翻身板的抬起高度进行实时调节，实现患者的实时翻身，省时省力。

(2)本发明设计开发的翻身垫的控制方法，能够基于确定性跳跃循环状态CRJ网络确定翻身垫的工作状态，实现患者的实时翻身。本发明还能精确控制主气囊的气压，实现患者的翻身角度的精确控制，省时省力。

附图说明

图1为本发明所述翻身垫的结构示意图。

图2为本发明所述翻身垫的结构示意图。

图3为本发明所述翻身垫的结构示意图。

图4为本发明所述翻身垫的剖视结构示意图。

图5为本发明所述翻身垫的剖视结构示意图。

图6为本发明所述翻身垫的局部剖视结构示意图。

图7为本发明所述CRJ网络结构图。

附图标记说明

110.固定板；111.支撑气囊；120.支撑板；130.翻身板130；140.主气囊；150.辅气囊；141.弧面脊柱支撑凸起；142.波浪面；143.排气阀；160.弹性连接布；170.驱动机构；180.连接管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

本发明可以有许多不同的形式实施，而不应该理解为限于再次阐述的实施例，相反，提供这些实施例，使得本公开将是彻底和完整的。在附图中，为了清晰起见，会夸大结构和区域的尺寸和相对尺寸。

如图1-6所示，本发明提供一种翻身垫，包括：固定板110，其为长方体板状结构，其上固定设置有支撑气囊111。在固定板110径向两侧对称固定设置有一对支撑板120，其为长方体板状结构。在固定板110径向两侧，且位于支撑板120正上方对称设置有一对翻身板130，其为长方体板状结构，且与对应支撑板120铰接，能够绕固定板110轴向旋转。在每个翻身板130上分别固定设置有主气囊140，并在固定板110的径向两侧设置有辅气囊150，其分别与其位于异侧的主气囊140连通，使得其中一个主气囊140充气翻身时，与其位于异侧的辅气囊150也充气，能够对患者的腰部进行抵靠，在患者处于卧位时，实现对患者背部和腰部的双重支撑，不发生滑动。

在每个主气囊140和支撑气囊111上分别设置有排气阀143，且为电磁排气阀，能够电控该排气阀的打开和关闭，进而控制气囊排气。在每个支撑板120上分别设置有多个驱动机构170，优选为气缸，且缸体一端设置在对应支撑板120内，活塞杆一端与对应翻身板130固定连接，通过控制活塞杆的伸长和缩短来控制翻身板130的翻转。进而综合通过翻身板130的翻转以及主气囊140的充气实现对患者的翻身以及翻身角度的调节。本实施例中，每个支撑板上设置有5个气缸。

在外部设置有多个充气装置(图中未示出，其可以固定在床底或者立于一处)，所述的充气装置分别通过连接管180与支撑气囊111和主气囊140连通，用于分别对支撑气囊111和主气囊140进行充气。

在固定板110径向两侧对称设置有一对弹性连接布160，其分别连接位于同侧的对应翻身板130与支撑板120的周向未铰接处。通过弹性连接布160、翻身板130和支撑板120围城密闭结构，且驱动机构170位于密闭结构内，提高美观性和使用安全性。

所述的主气囊140的外侧面为凸面，且该凸面为波浪面142，并且在主气囊140的外侧面的中部设置有弧面脊柱支撑凸起141，在对患者进行背部支撑时，能够更好的配合患者的体型体态，提高使用舒适性。所述的辅气囊150与和其位于异侧的主气囊140的相对一面为内凹弧面，相背一面为外凸弧面。能够很好的配合患者的体型体态，对患者腰部进行支撑，提高舒适性。

本实施例中，还包括：多个气压传感器，其分别设置在支撑气囊和主气囊内，用于检测气压；一对角度传感器，其分别设置在主气囊外侧面上，用于检测翻转角度；计时器，其设置在固定板上，用于检测对应翻转角度的持续时间；控制器，其与气压传感器、角度传感器、计时器、排气阀、驱动机构和充气装置连接，用于接收气压传感器、角度传感器和计时器的检测数据，并控制排气阀、驱动机构和充气装置工作。

本发明设计开发的翻身垫，能够对主气囊的气压和翻身板的抬起高度进行实时调节，实现患者的实时翻身，省时省力。

本发明还提供一种翻身垫的控制方法，在翻身垫工作时，基于确定性跳跃循环状态CRJ网络确定翻身垫的工作状态，具体包括如下步骤：

步骤一、输入患者年龄，卧床年限和体重，并采集上一时刻的翻身角度和对应翻身角度的持续时间；

步骤二、确定三层CRJ神经网络的输入层神经元向量x＝{x₁,x₂,x₃,x₄,x₅}；其中，x₁为患者年龄，x₂为患者卧床年限，x₃为患者体重，x₄为上一时刻的翻身角度，x₅为上一时刻的翻身角度的持续时间；

