專利名稱：人體胸廓在心肺復蘇胸外心臟按壓下彈性曲線的模擬方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及模擬力學及模型，具體地說，是一種心肺復蘇胸外心臟按壓下的力-胸骨位移關(guān)系滯回曲線的模擬方法。

背景技術(shù)：
心肺復蘇胸外心臟按壓是心肺復蘇3大關(guān)鍵技術(shù)之一，醫(yī)學上對按壓方法的推薦值為頻率80-100次/分鐘、深度4-5cm、位置胸骨下1/3。為對心肺復蘇胸外心臟按壓的培訓，國內(nèi)外開發(fā)了多種心肺復蘇模擬人。心肺復蘇模擬人模擬人體的某些特征，其中對人體胸廓在心肺復蘇胸外按壓時的力-胸骨位移關(guān)系模擬直接影響到按壓時模擬人的手感(包括阻力大小、胸壁回彈速度與力度等)與人體胸廓是否相似，是心肺復蘇模擬人的重要技術(shù)之一。而對人體胸廓在心肺復蘇胸外按壓時的力-胸骨位移關(guān)系的研究成果主要有1993年Gruben對16個不同特征的人進行心肺復蘇胸外按壓試驗，得到典型人體胸廓在心肺復蘇胸外心臟按壓下力-位移關(guān)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，單位為N，x表示位移，單位cm，c表示誤差項。該模型的力表達式是位移的函數(shù)，包含高次項和一階導數(shù)項，可以看作是彈性力Fe和阻尼力Fd的和 F＝Fe+Fd [2] Fe＝29.4x+22.3x2-1.35x3+0.325x4 [3] Fd＝(0.710+0.887x)x′[4] 心肺復蘇模擬人技術(shù)中，對力-胸骨位移關(guān)系的模擬，現(xiàn)有的模擬人位于胸腔的阻力提供機構(gòu)通常采用線性壓縮彈簧，一種是單簧結(jié)構(gòu)，即采用一個線性壓縮彈簧在胸廓內(nèi)部提供阻力，另一種是多簧結(jié)構(gòu)，即采用多個彈簧在模擬人胸壁下的多個點支撐提供阻力，各個彈簧的自由長度相等，按壓時同時起作用，相當于多個彈簧并聯(lián)，其阻力等于各個彈簧的阻力之和，即各彈簧剛度乘以總變形量的和。它們存在的問題主要是1、靜態(tài)加載下力-位移是線性關(guān)系，與人體胸廓彈性力的非線性特征不符；2、動態(tài)加載下因摩擦等因素的存在，按壓與松弛過程稍有不同，但無明顯的阻尼現(xiàn)象，與人體胸廓存在明顯阻尼不符；3、現(xiàn)有心肺復蘇模擬人胸廓總體上其按壓過程和松弛過程的力是基本一致的，與人體胸廓在心肺復蘇胸外按壓時按壓與松弛過程的阻力成明顯的滯回曲線不符。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有結(jié)構(gòu)存在的不足，提供一種能夠真實反映心肺復蘇胸外心臟按壓下的力-胸骨位移關(guān)系的模擬方法。
本發(fā)明心肺復蘇胸外心臟按壓下的彈性曲線的模擬方法，其特征是，按照下述步驟實現(xiàn) (1)采用不等變形并列線性壓縮彈簧組模擬胸廓的非線性彈性力，采用至少2個不等變形的線性壓縮彈簧并聯(lián)，在心肺復蘇要求的0-5.0cm按壓深度內(nèi)，彈簧組彈性力對位移的分段線性曲線與公開發(fā)表的典型人體的胸廓彈性力曲線在各段積分值相等；各彈簧的剛度與彈簧高度配合從而可以擬合典型人體胸廓的彈性力在心肺復蘇胸外按壓的位移范圍內(nèi)(5.0cm)，彈簧組的力-位移曲線呈分段線性，各分段區(qū)間內(nèi)力的積分值與公式[3]在相應區(qū)間的積分值相等，其物理意義是在心肺復蘇按壓時彈簧組各段及整個過程做功與在典型人體胸廓上按壓所作的功相同，從而可以實現(xiàn)分段線性擬合非線性曲線；彈簧的安裝套管可將彈簧固定并能將各彈簧頂端的高度差固定；彈簧組安裝在套管中從上端進行加載時，可精確擬合人體胸廓的非線性彈性力； (2)采用緩沖設(shè)備模擬胸廓阻尼力，阻尼系數(shù)與公開發(fā)表的典型人體阻尼系數(shù)平均值相同，緩沖設(shè)備的阻尼系數(shù)(即公式[4]中x′的系數(shù)(0.710+0.887x))在0-5cm內(nèi)的平均值(2.93Ns/cm)相等； (3)彈簧組和緩沖設(shè)備并聯(lián)，模擬胸廓在胸外按壓下按壓-松弛過程的按壓力-胸骨位移的滯回曲線，符合公式[1]。
