CN111366280A - 基于医用仿真软腿建立的压力分布测量方法 - Google Patents

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陈郁
孙光武
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Abstract

本发明涉及人体仿真技术领域，涉及一种基于医用仿真软腿建立的压力分布测量方法。医用仿真软腿便具有和人腿相同的结构与尺寸，仿真软腿具有弹性触感，在膝关节和踝关节处也可进行运动以及能在任意位置悬停，与实际人腿结构相近，所获得的压力分布变化值与人体腿部测量的压力分布变化值接近，实验过程都变得简单，实验结果也更为精确，同时对于测量人体腿部压力分布实验具有更好的效果，得到的压力分布值精确值也大于比等比例仿真木腿的压力分布值，具有广泛的应用前景。

Description

基于医用仿真软腿建立的压力分布测量方法
技术领域
本发明涉及人体仿真技术领域，涉及一种基于医用仿真软腿建立的压力分布测量方法。
背景技术
目前随着科技的进步，人体仿真技术在测量、计算等方面显示出了明显的优势。在这种情况下，原来用于人体腿部的测试的等比例仿真木腿便显出一定的缺点，例如整个腿部是硬化的，不可弯曲的，忽视了腿部运动姿势的不同可能会引起压力值大小的变化趋势，这样在进行实验时，其造成的微量尺寸变化和人体腿部不同姿势变化的影响因素都未能考虑进去，使得实验的误差较大。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种具有弹性触感，在膝关节和踝关节处也可进行运动以及能在任意位置悬停，获得的压力分布变化值与人体腿部测量的压力分布变化值接近的基于医用仿真软腿建立的压力分布测量方法。
为了解决上述技术问题，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于医用仿真软腿建立的压力分布测量方法，具体步骤包括：
获取标椎人体的腿部数据，以此构建仿真软腿的三维实体模型；
仿真软腿的三维实体模型，即仿真软腿主要由皮肤以及骨骼组成，并且定义仿真软腿部的皮肤以及骨骼为各向同性均匀的线弹性材料，其中，仿真软腿中皮肤的厚度1.5-2.5cm，硬度为0A，具有300％伸长率；骨骼分为脚骨、胫骨以及腿骨，腿骨与胫骨之间铰接，胫骨与脚骨之间万向连接，且令仿真软腿膝关节以及踝关节能在任意位置悬停；
将压力袜在竖直状态的仿真软腿上，获得在仿真软腿上的6个点测试的压力值，再将仿真软腿膝关节以及踝关节悬停至多个位置，并获得每个悬停位置的6个点测试的压力值，对仿真软腿在竖直状态以及每个悬停位置获得的压力值取平均值，以此获得仿真软腿的压力分布情况。
优选的，仿真软腿上的6个测试点分别为大腿根部、大腿中部、膝盖、小腿肚、小腿中下部以及脚踝。
优选的，仿真软腿上的6个测试点分别为大腿根部、大腿中部、胫骨出隆处、小腿轴承最大处、跟腱与小腿肌转变处以及踝部周长最细处。
优选的，标椎人体的腿部各部位周长为大腿根部54.5cm、大腿中部49cm、胫骨出隆处35.8cm、小腿轴承最大处37.5cm、跟腱与小腿肌转变处30cm以及踝部周长最细处24cm。
优选的，在胫骨顶部设置胫骨平台，在胫骨平台上设置支撑柱，腿骨内嵌设有腿骨的固定杆，固定杆一端通过膝关节阻尼器与支撑柱连接，膝关节运动符合人体实际的关节运动的方向及角度往复运动。
优选的，胫骨内嵌设有支撑杆，支撑杆一端设置有万向球阀，脚骨上设置踝关节阻尼器，将万向球阀在踝关节阻尼器上，万向球阀在踝关节阻尼器上运动以此完成踝关节的万向运动。
本发明的有益效果：
医用仿真软腿便具有和人腿相同的结构与尺寸，仿真软腿具有弹性触感，在膝关节和踝关节处也可进行运动以及能在任意位置悬停，与实际人腿结构相近，所获得的压力分布变化值与人体腿部测量的压力分布变化值接近，实验过程都变得简单，实验结果也更为精确，同时对于测量人体腿部压力分布实验具有更好的效果，得到的压力分布值精确值也大于比等比例仿真木腿的压力分布值，具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明的6个测试点分布图。
图2是本发明的膝关节结构示意图。
图3是本发明的踝关节结构示意图。
图4是本发明的仿真软腿示意图。
图5是本发明的穿着压力袜与未穿压力袜的仿真软腿对比图。
图6是本发明的穿着压力袜与未穿压力袜的仿真软腿的小腿中部横截面对比图。
图7是本发明的仿真软腿与木腿在穿着压力袜在不同部位的压力值对比图。
图8是本发明的仿真软腿、木腿以及人腿压力对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
参照图1所示，一种基于医用仿真软腿建立的压力分布测量方法，具体步骤包括：
