CN117133469B - 一种仰卧前屈拔伸牵引手法的仿生评估平台 - Google Patents
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Abstract
本申请属于医工融合技术领域，提出了一种仰卧前屈拔伸牵引手法的仿生评估平台，以仿生模拟工程以及医学信息工程的融合技术手段，解决了仰卧前屈拔伸牵引手法的传承发展难题；本发明能够基于仰卧拔伸牵引手法数据库，为操作者复现目标操作对象的颈部信息以及牵引过程中颈部发生的变化，并采集手法操作数据进行评估，从而帮助提升仰卧前屈拔伸牵引手法质量的一致性。
Description
技术领域
本申请医工融合的技术领域，具体涉及人体仿生工程与医学信息工程的技术融合；更具体的，涉及一种仰卧前屈拔伸牵引手法的仿生评估平台。
背景技术
仰卧前屈拔伸牵引手法需要在患者仰卧姿态下进行，对医生技术要求相对较高，具体的操纵方法是：用手拔伸，找出牵引的有效角度和力度；患者仰卧前屈位，医生双手拔伸，通过两只手的配合，调节前屈及侧屈的角度，并不断询问患者不同角度时的疼痛情况，症状减轻或者消失时角度即为操作角度。换言之，仰卧前屈拔伸牵引的手法质量受人为因素影响较大，掌握困难，难以实现大范围推广；很难有客观的量化评判依据。
发明内容
针对现有技术的局限性，本发明提出了一种仰卧前屈拔伸牵引手法的仿生评估平台，采用的技术方案如下：
一种仰卧前屈拔伸牵引手法的仿生评估平台，包括头颈仿生操作装置以及与所述头颈仿生操作装置电连接的上位机；
其中：所述头颈仿生操作装置用于模拟人体的头部以及颈部，采集第一类型操作者仰卧拔伸牵引手法数据；所述第一类型操作者仰卧拔伸牵引手法数据包括牵引力度-牵引延展量-操作时间数据；所述头颈仿生操作装置设有力传感器以及第一直线位移传感器；所述力传感器用于采集第一类型操作者对所述头颈仿生操作装置施加的牵引力度，所述第一直线位移传感器用于采集所述头颈仿生操作装置模拟的人体颈部在第一类型操作者作用下发生的牵引延展量；
所述上位机与所述力传感器以及第一直线位移传感器电连接；所述上位机用于执行以下步骤：获取目标操作对象颈部信息以及所述头颈仿生操作装置采集的第一类型操作者仰卧拔伸牵引手法数据；根据所述目标操作对象颈部信息，从预设的仰卧拔伸牵引手法数据库获取第二类型操作者仰卧拔伸牵引手法数据，所述第二类型操作者仰卧拔伸牵引手法数据包括牵引力度-牵引延展量-操作时间数据；计算所述第一类型操作者仰卧拔伸牵引手法数据与所述第二类型操作者仰卧拔伸牵引手法数据在牵引力度-牵引延展量-操作时间数据上的匹配度。
相较于现有技术，本发明提供的仰卧前屈拔伸牵引手法的仿生评估平台，以仿生模拟工程以及医学信息工程的融合技术手段，解决了仰卧前屈拔伸牵引手法的传承发展难题；本发明能够基于仰卧拔伸牵引手法数据库，为操作者复现目标操作对象的颈部信息以及牵引过程中颈部发生的变化，并采集手法操作数据进行评估，从而帮助提升仰卧前屈拔伸牵引手法质量的一致性。
作为一种优选方案，所述牵引力度-牵引延展量-操作时间数据包括表示牵引力度与操作时间关系的第一曲线以及表示牵引延展量与操作时间关系的第二曲线；
所述上位机在计算所述第一类型操作者仰卧拔伸牵引手法数据与所述第二类型操作者仰卧拔伸牵引手法数据在牵引力度-牵引延展量-操作时间数据上的匹配度的步骤中，包括以下过程：
将所述第一类型操作者仰卧拔伸牵引手法数据向所述第二类型操作者仰卧拔伸牵引手法数据进行数据对齐；根据预设的数量确定在所述第一曲线以及第二曲线上的采样点，获取各采样点的坐标值；根据各采样点的坐标值，计算所述第一类型操作者仰卧拔伸牵引手法数据与所述第二类型操作者仰卧拔伸牵引手法数据之间关于所述第一曲线的欧式距离，计算所述第一类型操作者仰卧拔伸牵引手法数据与所述第二类型操作者仰卧拔伸牵引手法数据之间关于所述第二曲线的欧式距离；根据欧式距离的计算结果，确定所述匹配度。
作为一种优选方案，所述头颈仿生操作装置包括头部仿生模块以及颈部仿生模块；所述头部仿生模块连接所述颈部仿生模块；
所述力传感器以及第一直线位移传感器设于所述颈部仿生模块之中；所述头部仿生模块设有分别用于采集第一类型操作者对所述头部仿生模块施加的俯仰角度、偏转角度以及扭转角度的角位移传感器；
所述第一类型操作者仰卧拔伸牵引手法数据以及第二类型操作者仰卧拔伸牵引手法数据还分别包括俯仰角度-操作时间数据；
所述上位机与所述角位移传感器电连接；所述上位机还用于执行以下步骤：计算所述第一类型操作者仰卧拔伸牵引手法数据与所述第二类型操作者仰卧拔伸牵引手法数据在俯仰角度-操作时间数据上的匹配度；判断第一类型操作者对所述头部仿生模块施加的偏转角度以及扭转角度是否保持为零。
进一步的，所述颈部仿生模块中设有耦合的第一级刚度动态调节单元以及第二级刚度动态调节单元；所述上位机与所述第二级刚度动态调节单元电连接；
在第一类型操作者对所述头颈仿生操作装置进行操作时：
所述上位机还用于执行以下步骤：根据所述目标操作对象颈部信息，从预设的仰卧拔伸牵引手法数据库获取操作对象颈部牵引刚度变化数据；根据所述牵引延展量以及操作对象颈部牵引刚度变化数据控制所述第二级刚度动态调节单元，使所述第一级刚度动态调节单元以及第二级刚度动态调节单元拟合人体的颈椎与颈部软组织共同表征的颈部非线性非平滑刚度变化趋势。