將本發(fā)明應用于模擬人體，模擬胸廓前后壁模擬人體胸壁，在上面分別安裝緩沖設(shè)備和彈簧組的兩端，固定后形成胸廓模擬機構(gòu)。整個胸廓模擬機構(gòu)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定能順暢的進行按壓操作，用于心肺復蘇模擬人對人體胸廓的模擬。
本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明在同類方法中首次應用彈簧、緩沖設(shè)備組合，使得按壓-松弛過程的滯回曲線與公開文獻的典型人體胸廓滯回曲線一致，從而能夠在該模擬機構(gòu)上獲得更接近真實人體的按壓手感，提高在該機構(gòu)上進行心肺復蘇胸外心臟按壓手法訓練的效果。



圖1是彈簧組設(shè)計過程中采用分段線性擬合彈性力曲線； 圖2是阻尼系數(shù)平均值的計算示意圖； 圖3是彈簧組-阻尼器系統(tǒng)(2彈簧)的結(jié)構(gòu)剖面圖。

具體實施例方式 本方法根據(jù)彈簧數(shù)的不同而在結(jié)構(gòu)上稍有不同，但基本方法和設(shè)計過程相同。
以2個彈簧組成彈簧組為例，介紹具體的設(shè)計方法、過程及結(jié)構(gòu)。因人體心肺復蘇胸外按壓的深度為4.0-5.0cm，設(shè)定彈簧組的最大壓縮量為6.0cm，2個彈簧的自由高度差為2.5cm，規(guī)定1#彈簧自由高度比2#彈簧高2.5cm。因成人胸廓前后壁的距離通常為20.0-30.0cm，設(shè)定彈簧組總的自由高度＜20.0cm。
首先分別確定1#彈簧和2#彈簧的剛度。圖1是彈簧組設(shè)計過程中采用分段線性擬合彈性力曲線(即公式[3]的曲線)示意圖，a為曲線[3]，b為分兩段線性擬合曲線，第一段為位移0-2.5cm區(qū)間，第二段為位移2.5-5.0cm區(qū)間。A1、A2分別為a曲線在第一段區(qū)間、第二段區(qū)間的積分值(a曲線以下的面積)，B1、B2分別為b曲線在第一段區(qū)間、第二段區(qū)間的積分值(b曲線以下的面積)，有A1＝B1，A2＝B2。根據(jù)彈簧高度差，以各段積分值相等(做功相同)即圖1中b曲線(實線)在第一段區(qū)間和第二段區(qū)間的積分值(即B1，B2)分別與a曲線(虛線，公式[3]的曲線)在相應區(qū)間的積分值(即A1，A2)相等的原則，計算兩段線性曲線擬合公式[3]在0-5.0cm區(qū)間的具體表達式，并計算兩段線段的斜率，則其中0-2.5cm段的斜率為1#彈簧的剛度，2.5-5.0cm段的斜率等于1#和2#彈簧剛度的和。令k1為1#彈簧的剛度，k2為2#彈簧的剛度，則有 A1＝B1，A2＝B2 計算得到1#彈簧的剛度k1為64.380N/cm，2#彈簧的剛度k2為154.913N/cm。
接下來根據(jù)得到的上述兩個彈簧的剛度，以2個彈簧內(nèi)外徑互相配合實現(xiàn)互相嵌套為要求，以及前述彈簧組總高限的要求(彈簧組總的自由高度＜20.0cm)，計算并選擇彈簧的具體尺寸。選定的兩個彈簧的具體尺寸參數(shù)為1#彈簧中徑4.0cm，鋼絲直徑0.5cm，自由高度15.00cm，2#彈簧中徑2.5cm，鋼絲直徑0.45cm，自由高度12.34cm。
最后根據(jù)彈簧間自由高度差與要求的2.5cm有偏差通過設(shè)計的套管來糾正套筒有兩個同心圓環(huán)凹槽，分別可以安裝1#和2#彈簧，1#凹槽比2#凹槽的深度大0.16cm，從而彈簧安裝到凹槽之后形成的彈簧組1#彈簧和2#彈簧的高度差為15.00-12.34+0.16＝2.5cm。
