CN201221583Y - 用于模拟人体胸廓非线性弹力的不等变形弹簧组 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于模拟人体胸廓非线性弹力的不等变形弹簧组。本实用新型用于模拟人体胸廓非线性弹力的不等变形弹簧组由至少2个不同高度的不等变形并列线性压缩弹簧组成弹簧组，所述弹簧内、外径互相嵌套；所述弹簧组安装于套筒中，弹簧组顶端固定上面板，所述套筒固定于下面板。本实用新型在同类方法中首次应用不等变形并列组合弹簧组结构，获得变刚度的效果。

Description

用于模拟人体胸廓非线性弹力的不等变形弹簧组

技术领域

本发明涉及及模拟人心肺复苏(Cardiopulmonary Resuscitation，CPR)的机械结构，具体指用于模拟人体胸廓非线性弹力的不等变形弹簧组。

背景技术

心肺复苏胸外心脏按压是心肺复苏3大关键技术之一，医学上对按压方法的推荐值为频率80-100次/分钟、深度4-5cm、位置：胸骨下1/3。为对心肺复苏胸外心脏按压的培训，国内外开发了多种心肺复苏模拟人。心肺复苏模拟人模拟人体的某些特征，其中对人体胸廓在心肺复苏胸外按压时的力-胸骨位移关系模拟直接影响到按压时模拟人的手感(包括阻力大小、胸壁回弹速度与力度等)与人体胸廓是否相似，是心肺复苏模拟人的重要技术之一。而对人体胸廓在心肺复苏胸外按压时的力-胸骨位移关系的研究成果主要有：1993年Gruben对16个不同特征的人进行心肺复苏胸外按压试验，得到典型人体胸廓在心肺复苏胸外心脏按压下力-位移关系的模型公式：

F＝29.4x+22.3x²-1.35x³+0.325x⁴+(0.710+0.887x)x′+c    [1]

其中F表示力，单位为N，x表示位移，单位cm，c表示误差项。该模型的力表达式是位移的函数，包含高次项和一阶导数项，可以看作是弹性力F_e和阻尼力F_d的和：

F＝F_e+F_d                                               [2]

F_e＝29.4x+22.3x²-1.35x³+0.325x⁴  [3]

F_d＝(0.710+0.887x)x′            [4]

从[3]式可以看出，弹性力是一条非线性曲线。

心肺复苏模拟人技术中，对力-胸骨位移关系的模拟，现有的模拟人位于胸腔的阻力提供机构通常采用线性压缩弹簧，一种是单簧结构，即采用一个线性压缩弹簧在胸廓内部提供阻力；另一种是多簧结构，即采用多个弹簧在模拟人胸壁下的多个点支撑提供阻力，各个弹簧的自由长度相等，按压时同时起作用，相当于多个弹簧并联，其阻力等于各个弹簧的阻力之和，即各弹簧刚度乘以总变形量的和。它们存在的问题主要是：在CPR按压操作下力-位移是线性关系，与人体胸廓弹性力的非线性特征不符；弹簧刚度选择不合适，CPR模拟人胸廓阻力大小与人体胸廓真实阻力不同。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有结构存在的不足，提供一种用于模拟人体胸廓非线性弹力的不等变形弹簧组。

本实用新型用于模拟人体胸廓非线性弹力的不等变形弹簧组由至少2个不同高度的不等变形并列线性压缩弹簧组成弹簧组，所述弹簧内、外径互相嵌套；所述弹簧组安装于套筒中，弹簧组顶端固定上面板，所述套筒固定于下面板。

本实用新型所述弹簧组的刚度曲线拟合公开发表的人体胸廓的弹性力曲线，即上述公式[3]。

本实用新型所述下面板设置用于安装弹簧的至少2个同心圆环凹槽，所述凹槽内外径尺寸与弹簧内外径紧密配合。

本实用新型的有益效果是：1、本实用新型在同类方法中首次应用不等变形并列组合弹簧组结构，获得变刚度的效果，使得按压-松弛过程的弹性阻力与公开文献的典型人体的弹性力一致，从而能够在该模拟机构上获得更接近真实人体的按压手感，提高在该机构上进行心肺复苏胸外心脏按压手法训练的效果。2、本实用新型采用的不等变形并列组合弹簧组结构弹簧数量、刚度及尺寸可以根据需要调整，可根据正常成人的弹性力大小，适当修改参数重新设计，从而可以：a、模拟阻力偏大(胖人)、阻力偏小(瘦人、女性)以及小孩等的胸廓弹性力；b、适当增加弹簧数量，提高模拟精度。3、相比设计单个非线性弹簧实现对人体胸廓非线性弹力的模拟，该结构的设计成本低廉。