更进一步的，所述颈部仿生模块还包括头颈连接结构以及牵引位移部件；所述头颈连接结构、力传感器以及牵引位移部件依序传动连接；
所述头颈连接结构的另一端连接所述头部仿生模块；所述牵引位移部件的位移受限于所述第一级刚度动态调节单元以及第二级刚度动态调节单元；
所述颈部仿生模块还包括安装限位架构；所述安装限位架构包括安装框体、第一限位滑杆以及第二限位滑杆；
所述第一限位滑杆连接所述安装框体的上下两侧；所述第二限位滑杆设于所述第一限位滑杆之间，与所述第一限位滑杆垂直，连接所述安装框体的左右两侧；
所述头颈连接结构安装在所述第二限位滑杆，可移动的穿设于所述安装框体的右侧；
所述牵引位移部件安装在所述第二限位滑杆；
所述第一级刚度动态调节单元安装在所述安装框体上下两侧以及所述第一限位滑杆；
所述第二级刚度动态调节单元安装在所述安装框体的左侧以及所述第二限位滑杆。
更进一步的，所述牵引位移部件的上下两侧为对称的连续曲面；所述牵引位移部件的宽度自右向左逐渐变大；
所述第一级刚度动态调节单元包括对称设于所述安装限位架构上下两侧的第一级弹簧组件以及滚轴；
所述第一级弹簧组件安装在所述第一限位滑杆；所述滚轴安装在所述第一级弹簧组件的内端，分别抵住所述牵引位移部件的上下两侧。
更进一步的，所述第二级刚度动态调节单元包括电动推杆以及第二级弹簧组件；所述第二级弹簧组件包括压板、牵引传动板以及连接杆；所述压板与所述牵引传动板之间连接有弹簧；所述上位机与所述电动推杆电连接；
所述电动推杆安装在所述安装框体的左侧；所述压板与所述牵引传动板安装在所述第二限位滑杆；所述电动推杆的伸缩端连接所述压板；所述连接杆可移动的穿设于所述压板，所述连接杆的一端连接所述牵引传动板，另一端连接所述牵引位移部件；
所述第一直线位移传感器与所述牵引传动板传动连接，用于测量所述牵引位移部件的位移情况，以所述第一直线位移传感器的测量结果作为所述牵引延展量。
更进一步的，所述第二级刚度动态调节单元还包括第二直线位移传感器；所述第二直线位移传感器与所述压板传动连接，用于测量所述压板与所述牵引传动板之间的距离。
更进一步的，所述第一级刚度动态调节单元还包括对称设于所述安装限位架构上下两侧的第一级刚度调节电机、齿轮组件以及弹簧间距调节组件；
所述第一级刚度调节电机、齿轮组件以及弹簧间距调节组件安装在所述安装框体；所述上位机与所述第一级刚度调节电机电连接；
所述第一级刚度调节电机的输出经过所述齿轮组件向所述弹簧间距调节组件传递，从所述第一级弹簧组件的外侧改变所述第一级弹簧组件内的弹簧压缩程度。
更进一步的，所述牵引位移部件的右端设有用于限制所述牵引位移部件与滚轴相对位置的限位结构；
所述目标操作对象颈部信息包括颈椎初始长度；
在第一类型操作者对所述头颈仿生操作装置进行操作前，所述上位机还用于执行以下步骤：
根据所述颈椎初始长度，通过控制所述电动推杆，调节所述压板与所述牵引传动板之间的距离，模拟目标操作对象的颈椎初始长度；
根据所述操作对象颈部牵引刚度变化数据中的初始值以及所述第二级刚度动态调节单元对颈椎初始长度的模拟结果，通过控制所述第一级刚度调节电机，改变所述第一级弹簧组件内的弹簧压缩程度，进行刚度补偿，使所述第一级刚度动态调节单元与第二级刚度动态调节单元拟合操作对象的颈椎与颈部软组织共同表征的初始刚度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本发明实施例提供的仰卧前屈拔伸牵引手法的仿生评估平台的组成示意图；
图2为本发明实施例提供的头颈仿生操作装置的立体图；
图3为本发明实施例提供的头颈仿生操作装置的俯视图；
图4为本发明实施例提供的头颈仿生操作装置的安装限位架构的立体图；
图5为本发明实施例提供的头颈仿生操作装置的第一级刚度动态调节单元的立体图；
图6为本发明实施例提供的头颈仿生操作装置的第二级刚度动态调节单元在仰视方向上的立体图；
附图标记说明：
10、头颈仿生操作装置；20、上位机；1、头部仿生模块；2、颈部仿生模块；
21、头颈连接结构；22、力传感器；23、牵引位移部件；
24、第一级刚度动态调节单元；241、第一级刚度调节电机；242、齿轮组件；243、弹簧间距调节组件；244、第一级弹簧组件；245、滚轴；
25、第二级刚度动态调节单元；251、电动推杆；252、压板；253、牵引传动板；254、连接杆；
26、第一直线位移传感器；27、安装限位架构；271、安装框体；272、第一限位滑杆；273、第二限位滑杆。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
下面结合附图，对本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互结合。
本实施例融合了人体仿生工程以及医学信息工程的技术，提供了一种仰卧前屈拔伸牵引手法的仿生评估平台，包括头颈仿生操作装置10以及与所述头颈仿生操作装置10电连接的上位机20；