获取标椎人体的腿部数据，以此构建仿真软腿的三维实体模型；
仿真软腿的三维实体模型，即仿真软腿主要由皮肤以及骨骼组成，并且定义仿真软腿部的皮肤以及骨骼为各向同性均匀的线弹性材料，其中，仿真软腿中皮肤的厚度1.5-2.5cm，硬度为0A，具有300％伸长率；骨骼分为脚骨、胫骨以及腿骨，腿骨与胫骨之间铰接，胫骨与脚骨之间万向连接，且令仿真软腿膝关节以及踝关节能在任意位置悬停；
将压力袜在竖直状态的仿真软腿上，获得在仿真软腿上的6个点测试的压力值，再将仿真软腿膝关节以及踝关节悬停至多个位置，并获得每个悬停位置的6个点测试的压力值，对仿真软腿在竖直状态以及每个悬停位置获得的压力值取平均值，以此获得仿真软腿的压力分布情况。
医用仿真软腿便具有和人腿相同的结构与尺寸，仿真软腿具有弹性触感，在膝关节和踝关节处也可进行运动以及能在任意位置悬停，与实际人腿结构相近，所获得的压力分布变化值与人体腿部测量的压力分布变化值接近，实验过程都变得简单，实验结果也更为精确，同时对于测量人体腿部压力分布实验具有更好的效果，得到的压力分布值精确值也大于比等比例仿真木腿的压力分布值，具有广泛的应用前景。
仿真软腿在考虑到如果采用人体真腿进行实验，需要大量的实验者进行实验，同时真人实验对象的体型也会随时间发生一定的变化，这无疑是给实验增加了难度。医用仿真软腿可以近似代替人体真腿，我们就减少了寻找大量实验者这一个工序，也不需要考虑不同实验者自身所需要考虑的差异。将整个实验过程都变得简单，实验结果也更为精确。
仿真软腿上的6个测试点分别为大腿根部、大腿中部、膝盖、小腿肚、小腿中下部以及脚踝。
仿真软腿上的6个测试点分别为大腿根部F、大腿中部E、胫骨出隆处D、小腿轴承最大处C、跟腱与小腿肌转变处B’以及踝部周长最细处B。
标椎人体的腿部各部位周长为大腿根部54.5cm、大腿中部49cm、胫骨出隆处35.8cm、小腿轴承最大处37.5cm、跟腱与小腿肌转变处30cm以及踝部周长最细处24cm。
在胫骨顶部设置胫骨平台1，在胫骨平台上设置支撑柱11，腿骨2内嵌设有腿骨的固定杆12，固定杆一端通过膝关节阻尼器13与支撑柱连接，膝关节运动符合人体实际的关节运动的方向及角度往复运动。
胫骨3内嵌设有支撑杆，支撑杆一端设置有万向球阀31，脚骨33上设置踝关节阻尼器32，将万向球阀在踝关节阻尼器上，万向球阀在踝关节阻尼器上运动以此完成踝关节的万向运动。
通过仿真假腿内部的运动机构可以令腿部两个关节处进行活动，膝关节可以从自然站立(180℃)到自然坐立状态(90℃)之间进行活动，模拟多个角度所造成的压力分布值大小。踝关节所采用的是球形阻尼器，可以进行360℃进行旋转。医用软腿代替了原有的等比例硬木腿，将人体的皮肤弹性及弯曲情况也考虑进去，有效减少实验误差。
本发明中的仿真软腿在穿着上不同压力等级的压力袜后产生了一定的形变量，如图5所示，在Geomagic Control X显示出未穿压力袜的仿真腿与穿了二级M号压力袜的仿真腿在三维空间中的比较，不同的颜色代表在该处两条腿的形变量越偏红色代表形变量越大。
图6所示未穿与穿着压力的仿真腿在小腿中部横截面的形状变化，形变量最大处达到2.33毫米。
如图7所示，在测试压力袜对木腿及仿真软腿相同位置的压力值的时候也可以看到两者有明显的不同。相同部位木腿收到压力的值要明显大于医用仿真软腿的压力值。
如图8所示，人腿、软腿以及木腿对比；1.软腿相较于木腿的优势在于硬度可调，与人体皮肤硬度接近；另一优势在于标准木腿无法在关节处弯曲，这导致无法测量在不同姿势条件下的腿部受压分布，而软腿由于采用了紧关节，可以悬停，所以可以测量在不同姿势时关节角度导致的压力变化，这也是静态服装压和动态服装压的区别。
如图5-图8各个对比图可知，本发明采用的医用仿真软腿与人腿具有相同的结构，而木腿只有一种直立形态，在对人腿、仿真软腿与木腿的对比(图7-图8)中，可得知仿真软腿的各部分检测压力值与人腿的拟合度更高，其测量结构也更加符合真人测试。
同时仿真软腿上具有弹性触感，触感可符合人体皮肤的柔软程度，而木腿各部分的触感相同，且无法具有与人体皮肤相同的触感，使得仿真软腿的结构更加接近人腿，进一步保证测量结果接近人腿的测试结果。
仿真软腿在膝关节和踝关节处也可进行运动以及能在任意位置悬停，在通过压力袜进行人腿、仿真软腿以及木腿的压力测测量中，人腿与仿真软腿的膝关节和踝关节在弯曲时，均会导致袜子拉伸从而改变压力对皮肤的压力，而木腿无法进行弯曲等运动，只能进行静态测量，即无法完成不同角度的弯曲测试，也无法拟合膝关节和踝关节弯曲所带来的压力变化，仿真软腿可以模拟真人实现人腿在运动和静止状态的压力测试，同时获得的各部分压力值更加接近人腿测量值，使得实验结果也更为精确。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (6)