附图说明

图1是弹簧组分段线性拟合弹性力曲线(即公式[3]的曲线)示意图；

图2是弹簧组(2弹簧)的结构剖面图。

具体实施方式

如图2所示，1#弹簧2，2#弹簧3同轴设置于弹簧套筒4内，上面板1固定于1#弹簧2顶端，1#弹簧2、2#弹簧3和套筒4的底端分别固定于下面板5。工作过程：在上面板正中位置进行心肺复苏胸外心脏按压操作，随着深度的增加，上面板先后接触到1#弹簧，2#弹簧，按压-松弛过程呈接近人体胸廓表现的非线性弹性力。

不等变形线性压缩弹簧组可以根据需要设计为至少2个，设计步骤为：

1、确定弹簧的个数及各弹簧之间的自由高度差；2、采用分段线性法拟合非线性曲线，以弹簧数为分段数，以弹簧自由高度差为各位移分段区间的长度，计算分段表达式，得到各段斜率，从而计算各个弹簧的刚度；3、根据各个弹簧刚度的要求以及大致的尺寸要求，每种刚度的弹簧都设计多个不同外形尺寸的弹簧系列；4、根据弹簧相互嵌套的原则，从刚度相同的弹簧系列中选择内外径尺寸符合要求的弹簧；5、根据自由高度差的要求，设计弹簧套筒，对选择好的弹簧进行高度补偿纠正并固定弹簧形成弹簧组。

以2个弹簧组成弹簧组为例，介绍具体的设计方法、过程及结构。因人体心肺复苏胸外按压的深度为4.0-5.0cm，设定弹簧组的最大压缩量为6.0cm，2个弹簧的自由高度差为2.5cm，规定1#弹簧自由高度比2#弹簧高2.5cm。因成人胸廓前后壁的距离通常为20.0-30.0cm，设定弹簧组总的自由高度＜20.0cm。

图1是分段线性拟合弹性力曲线(即公式[3]的曲线)示意图，a为曲线[3]，b为分两段线性拟合曲线，第一段为0-2.5cm，第二段为2.5-5.0cm。A1、A2分别为a曲线在第一段、第二段的积分值(a曲线以下的面积)，B1、B2分别为b曲线在第一段、第二段的积分值(b曲线以下的面积)，有A1＝B1，A2＝B2。根据弹簧高度差，以各段积分值相等(做功相同)即图1中，b曲线(实线)在A区间和B区间的积分值分别与a曲线(虚线，公式[3]的曲线)相等的原则，计算两段线性曲线拟合公式[3]在0-5.0cm区间的具体表达式，并计算两段线段的斜率，则其中0-2.5cm段的斜率为1#弹簧的刚度，2.5-5.0cm段的斜率等于1#和2#弹簧刚度的和。令k1为1#弹簧的刚度，k2为2#弹簧的刚度，则有：

$\begin{array}{cc}A1=\underset{0}{\overset{2.5}{\∫}}(29.4x+{22.3x}^2-{1.35x}^3+{0.325x}^4)\mathrm{dx}& A2=\underset{2.5}{\overset{5}{\∫}}(29.4x+{22.3x}^2-{1.35x}^3+{0.325x}^4)\mathrm{dx}\end{array}$

$B1=\underset{0}{\overset{2.5}{\∫}}{k}_1\mathrm{xdx}$

$B2=\underset{2.5}{\overset{5}{\∫}}[(k_{2}x+k_{1}x)-{2.5k}_2]\mathrm{dx}$

A1＝B1，A2＝B2

计算得到1#弹簧的刚度k1为64.380N/cm，2#弹簧的刚度k2为154.913N/cm。

再根据得到弹簧刚度，2个弹簧互相嵌套，以及弹簧组总高限的要求，计算并选择弹簧的具体尺寸。选定的两个弹簧的具体尺寸参数为：1#弹簧中径4.0cm，钢丝直径0.5cm，自由高度15.00cm，2#弹簧中径2.5cm，钢丝直径0.45cm，自由高度12.34cm。弹簧间自由高度差与要求的2.5cm有偏差通过设计的下面板来纠正：下面板有两个同心圆环凹槽，分别可以安装1#和2#弹簧，1#凹槽比2#凹槽的深度大0.16cm，从而弹簧安装到凹槽之后形成的弹簧组1#弹簧和2#弹簧的高度差为15.00-12.34+0.16＝2.5cm。

Claims (3)

1.一种用于模拟人体胸廓非线性弹力的不等变形弹簧组，其特征是，由至少2个不同高度的不等变形并列线性压缩弹簧组成弹簧组，所述弹簧内、外径互相嵌套；所述弹簧组安装于套筒中，弹簧组顶端固定上面板，所述套筒固定于下面板。

2.根据权利要求1所述的用于模拟人体胸廓非线性弹力的不等变形弹簧组，其特征是，所述弹簧组的刚度曲线拟合公开发表的人体胸廓的弹性力曲线。

3.根据权利要求1所述的用于模拟人体胸廓非线性弹力的不等变形弹簧组，其特征是，所述下面板设置用于安装弹簧的至少2个同心圆环凹槽，所述凹槽内外径尺寸与弹簧内外径紧密配合。

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