其中：所述头颈仿生操作装置10用于模拟人体的头部以及颈部，采集第一类型操作者仰卧拔伸牵引手法数据；所述第一类型操作者仰卧拔伸牵引手法数据包括牵引力度-牵引延展量-操作时间数据；所述头颈仿生操作装置设有力传感器22以及第一直线位移传感器26；所述力传感器22用于采集第一类型操作者对所述头颈仿生操作装置10施加的牵引力度，所述第一直线位移传感器26用于采集所述头颈仿生操作装置10模拟的人体颈部在第一类型操作者作用下发生的牵引延展量；
所述上位机20与所述力传感器22以及第一直线位移传感器26电连接；所述上位机20用于执行以下步骤：获取目标操作对象颈部信息以及所述头颈仿生操作装置10采集的第一类型操作者仰卧拔伸牵引手法数据；根据所述目标操作对象颈部信息，从预设的仰卧拔伸牵引手法数据库获取第二类型操作者仰卧拔伸牵引手法数据，所述第二类型操作者仰卧拔伸牵引手法数据包括牵引力度-牵引延展量-操作时间数据；计算所述第一类型操作者仰卧拔伸牵引手法数据与所述第二类型操作者仰卧拔伸牵引手法数据在牵引力度-牵引延展量-操作时间数据上的匹配度。
相较于现有技术，本发明提供的仰卧前屈拔伸牵引手法的仿生评估平台，以仿生模拟工程以及医学信息工程的融合技术手段，解决了仰卧前屈拔伸牵引手法的传承发展难题；本发明能够基于仰卧拔伸牵引手法数据库，为操作者复现目标操作对象的颈部信息以及牵引过程中颈部发生的变化，并采集手法操作数据进行评估，从而帮助提升仰卧前屈拔伸牵引手法质量的一致性。
具体的，在本实施例中，第一类型操作者可以是正在接受教学培训的医学生、处于学习状态或需要对手法水平进行提升的骨科或中医科医师，也可以是学习完成后需要进行考试或评级评价的医师。
所述第二类型操作者指能够按照熟练标准仰卧拔伸牵引手法进行实操的资深医师。
所述目标操作对象，指在为构建所述仰卧拔伸牵引手法数据库而采集数据时，被所述第二类型操作者施加仰卧拔伸牵引手法的志愿者或参与数据采集的病患。本实施例旨在基于所述仰卧拔伸牵引手法数据库，利用所述头颈仿生操作装置10对所述目标操作对象的颈部信息以及牵引过程中颈部发生的变化进行复现，采集第一类型操作者仰卧拔伸牵引手法数据与数据库中的第二类型操作者仰卧拔伸牵引手法数据进行比较；由此可以帮助第一类型操作者实现对各种症型、各种症型发展阶段的颈椎病人的实操演练，解决第一类型操作者的实操对象数量不足的问题；并通过上位机进行客观、量化的比对评估，可以帮助第一类型操作者实现对包括牵引力度、牵引延展量、操作时间在内的评估维度进行仰卧前屈拔伸牵引手法水平、质量的认识与提升；上位机计算得到的匹配度越高，表示相应评估维度的表现越好，反之则表示需要操作者关注相关的操作细节。
更具体的，提升本实施例提供的仰卧前屈拔伸牵引手法的仿生评估平台使用效果的关键，一则需要关注对仰卧拔伸牵引手法数据的采集维度、采集方式以及对仰卧拔伸牵引手法数据的评估过程；二则还需要关注所述头颈仿生操作装置10在使用过程中表现出的逼真程度，不能让操作者在机器实操时与真人实操时感受到明显的差别。
本实施例以牵引力度-牵引延展量-操作时间数据作为其中一个采集与匹配的量化依据，是基于仰卧拔伸牵引手法中核心：操作者一手托举受试者颈枕部，以拇指及其余四指在两侧夹紧，另一手食中环尾四指并拢后扶住受试者下颌，两手协同发力，向头部方向牵引；这个过程要求操作者发力均匀且持续，以牵引力度、牵引延展量来表达，能够以较少的数据感测反映拔伸第一类操作者手法与第二类操作者手法之间的差别，在确保仿生模拟效果与数据采集评估有效性的基础上，从所述头颈仿生操作装置10的结构以及上位机20的控制与数据计算方面大幅减少方案的复杂度。
在投入实际应用的阶段，可以在所述头颈仿生操作装置10套上适配的人体皮套部件，更进一步提升仿生效果。
本实施例提供的仰卧前屈拔伸牵引手法的仿生评估平台，可以以模拟实训的模式运行，即在使用过程中对手法数据进行同步的实时采集与数据评估，并将数据与比对结果展示给操作者，帮助操作者在实操过程中了解自己的手法数据与数据库中资深医师手法数据的差别，便于其对手法的实操细节进行相应的调整与改进；也可以以模拟测评的模式运行，在操作者手法操作完成后，才进行整体的评估。
作为一种优选实施例，所述牵引力度-牵引延展量-操作时间数据包括表示牵引力度与操作时间关系的第一曲线以及表示牵引延展量与操作时间关系的第二曲线。
在模拟测评的模式下，所述上位机20在计算所述第一类型操作者仰卧拔伸牵引手法数据与所述第二类型操作者仰卧拔伸牵引手法数据在牵引力度-牵引延展量-操作时间数据上的匹配度的步骤中，可以包括以下过程：
将所述第一类型操作者仰卧拔伸牵引手法数据向所述第二类型操作者仰卧拔伸牵引手法数据进行数据对齐；根据预设的数量确定在所述第一曲线以及第二曲线上的采样点，获取各采样点的坐标值；根据各采样点的坐标值，计算所述第一类型操作者仰卧拔伸牵引手法数据与所述第二类型操作者仰卧拔伸牵引手法数据之间关于所述第一曲线的欧式距离，计算所述第一类型操作者仰卧拔伸牵引手法数据与所述第二类型操作者仰卧拔伸牵引手法数据之间关于所述第二曲线的欧式距离；根据欧式距离的计算结果，确定所述匹配度。