1.一种基于医用仿真软腿建立的压力分布测量方法，其特征在于，具体步骤包括：
获取标椎人体的腿部数据，以此构建仿真软腿的三维实体模型；
仿真软腿的三维实体模型，即仿真软腿主要由皮肤以及骨骼组成，并且定义仿真软腿部的皮肤以及骨骼为各向同性均匀的线弹性材料，其中，仿真软腿中皮肤的厚度1.5-2.5cm，硬度为0A，具有300％伸长率；骨骼分为脚骨、胫骨以及腿骨，腿骨与胫骨之间铰接，胫骨与脚骨之间万向连接，且令仿真软腿膝关节以及踝关节能在任意位置悬停；
将压力袜在竖直状态的仿真软腿上，获得在仿真软腿上的6个点测试的压力值，再将仿真软腿膝关节以及踝关节悬停至多个位置，并获得每个悬停位置的6个点测试的压力值，对仿真软腿在竖直状态以及每个悬停位置获得的压力值取平均值，以此获得仿真软腿的压力分布情况。
2.如权利要求1所述的基于医用仿真软腿建立的压力分布测量方法，其特征在于，仿真软腿上的6个测试点分别为大腿根部、大腿中部、膝盖、小腿肚、小腿中下部以及脚踝。
3.如权利要求2所述的基于医用仿真软腿建立的压力分布测量方法，其特征在于，仿真软腿上的6个测试点分别为大腿根部、大腿中部、胫骨出隆处、小腿轴承最大处、跟腱与小腿肌转变处以及踝部周长最细处。
4.如权利要求1所述的基于医用仿真软腿建立的压力分布测量方法，其特征在于，标椎人体的腿部各部位周长为大腿根部54.5cm、大腿中部49cm、胫骨出隆处35.8cm、小腿轴承最大处37.5cm、跟腱与小腿肌转变处30cm以及踝部周长最细处24cm。
5.如权利要求1所述的基于医用仿真软腿建立的压力分布测量方法，其特征在于，在胫骨顶部设置胫骨平台，在胫骨平台上设置支撑柱，腿骨内嵌设有腿骨的固定杆，固定杆一端通过膝关节阻尼器与支撑柱连接，膝关节运动符合人体实际的关节运动的方向及角度往复运动。
6.如权利要求1所述的基于医用仿真软腿建立的压力分布测量方法，其特征在于，胫骨内嵌设有支撑杆，支撑杆一端设置有万向球阀，脚骨上设置踝关节阻尼器，将万向球阀在踝关节阻尼器上，万向球阀在踝关节阻尼器上运动以此完成踝关节的万向运动。
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