圖2是阻尼系數(shù)平均值的計算示意圖，根據(jù)公式[4]，阻尼系數(shù)是位移的一次函數(shù)(c曲線)，平均值(d線)為2.93Ns/cm。c、d下的面積相等。阻尼器選則的原則是根據(jù)心肺復蘇深度要求，行程L不小于5.0cm；根據(jù)Gruben的研究結(jié)果，阻尼系數(shù)平均值d＝2.93Ns/cm；要求外徑小于彈簧組內(nèi)徑從而可以互相嵌套。選擇緩沖器AC2050，其參數(shù)為行程5.0cm，油缸外徑2.0cm(彈簧組內(nèi)徑2.05cm)，活塞柱外徑0.6cm，自由高度17.5cm，調(diào)節(jié)緩沖器油缸內(nèi)的油量，使得阻尼系數(shù)d＝2.93Ns/cm。
阻尼器和彈簧組的配合，安裝于兩塊尼龍板(模擬胸廓前后壁)之間。如圖3所示，1#彈簧2，2#彈簧3和阻尼器4同軸設(shè)置于彈簧套筒5內(nèi)，上面板1固定于1#彈簧2頂端。工作過程在上面板正中位置進行心肺復蘇胸外心臟按壓操作，隨著深度的增加，上面板先后接觸到1#彈簧，2#彈簧，同時整個按壓-松弛過程緩沖器都在起作用，使得按壓-松弛過程呈接近人體胸廓表現(xiàn)的滯回曲線。
權(quán)利要求
1、一種心肺復蘇胸外心臟按壓下的彈性曲線的模擬方法，其特征是，按照下述步驟實現(xiàn)
(1)采用不等變形并列線性壓縮彈簧組模擬胸廓的非線性彈性力，采用至少2個不等變形的線性壓縮彈簧并聯(lián)，在心肺復蘇要求的0-5.0cm按壓深度內(nèi)，彈簧組彈性力對位移的分段線性曲線與公開發(fā)表的典型人體的胸廓彈性力曲線在各段積分值相等；
(2)采用緩沖設(shè)備模擬胸廓阻尼力，阻尼系數(shù)與公開發(fā)表的典型人體阻尼系數(shù)平均值相同；
(3)將上述彈簧組和緩沖設(shè)備并聯(lián)，模擬胸廓在胸外按壓下按壓力對胸骨位移的滯回曲線。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的心肺復蘇胸外心臟按壓下的彈性曲線的模擬方法，其特征是，至少2個不同高度的不等變形并列線性壓縮彈簧組成彈簧組，所述彈簧內(nèi)、外徑互相配合，互相嵌套。
3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的心肺復蘇胸外心臟按壓下的彈性曲線的模擬方法，其特征是，所述緩沖設(shè)備為緩沖器、阻尼器或減速器。
4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的心肺復蘇胸外心臟按壓下的彈性曲線的模擬方法，其特征是，所述緩沖設(shè)備外徑小于彈簧組內(nèi)徑。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種心肺復蘇胸外心臟按壓下的彈性曲線的模擬方法。本發(fā)明其主要內(nèi)容是1.采用不等變形并列線性壓縮彈簧組模擬胸廓的非線性彈性力；2.采用阻尼器(緩沖器，減速器)模擬胸廓阻尼力，阻尼器的阻尼系數(shù)在0-5cm內(nèi)的平均值(2.93Ns/cm)相等；3.模擬胸廓前后壁模擬人體胸壁，在上面分別安裝阻尼器和彈簧組的兩端，固定后形成胸廓模擬機構(gòu)。本發(fā)明在同類方法中首次應用彈簧、緩沖設(shè)備組合，使得按壓-松弛過程的滯回曲線與公開文獻的典型人體胸廓滯回曲線一致，從而能夠在該模擬機構(gòu)上獲得更接近真實人體的按壓手感，提高在該機構(gòu)上進行心肺復蘇胸外心臟按壓手法訓練的效果。
文檔編號G09B23/28GK101303812SQ20081005371
公開日2008年11月12日 申請日期2008年7月1日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月1日
發(fā)明者豐 田, 謝新武, 孫秋明, 倪愛娟, 胡名璽, 劉長軍, 劉圣軍, 張彥軍 申請人:中國人民解放軍軍事醫(yī)學科學院衛(wèi)生裝備研究所