具体的，由于在实施仰卧拔伸牵引手法的过程中，在正式开始对颈部进行牵引前，医师需要将仰卧的病人头部抬起到一定的俯仰角度（类似人站立时将头低下），这个步骤同样需要耗费时间；为减少评估误差，可以先将所述第一类型操作者仰卧拔伸牵引手法数据向所述第二类型操作者仰卧拔伸牵引手法数据在时间轴上进行数据对齐再进行后续的计算，简单来说，可以理解为水平拉动两种操作者的曲线至同一个起始点。欧式距离的计算结果越大，可以理解为所述匹配度越小。可以根据欧式距离的计算结果或者匹配度的大小，进行分级，以相应维度的分级结果作为评估的输出内容。
另外，在实施仰卧拔伸牵引手法的过程中，除了在牵引前需要将患者头部抬起到一定的俯仰角度，整个手法的过程中均不应让患者的头部发生偏转（头向肩膀两侧靠近）或扭转。
因此，作为一种优选实施例，所述头颈仿生操作装置10包括头部仿生模块1以及颈部仿生模块2；所述头部仿生模块1连接所述颈部仿生模块2；
所述力传感器22以及第一直线位移传感器26设于所述颈部仿生模块2之中；所述头部仿生模块1设有分别用于采集第一类型操作者对所述头部仿生模块1施加的俯仰角度、偏转角度以及扭转角度的角位移传感器；
所述第一类型操作者仰卧拔伸牵引手法数据以及第二类型操作者仰卧拔伸牵引手法数据还分别包括俯仰角度-操作时间数据；
所述上位机20与所述角位移传感器电连接；所述上位机20还用于执行以下步骤：计算所述第一类型操作者仰卧拔伸牵引手法数据与所述第二类型操作者仰卧拔伸牵引手法数据在俯仰角度-操作时间数据上的匹配度；判断第一类型操作者对所述头部仿生模块1施加的偏转角度以及扭转角度是否保持为零。
具体的，所述第一类型操作者仰卧拔伸牵引手法数据与所述第二类型操作者仰卧拔伸牵引手法数据在俯仰角度-操作时间数据上的匹配度的计算方式可以与前述牵引力度-牵引延展量-操作时间数据上的匹配度的计算方式接近；由于仰卧拔伸牵引手法在牵引过程中注重维持牵引前对患者头部施加的俯仰角度，因此也可以采用更加简单的计算方式，此处不做赘述。
在模拟测评的模式下，对于多个采集维度的考量，可以结合预设的维度权重对各个维度的匹配度进行综合计算，得到一个总的测评结果。
而经过大量软硬件仿真、样机实操测算以及分析归因后，找到了造成现有模拟装置不适用于对仰卧前屈拔伸牵引手法的操作模拟的原因：
刚度表示物体抵抗变形的能力，一般用于描述力与位移或形变量的关系；通常来说，在产生相同位移或者相同形变量的情况下，若需要施加的力越大，则意味着其刚度越大；但随着颈椎积累的牵引延展量增大，如果要想再继续牵引，对于同样长度的一小段牵引距离，后面需要对颈椎施加的牵引力将会比手法操作刚开始的时候大，换言之颈椎的刚度是会随着牵引的进行而变大的。操作者在为病患的颈椎实施理疗手法的时候，现有模拟装置针对的其它手法的实施过程是相对都是比较快的（感官上与四肢关节脱臼后的复位手法有点类似）；在这样的过程中，人体颈部的整体刚度表征主要是受到颈椎本身（包括骨骼以及寰枢关节、椎间盘）的影响，颈部的刚度不仅会变化，而且是呈平滑的非线性变化趋势（在表示刚度与位移关系的图表中，会看一条平滑增长的曲线，而不是一条直线）。
但是，若操作者实施的是仰卧前屈拔伸牵引手法，在实施过程中，牵引使颈椎发生的牵引延展量是很小的，更重要的是这种手法对人体部位施加牵引的整个过程都是非常慢速的、非常柔缓的；在这样的条件下，人体颈部的整体刚度并非像在实施其它手法时那样是平滑变化的。具体而言，由于速度慢，因此除了颈椎本身，颈椎周围的肌肉、韧带、血管、淋巴结、神经等颈部软组织也会影响到整体刚度的表征。而这些软组织都有着各自不同的刚度变化趋势，颈椎与这些颈部软组织的刚度变化趋势都叠加在一起之后，表征出来的整体刚度将呈现为一个非线性且非平滑的变化趋势。一方面，现有的模拟装置由于自身结构的限制，无法拟合出这种由颈椎与颈部软组织共同表征的颈部非线性非平滑刚度变化趋势；另一方面，如果没有意识到这种变化趋势的存在，那在相关数据库构建采集过程中，为了确保参考数据的平滑，这些包括皮肤、肌肉等颈部软组织刚度变化引起的力学数据波动，一般都会被归咎于采集设备的问题而直接当成噪点过滤掉，最终从数据上以及结构上导致操作模拟过程的失真。
因此，本实施例的所述头颈仿生操作装置10不仅以刚度作为复现所述目标操作对象颈部信息、模拟颈部牵引变化过程的切入点，作为一种优选实施例，所述颈部仿生模块2中设有耦合的第一级刚度动态调节单元24以及第二级刚度动态调节单元25；所述上位机20与所述第二级刚度动态调节单元25电连接；
在第一类型操作者对所述头颈仿生操作装置10进行操作时：
所述上位机20还用于执行以下步骤：根据所述目标操作对象颈部信息，从预设的仰卧拔伸牵引手法数据库获取操作对象颈部牵引刚度变化数据；根据所述牵引延展量以及操作对象颈部牵引刚度变化数据控制所述第二级刚度动态调节单元25，使所述第一级刚度动态调节单元24以及第二级刚度动态调节单元25拟合人体的颈椎与颈部软组织共同表征的颈部非线性非平滑刚度变化趋势。
具体的，考虑到仰卧前屈拔伸牵引手法所面对的软组织刚度变化情况较为多样，如果为颈椎周围的肌肉、血管、皮肤等各种软组织都单独进行模拟，则装置的结构将变得极为复杂；因此，设计了耦合的第一级刚度动态调节单元24以及第二级刚度动态调节单元25，在操作过程中，可以让这两级刚度动态调节单元的其中一级来拟合颈椎大致的、平滑的刚度变化趋势或者为刚度的拟合提供一个基础，另一级由所述上位机20根据数据库进行控制，直接在前者的基础上进行刚度的耦合，实现对人体的颈椎与颈部软组织共同表征的颈部非线性非平滑刚度变化趋势的拟合。