步骤三、所述输入层向量映射到储备池，储备池的神经元为m个；

步骤四、得到输出层神经元向量o＝{o₁,o₂,o₃,o₄,o₅}；其中，o₁为下一时刻的翻身状态，o₂为下一时刻的翻身角度，o₃为下一时刻的翻身角度的持续时间，o₄为下一时刻的支撑气囊的气压，o₅为下一时刻的主气囊的高度和翻身板抬起高度的比值；

其中，所述输出神经元值

当o₁＝-1时，患者向左侧翻身；当o₁＝+1时，患者向右侧翻身。

其中，所述的储备池的神经元个数为1000个，所述的输入层、储备池及输出层的激励函数均采用双曲正切函数，其状态方程为：

x(k+1)＝tanh(W_mid·x(k)+W_in·u(k))

式中，W_in为输入权重，W_mid为储备池对输出的权重，其包含循环权重和跳跃权重，W_out为输出权重。

作为一种新型的循环神经网络(Recurrent Neural Network,RNN)，确定性跳跃循环状态网络(Certain Recurrent Jump State Network,CRJ)在非线性系统识别方面较传统的神经网络有较大的改进，尤其是在一维时序问题上具有很高的处理能力。其基本构成如图7所示，由输入层、输出层以及一个较大的储备池构成。其中，在储备池中，相连接的神经元节点通过单向的循环边和双向的跳跃边连接。CRJ初始化时所有的权重不是随机的，输入权重、循环权重以及跳跃权重由r_i、r_c、r_j确定。

对于M个输入节点、N个储备池神经元个数、D个输出节点的CRJ状态网络，使用双曲正切函数作为其激活函数，其状态方程为：

x(k+1)＝tanh(W_mid·x(k)+W_in·u(k))

式中，W_in为输入权重，由r_i确定，W_mid为储备池对输出的权重，其包含循环权重和跳跃权重，W_out为输出权重，其由训练的数据决定。当r_i确定时，输入权重W_in有：

式中，|W_ij|＝r_i，W_ij的正负符号可随机生成，亦可根据经验产生。而状态方程中的W_mid相对复杂，循环权重矩阵W_re初始化时有：

式中，W_ij＝1表示第i个神经元与第j个神经元相连，由于是单向连接，W_ji＝0。当r_c确定时，则：

若r_j确定，且跳跃步长L设定好后，由于跳跃连接是双向的，故有：

式中，i＝(1,2,…,K)，k＝(k₁,k₂,…,k_K+1)＝(1,1+L,1+2L,1+3L,…,1+KL)，K＝向下取整

将W_re中的相应权重按上式替换后，新的权重矩阵即为储备池对输出的权重矩阵。

初始化CRJ网络，输入为患者年龄，患者卧床年限，患者体重，上一时刻的翻身角度和上一时刻的翻身角度的持续时间，输出为下一时刻的翻身状态，下一时刻的翻身角度，下一时刻的翻身角度的持续时间，下一时刻的支撑气囊的气压和下一时刻的主气囊的高度和翻身板抬起高度的比值，储备池神经元设为1000，稀疏程度设为4％，输入单元尺度设为1，谱半径r_i＝0.5，此外设r_c＝0.8，r_j＝0.7。利用多组样本数据对CRJ网络进行训练，应用训练后的CRJ网络确定下一时刻的翻身状态，下一时刻的翻身角度，下一时刻的翻身角度的持续时间，下一时刻的支撑气囊的气压和下一时刻的主气囊的高度和翻身板抬起高度的比值。

根据所述下一时刻的主气囊的高度和翻身板抬起高度的比值确定下一时刻的主气囊的高度为：

其中，h为下一时刻的主气囊的高度，θ为下一时刻的翻身角度，L为支撑板的径向宽度，α为下一时刻的主气囊的高度和翻身板抬起高度的比值。

根据所述下一时刻的主气囊的高度确定对应主气囊的气压满足：

其中，P为下一时刻对应主气囊的气压，M为患者体重，M_A为单位体重，P_max为主气囊的最大气压，h_max为主气囊的最大高度，e为自然对数的底数，P_s0为支撑气囊的标准气压，P_s为支撑气囊的实际气压。

下面结合具体的实施例进一步的对本发明提供的翻身垫的控制方法进行说明。

选取10个不同年龄、卧床年限和体重的病患进行试验，某一时刻的试验数据如表1所示。

表1试验数据

采用本发明提供的翻身垫的控制方法确定下一时刻的翻身状态如表2所示。

表2翻身状态

由表1和表2可知，本发明提供的翻身垫的控制方法，能够对主气囊的气压和翻身板的抬起高度进行实时调节，即对翻身角度进行实时调节，实现患者的实时翻身。

本发明设计开发的翻身垫的控制方法，能够基于确定性跳跃循环状态CRJ网络确定翻身垫的工作状态，实现患者的实时翻身。本发明还能精确控制主气囊的气压，实现患者的翻身角度的精确控制，省时省力。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种翻身垫，其特征在于，包括：