进一步的，所述颈部仿生模块2还包括头颈连接结构21以及牵引位移部件23；所述头颈连接结构21、力传感器22以及牵引位移部件23依序传动连接；
所述头颈连接结构21的另一端连接所述头部仿生模块1；所述牵引位移部件23的位移受限于所述第一级刚度动态调节单元24以及第二级刚度动态调节单元25；
所述颈部仿生模块2还包括安装限位架构27；所述安装限位架构27包括安装框体271、第一限位滑杆272以及第二限位滑杆273；
所述第一限位滑杆272连接所述安装框体271的上下两侧；所述第二限位滑杆273设于所述第一限位滑杆272之间，与所述第一限位滑杆272垂直，连接所述安装框体271的左右两侧；
所述头颈连接结构21安装在所述第二限位滑杆273，可移动的穿设于所述安装框体271的右侧；
所述牵引位移部件23安装在所述第二限位滑杆273；
所述第一级刚度动态调节单元24安装在所述安装框体271上下两侧以及所述第一限位滑杆272；
所述第二级刚度动态调节单元25安装在所述安装框体271的左侧以及所述第二限位滑杆273。
具体的，由于仰卧前屈拔伸牵引手法需要在病患仰卧在床的前提下实施，而所述头颈仿生操作装置10的使用也遵循这一特点；因此，在本实施例在描述所述头颈仿生操作装置10时涉及的方位用词中：装置的“上下”相当于患者的左右；装置的“内”相当于远离患者体表的一端或一侧，“外”反之；而装置的“左右”可以理解为定位患者头部与躯干的位置，仅与描述的视角有关，并非绝对意义上的限定。所述第一限位滑杆272以及第二限位滑杆273的数量可以分别为两根。
操作者对所述头部仿生模块1进行牵引时，可以通过头颈连接结构21以及力传感器22带动所述牵引位移部件23，并在此过程中被所述力传感器22检测到操作者施加的力度；而所述第一级刚度动态调节单元24以及第二级刚度动态调节单元25可以通过分别向所述牵引位移部件23施加阻力的方式来拟合人体的颈椎与颈部软组织共同表征的颈部非线性非平滑刚度变化趋势。
更进一步的，所述牵引位移部件23的上下两侧为对称的连续曲面；所述牵引位移部件23的宽度自右向左逐渐变大；
所述第一级刚度动态调节单元24包括对称设于所述安装限位架构27上下两侧的第一级弹簧组件244以及滚轴245；
所述第一级弹簧组件244安装在所述第一限位滑杆272；所述滚轴245安装在所述第一级弹簧组件244的内端，分别抵住所述牵引位移部件23的上下两侧。
具体的，所述第一级刚度动态调节单元24可以通过将所述第一级刚度动态调节单元24对所述牵引位移部件23施加的夹持力转换为限制所述牵引位移部件23向牵引方向位移的阻力。
在所述牵引位移部件23因操作者的牵引动作而发生位移时，随着所述牵引位移部件23逐渐向所述头部仿生模块1所在方向的移动，由于所述牵引位移部件23的宽度自右向左逐渐变大，所述牵引位移部件23逐渐对所述第一级弹簧组件244由内向外进行挤压，改变所述第一级弹簧组件244的压缩程度，进而增加了所述第一级刚度动态调节单元24对所述牵引位移部件23的夹持力，即增大了用于限制所述牵引位移部件23向牵引方向位移的阻力；而由于所述牵引位移部件23的上下两侧为对称的连续曲面而非单纯的斜面，意味这个阻力增大的过程将是非线性的；换言之，所述第一级刚度动态调节单元24可以利用所述牵引位移部件23本身的形状，来拟合颈椎本身大致的、平滑的刚度变化趋势或者为刚度的拟合提供一个基础，让所述上位机20根据数据库对所述第二级刚度动态调节单元25进行控制，在所述第一级刚度动态调节单元24的基础上进行耦合叠加，实现对人体的颈椎与颈部软组织共同表征的颈部非线性非平滑刚度变化趋势的拟合。
更进一步的，所述第二级刚度动态调节单元25包括电动推杆251以及第二级弹簧组件；所述第二级弹簧组件包括压板252、牵引传动板253以及连接杆254；所述压板252与所述牵引传动板253之间连接有弹簧；所述上位机20与所述电动推杆251电连接；
所述电动推杆251安装在所述安装框体271的左侧；所述压板252与所述牵引传动板253安装在所述第二限位滑杆273；所述电动推杆251的伸缩端连接所述压板252；所述连接杆254可移动的穿设于所述压板252，所述连接杆254的一端连接所述牵引传动板253，另一端连接所述牵引位移部件23；
所述第一直线位移传感器26与所述牵引传动板253传动连接，用于测量所述牵引位移部件23的位移情况，以所述第一直线位移传感器26的测量结果作为所述牵引延展量。
具体的，在操作者向所述头颈仿生操作装置10实施仰卧前屈拔伸牵引手法操作过程中，所述第二级刚度动态调节单元25可以利用所述第二级弹簧组件直接向所述牵引位移部件23施加阻力，让所述上位机20利用所述电动推杆251调节压板252与牵引传动板253的距离从而改变所述第二级弹簧组件的压缩程度，实时地与所述第一级刚度动态调节单元24进行耦合叠加，实现对操作对象的颈椎与颈部软组织共同表征的颈部非线性非平滑刚度变化趋势的拟合。
所述第一直线位移传感器26可以穿设于所述安装框体271的左侧；所述牵引传动板253可以设有用于与所述第一直线位移传感器26传动连接的突出部。
更进一步的，所述第二级刚度动态调节单元25还包括第二直线位移传感器255；所述第二直线位移传感器255与所述压板252传动连接，用于测量所述压板252与所述牵引传动板253之间的距离。
具体的，所述第二直线位移传感器255可以穿设于所述安装框体271的左侧；所述压板252可以设有用于与所述第二直线位移传感器255传动连接的突出部。通过增设所述第二直线位移传感器255，让所述上位机20可以在使用过程中，通过实时感知所述压板252与所述牵引传动板253之间的距离，即所述第二级弹簧组件的压缩程度，更加精准地把控所述第二级刚度动态调节单元25在所述第一级刚度动态调节单元24基础上展开的刚度耦合过程。
更进一步的，所述第一级刚度动态调节单元24还包括对称设于所述安装限位架构27上下两侧的第一级刚度调节电机241、齿轮组件242以及弹簧间距调节组件243；
所述第一级刚度调节电机241、齿轮组件242以及弹簧间距调节组件243安装在所述安装框体271；所述上位机20与所述第一级刚度调节电机241电连接；
所述第一级刚度调节电机241的输出经过所述齿轮组件242向所述弹簧间距调节组件243传递，从所述第一级弹簧组件244的外侧改变所述第一级弹簧组件244内的弹簧压缩程度。
具体的，通过所述第一级刚度调节电机241、齿轮组件242以及弹簧间距调节组件243从所述第一级弹簧组件244的外侧改变所述第一级弹簧组件244内的弹簧压缩程度，可以在操作者对所述仰卧前屈拔伸牵引手法的仿生评估平台进行操作前，让所述上位机20调整所述第一级刚度动态调节单元24提供的刚度拟合基础，提升所述第一级刚度动态调节单元24对各种颈椎病症型与病症发展阶段的刚度数据的适应能力。
更进一步的，所述牵引位移部件23的右端设有用于限制所述牵引位移部件23与滚轴245相对位置的限位结构；
所述目标操作对象颈部信息包括颈椎初始长度；
在第一类型操作者对所述头颈仿生操作装置10进行操作前，所述上位机20还用于执行以下步骤：
根据所述颈椎初始长度，通过控制所述电动推杆251，调节所述压板252与所述牵引传动板253之间的距离，模拟目标操作对象的颈椎初始长度；
根据所述操作对象颈部牵引刚度变化数据中的初始值以及所述第二级刚度动态调节单元25对颈椎初始长度的模拟结果，通过控制所述第一级刚度调节电机241，改变所述第一级弹簧组件244内的弹簧压缩程度，进行刚度补偿，使所述第一级刚度动态调节单元24与第二级刚度动态调节单元25拟合操作对象的颈椎与颈部软组织共同表征的初始刚度。
具体的，在对相关数据库的构建过程中，同一种颈椎病症、在同一个病症发展阶段下的不同颈部长度的病患在施加手法时颈部的力学特征数据或者说颈部的刚度变化趋势也有不同，并且这种差别在经过统计学方面的分析后表现出了与颈部长度的相关性。因此，所述头颈仿生操作装置10以实施仰卧前屈拔伸牵引手法前所述压板252与所述牵引传动板253之间的初始距离作为对操作对象颈部长度的模拟；但由于对所述压板252与所述牵引传动板253之间的距离调节会引起整体刚度的改变，例如：对于脖子比较短的模拟对象，所述压板252与所述牵引传动板253之间的初始距离会比较小，所述第二级刚度动态调节单元25所拟合的初始刚度将比较大，因此可以通过相应所述第一级刚度调节电机241调松所述第一级弹簧组件244内的弹簧压缩程度，让所述第一级刚度动态调节单元24为所述第二级刚度动态调节单元25进行一个刚度补偿。另外，在所述牵引位移部件23的右端增设用于限制所述牵引位移部件23与滚轴245相对位置的限位结构，也可以避免在初始化操作对象颈部长度的过程中因所述第二级弹簧组件的压缩程度过大（即颈部长度较短）而使得所述牵引位移部件23从右端与所述滚轴245脱离的情况。
通过以上改进，本实施例提供的仿生评估平台不仅能够以颈椎病症型以及病症发展阶段作为维度对病患的情况进行模拟，还能增加病患的颈椎初始长度（即施加手法前颈部的长度）作为模拟的维度，使得相关数据库的精细度与覆盖面以及装置模拟的逼真程度都能得到进一步的提升，让所述头颈仿生操作装置10能够更好地帮助实习医师应对不同的病患情况。
作为一种可选实施例，所述牵引位移部件23的左端也可以设有用于限制所述牵引位移部件23与滚轴245相对位置的限位结构，避免在操作者对所述头颈仿生操作装置10实施仰卧前屈拔伸牵引手法时将所述牵引位移部件23从左端与所述滚轴245脱离的情况。
以上所述，仅为本申请的各种实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应当以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种仰卧前屈拔伸牵引手法的仿生评估平台，其特征在于，包括头颈仿生操作装置（10）以及与所述头颈仿生操作装置（10）电连接的上位机（20）；
其中：所述头颈仿生操作装置（10）用于模拟人体的头部以及颈部，采集第一类型操作者仰卧拔伸牵引手法数据；所述第一类型操作者仰卧拔伸牵引手法数据包括牵引力度-牵引延展量-操作时间数据；所述头颈仿生操作装置设有力传感器（22）以及第一直线位移传感器（26）；所述力传感器（22）用于采集第一类型操作者对所述头颈仿生操作装置（10）施加的牵引力度，所述第一直线位移传感器（26）用于采集所述头颈仿生操作装置（10）模拟的人体颈部在第一类型操作者作用下发生的牵引延展量；