固定板，其为长方体板状结构；

支撑气囊，其固定设置在所述固定板上；

一对支撑板，其为长方体板状结构，且对称固定设置在所述固定板径向两侧；

一对翻身板，其为长方体板状结构，且对称设置在所述固定板径向两侧，并与对应所述支撑板铰接；

一对主气囊，其分别固定设置在对应所述翻身板上；

一对辅气囊，其对称固定设置在所述固定板径向两侧，并分别与其位于异侧的所述主气囊连通；

多个排气阀，其分别设置在对应所述主气囊和支撑气囊上，用于排气；

一对驱动机构，其分别设置在对应所述支撑板上，且输出端与对应所述翻身板固定连接，用于驱动所述翻身板绕所述固定板轴向旋转；

多个充气装置，其分别与所述支撑气囊和所述主气囊连通，用于对所述支撑气囊和所述主气囊进行分别充气。

2.如权利要求1所述的翻身垫，其特征在于，还包括：

一对弹性连接布，其对称设置在所述固定板径向两侧，且分别连接位于同侧的对应所述翻身板与所述支撑板的周向未铰接处。

3.如权利要求1或2所述的翻身垫，其特征在于，所述主气囊的外侧面为凸面，且所述凸面为波浪面；在所述主气囊的外侧面的中部设置有弧面脊柱支撑凸起。

4.如权利要求3所述的翻身垫，其特征在于，所述辅气囊与和其位于异侧的所述主气囊的相对一面为内凹弧面，相背一面为外凸弧面。

5.如权利要求1、2或4所述的翻身垫，其特征在于，所述驱动机构为多个气缸，且缸体一端设置在对应所述支撑板内，活塞杆一端与对应所述翻身板固定连接；所述排气阀为电磁排气阀。

6.如权利要求5所述的翻身垫，其特征在于，还包括：

多个气压传感器，其分别设置在所述支撑气囊和所述主气囊内，用于检测气压；

一对角度传感器，其分别设置在所述主气囊外侧面上，用于检测翻转角度；

计时器，其设置在所述固定板上，用于检测对应翻转角度的持续时间；

控制器，其与所述气压传感器、角度传感器、计时器、排气阀、驱动机构和充气装置连接，用于接收所述气压传感器、角度传感器和计时器的检测数据，并控制所述排气阀、驱动机构和充气装置工作。

7.一种翻身垫的控制方法，其特征在于，在翻身垫工作时，基于确定性跳跃循环状态CRJ网络确定翻身垫的工作状态，具体包括如下步骤：

步骤一、输入患者年龄，卧床年限和体重，并采集上一时刻的翻身角度和对应翻身角度的持续时间；

步骤二、确定三层CRJ神经网络的输入层神经元向量x＝{x₁,x₂,x₃,x₄,x₅}；其中，x₁为患者年龄，x₂为患者卧床年限，x₃为患者体重，x₄为上一时刻的翻身角度，x₅为上一时刻的翻身角度的持续时间；

步骤三、所述输入层向量映射到储备池，储备池的神经元为m个；

步骤四、得到输出层神经元向量o＝{o₁,o₂,o₃,o₄,o₅}；其中，o₁为下一时刻的翻身状态，o₂为下一时刻的翻身角度，o₃为下一时刻的翻身角度的持续时间，o₄为下一时刻的支撑气囊的气压，o₅为下一时刻的主气囊的高度和翻身板抬起高度的比值；

其中，所述输出神经元值

当o₁＝-1时，患者向左侧翻身；当o₁＝+1时，患者向右侧翻身。

8.如权利要求7所述的翻身垫的控制方法，其特征在于，所述输入层、储备池及所述输出层的激励函数均采用双曲正切函数，其状态方程为：

x(k+1)＝tanh(W_mid·x(k)+W_in·u(k))

式中，W_in为输入权重，W_mid为储备池对输出的权重，其包含循环权重和跳跃权重，W_out为输出权重。

9.如权利要求7或8所述的翻身垫的控制方法，其特征在于，根据所述下一时刻的主气囊的高度和翻身板抬起高度的比值确定下一时刻的主气囊的高度为：

其中，h为下一时刻的主气囊的高度，θ为下一时刻的翻身角度，L为支撑板的径向宽度，α为下一时刻的主气囊的高度和翻身板抬起高度的比值。

10.如权利要求9所述的翻身垫的控制方法，其特征在于，根据所述下一时刻的主气囊的高度确定对应主气囊的气压满足：

其中，P为下一时刻对应主气囊的气压，M为患者体重，M_A为单位体重，P_max为主气囊的最大气压，h_max为主气囊的最大高度，e为自然对数的底数，P_s0为支撑气囊的标准气压，P_s为支撑气囊的实际气压。

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