所述上位机（20）与所述力传感器（22）以及第一直线位移传感器（26）电连接；所述上位机（20）用于执行以下步骤：获取目标操作对象颈部信息以及所述头颈仿生操作装置（10）采集的第一类型操作者仰卧拔伸牵引手法数据；根据所述目标操作对象颈部信息，从预设的仰卧拔伸牵引手法数据库获取第二类型操作者仰卧拔伸牵引手法数据，所述第二类型操作者仰卧拔伸牵引手法数据包括牵引力度-牵引延展量-操作时间数据；计算所述第一类型操作者仰卧拔伸牵引手法数据与所述第二类型操作者仰卧拔伸牵引手法数据在牵引力度-牵引延展量-操作时间数据上的匹配度；
所述头颈仿生操作装置（10）包括头部仿生模块（1）以及颈部仿生模块（2），所述颈部仿生模块（2）还包括头颈连接结构（21）以及牵引位移部件（23）；所述头颈连接结构（21）、力传感器（22）以及牵引位移部件（23）依序传动连接，所述颈部仿生模块（2）中设有耦合的第一级刚度动态调节单元（24）以及第二级刚度动态调节单元（25），所述第一级刚度动态调节单元（24）以及第二级刚度动态调节单元（25）通过分别向所述牵引位移部件（23）施加阻力的方式来拟合人体的颈椎与颈部软组织共同表征的颈部非线性非平滑刚度变化趋势；
其中，所述第二级刚度动态调节单元（25）包括电动推杆（251）以及第二级弹簧组件；所述第二级弹簧组件包括压板（252）、牵引传动板（253）以及连接杆（254）；所述压板（252）与所述牵引传动板（253）之间连接有弹簧；所述上位机（20）与所述电动推杆（251）电连接，所述上位机（20）与所述第二级刚度动态调节单元（25）电连接，所述第一直线位移传感器（26）与所述牵引传动板（253）传动连接，用于测量所述牵引位移部件（23）的位移情况，以所述第一直线位移传感器（26）的测量结果作为所述牵引延展量；
所述第一类型操作者是处于学习状态的医学生或医师；
所述第二类型操作者是能按照熟练标准手法进行实操的医师；
所述目标操作对象是指在为构建所述仰卧拔伸牵引手法数据库而采集数据时，被所述第二类型操作者施加仰卧拔伸牵引手法的志愿者或参与数据采集的病患。
2.根据权利要求1所述的仰卧前屈拔伸牵引手法的仿生评估平台，其特征在于，所述牵引力度-牵引延展量-操作时间数据包括表示牵引力度与操作时间关系的第一曲线以及表示牵引延展量与操作时间关系的第二曲线；
所述上位机（20）在计算所述第一类型操作者仰卧拔伸牵引手法数据与所述第二类型操作者仰卧拔伸牵引手法数据在牵引力度-牵引延展量-操作时间数据上的匹配度的步骤中，包括以下过程：
将所述第一类型操作者仰卧拔伸牵引手法数据向所述第二类型操作者仰卧拔伸牵引手法数据进行数据对齐；根据预设的数量确定在所述第一曲线以及第二曲线上的采样点，获取各采样点的坐标值；根据各采样点的坐标值，计算所述第一类型操作者仰卧拔伸牵引手法数据与所述第二类型操作者仰卧拔伸牵引手法数据之间关于所述第一曲线的欧式距离，计算所述第一类型操作者仰卧拔伸牵引手法数据与所述第二类型操作者仰卧拔伸牵引手法数据之间关于所述第二曲线的欧式距离；根据欧式距离的计算结果，确定所述匹配度。
3.根据权利要求1所述的仰卧前屈拔伸牵引手法的仿生评估平台，其特征在于，所述头部仿生模块（1）连接所述颈部仿生模块（2）；
所述力传感器（22）以及第一直线位移传感器（26）设于所述颈部仿生模块（2）之中；所述头部仿生模块（1）设有分别用于采集第一类型操作者对所述头部仿生模块（1）施加的俯仰角度、偏转角度以及扭转角度的角位移传感器；
所述第一类型操作者仰卧拔伸牵引手法数据以及第二类型操作者仰卧拔伸牵引手法数据还分别包括俯仰角度-操作时间数据；
所述上位机（20）与所述角位移传感器电连接；所述上位机（20）还用于执行以下步骤：计算所述第一类型操作者仰卧拔伸牵引手法数据与所述第二类型操作者仰卧拔伸牵引手法数据在俯仰角度-操作时间数据上的匹配度；判断第一类型操作者对所述头部仿生模块（1）施加的偏转角度以及扭转角度是否保持为零。
4.根据权利要求3所述的仰卧前屈拔伸牵引手法的仿生评估平台，其特征在于，
在第一类型操作者对所述头颈仿生操作装置（10）进行操作时：
所述上位机（20）还用于执行以下步骤：根据所述目标操作对象颈部信息，从预设的仰卧拔伸牵引手法数据库获取操作对象颈部牵引刚度变化数据；根据所述牵引延展量以及操作对象颈部牵引刚度变化数据控制所述第二级刚度动态调节单元（25），使所述第一级刚度动态调节单元（24）以及第二级刚度动态调节单元（25）拟合人体的颈椎与颈部软组织共同表征的颈部非线性非平滑刚度变化趋势。
5.根据权利要求4所述的仰卧前屈拔伸牵引手法的仿生评估平台，其特征在于，所述颈部仿生模块（2）还包括头颈连接结构（21）以及牵引位移部件（23）；所述头颈连接结构（21）、力传感器（22）以及牵引位移部件（23）依序传动连接；
所述头颈连接结构（21）的另一端连接所述头部仿生模块（1）；所述牵引位移部件（23）的位移受限于所述第一级刚度动态调节单元（24）以及第二级刚度动态调节单元（25）；
所述颈部仿生模块（2）还包括安装限位架构（27）；所述安装限位架构（27）包括安装框体（271）、第一限位滑杆（272）以及第二限位滑杆（273）；
所述第一限位滑杆（272）连接所述安装框体（271）的上下两侧；所述第二限位滑杆（273）设于所述第一限位滑杆（272）之间，与所述第一限位滑杆（272）垂直，连接所述安装框体（271）的左右两侧；
所述头颈连接结构（21）安装在所述第二限位滑杆（273），可移动的穿设于所述安装框体（271）的右侧；
所述牵引位移部件（23）安装在所述第二限位滑杆（273）；
所述第一级刚度动态调节单元（24）安装在所述安装框体（271）上下两侧以及所述第一限位滑杆（272）；
所述第二级刚度动态调节单元（25）安装在所述安装框体（271）的左侧以及所述第二限位滑杆（273）。
6.根据权利要求5所述的仰卧前屈拔伸牵引手法的仿生评估平台，其特征在于，所述牵引位移部件（23）的上下两侧为对称的连续曲面；所述牵引位移部件（23）的宽度自右向左逐渐变大；
所述第一级刚度动态调节单元（24）包括对称设于所述安装限位架构（27）上下两侧的第一级弹簧组件（244）以及滚轴（245）；
所述第一级弹簧组件（244）安装在所述第一限位滑杆（272）；所述滚轴（245）安装在所述第一级弹簧组件（244）的内端，分别抵住所述牵引位移部件（23）的上下两侧。
7.根据权利要求6所述的仰卧前屈拔伸牵引手法的仿生评估平台，其特征在于，所述电动推杆（251）安装在所述安装框体（271）的左侧；所述压板（252）与所述牵引传动板（253）安装在所述第二限位滑杆（273）；所述电动推杆（251）的伸缩端连接所述压板（252）；所述连接杆（254）可移动的穿设于所述压板（252），所述连接杆（254）的一端连接所述牵引传动板（253），另一端连接所述牵引位移部件（23）。
8.根据权利要求7所述的仰卧前屈拔伸牵引手法的仿生评估平台，其特征在于，所述第二级刚度动态调节单元（25）还包括第二直线位移传感器（255）；所述第二直线位移传感器（255）与所述压板（252）传动连接，用于测量所述压板（252）与所述牵引传动板（253）之间的距离。
9.根据权利要求8所述的仰卧前屈拔伸牵引手法的仿生评估平台，其特征在于，所述第一级刚度动态调节单元（24）还包括对称设于所述安装限位架构（27）上下两侧的第一级刚度调节电机（241）、齿轮组件（242）以及弹簧间距调节组件（243）；
所述第一级刚度调节电机（241）、齿轮组件（242）以及弹簧间距调节组件（243）安装在所述安装框体（271）；所述上位机（20）与所述第一级刚度调节电机（241）电连接；
所述第一级刚度调节电机（241）的输出经过所述齿轮组件（242）向所述弹簧间距调节组件（243）传递，从所述第一级弹簧组件（244）的外侧改变所述第一级弹簧组件（244）内的弹簧压缩程度。
10.根据权利要求9所述的仰卧前屈拔伸牵引手法的仿生评估平台，其特征在于，所述牵引位移部件（23）的右端设有用于限制所述牵引位移部件（23）与滚轴（245）相对位置的限位结构；
所述目标操作对象颈部信息包括颈椎初始长度；
在第一类型操作者对所述头颈仿生操作装置（10）进行操作前，所述上位机（20）还用于执行以下步骤：
根据所述颈椎初始长度，通过控制所述电动推杆（251），调节所述压板（252）与所述牵引传动板（253）之间的距离，模拟目标操作对象的颈椎初始长度；
根据所述操作对象颈部牵引刚度变化数据中的初始值以及所述第二级刚度动态调节单元（25）对颈椎初始长度的模拟结果，通过控制所述第一级刚度调节电机（241），改变所述第一级弹簧组件（244）内的弹簧压缩程度，进行刚度补偿，使所述第一级刚度动态调节单元（24）与第二级刚度动态调节单元（25）拟合操作对象的颈椎与颈部软组织共同表征的初始刚度。
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|---|---|---|---|
| CN202311394450.9A CN117133469B (zh) | 2023-10-26 | 2023-10-26 | 一种仰卧前屈拔伸牵引手法的仿生评估平台 |
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| CN202311394450.9A CN117133469B (zh) | 2023-10-26 | 2023-10-26 | 一种仰卧前屈拔伸牵引手法的仿生评估平台 |
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Citations (8)
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- 2023-10-26 CN CN202311394450.9A patent/CN117133469B/zh active Active
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