專利名稱：一種具有仿真脊柱醫(yī)療培訓(xùn)模擬人的脊柱運(yùn)動(dòng)量測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及醫(yī)療教學(xué)儀器及醫(yī)療器械測試設(shè)備，更具體地說，是一種既可用于脊 柱傷搬運(yùn)訓(xùn)練又可用于檢測擔(dān)架、脊柱固定器材固定效果的脊柱運(yùn)動(dòng)量的測量方法。
背景技術(shù)：
脊柱損傷搬運(yùn)不當(dāng)極易造成二次損傷，嚴(yán)重的可造成高位截癱，甚至危及生命。 Laerdal公司的護(hù)理模型具備靈活的關(guān)節(jié)，可用于病員的轉(zhuǎn)運(yùn)訓(xùn)練；Armstrong Medical Industries公司的搶險(xiǎn)系列模擬人具有仿真人體尺寸，可擺出各種體位，配重合理，專門針 對突發(fā)事件中傷者的搬運(yùn)與解救。國內(nèi)天津天堰、北京醫(yī)模等公司也有類似的產(chǎn)品。目前該 類產(chǎn)品還僅僅做到了外形、關(guān)節(jié)活動(dòng)、配重與人體相似，缺陷在于無法測量搬運(yùn)過程中“脊 柱”的運(yùn)動(dòng)，從而無法科學(xué)合理地對搬運(yùn)操作給出評價(jià)，用于脊柱傷的搬運(yùn)訓(xùn)練效果極為有 限。用于汽車碰撞試驗(yàn)的安全假人具備一定的脊柱運(yùn)動(dòng)測試能力，如較為通用的 Hybrid-III型假人可測量汽車碰撞試驗(yàn)中假人頭部三個(gè)方向上的加速度、頸部受到的力與 力矩、胸部的變形量與加速度、大腿受到的力、膝關(guān)節(jié)滑動(dòng)位移等物理量。Hybrid-III的頸 部以鋁為材料制成多層盤片，中間為橡膠材料，上軀干設(shè)計(jì)有鋁制的肩部、肋骨及不銹鋼的 脊柱，肋骨具有一定彈性。由于汽車碰撞試驗(yàn)與搬運(yùn)訓(xùn)練在應(yīng)用背景上差距較大，關(guān)心的問 題也不同(汽車碰撞關(guān)心頸部、胸部受到的沖擊，而搬運(yùn)訓(xùn)練關(guān)心頸、胸、腰椎的彎曲角度 及加速度)，同時(shí)汽車碰撞假人造價(jià)昂貴，不適合用于搬運(yùn)訓(xùn)練。另一方面，用于脊柱損傷搬運(yùn)的擔(dān)架、固定器材也缺乏科學(xué)的檢測方法評估其固 定、搬運(yùn)效果。該類產(chǎn)品常規(guī)的測試一般是機(jī)械強(qiáng)度、材料特性等方面，由于沒有合適的測 試手段，關(guān)系到病員生命安危的固定、搬運(yùn)效果尚無科學(xué)方法給出量化評價(jià)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，設(shè)計(jì)一種易于實(shí)現(xiàn)的仿真脊柱，使其運(yùn)動(dòng)特性與 人體具有一定得相似性；提供一種成本較低的測量方法，使得該發(fā)明能夠測量“脊柱”的頸、 胸、腰椎彎曲角度與運(yùn)動(dòng)加速度，從而為脊柱傷的搬運(yùn)訓(xùn)練及擔(dān)架、脊柱固定器材固定效果 檢測提供手段。本發(fā)明通過下述方案予以實(shí)現(xiàn)，具有仿真脊柱醫(yī)療培訓(xùn)模擬人的脊柱運(yùn)動(dòng)量測量 方法包括具有仿真脊柱的模擬人、運(yùn)動(dòng)測量與數(shù)據(jù)傳輸電路和數(shù)據(jù)處理終端；所述具有仿真脊柱的模擬人的仿真脊柱彈簧由頸部彈簧、胸部彈簧和腰部彈簧依 次通過彈簧連接件連接組成，所述運(yùn)動(dòng)測量與數(shù)據(jù)傳輸電路由頸椎彎曲角度測量傳感器、胸椎彎曲角度測量傳感器、腰椎彎曲角度測量傳感器、3軸加速度傳感器、AD采樣電路、單片機(jī)系統(tǒng)和無線數(shù)據(jù) 傳輸模塊構(gòu)成；上述各彎曲角度測量傳感器的一端固定于相應(yīng)彈簧連接件的一端，各彎曲角度測量傳感器的旋轉(zhuǎn)軸位于彈簧中徑的延長線上，各彎曲角度測量傳感器的另一線端固定于相 應(yīng)彈簧連接件的另一端上；頸椎彎曲角度測量傳感器、胸椎彎曲角度測量傳感器、腰椎彎曲角度測量傳感器 和3軸加速度傳感器分別與AD采樣電路連接，AD采樣電路連接單片機(jī)系統(tǒng)；所述數(shù)據(jù)處理終端通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊與單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；各彎曲角 度測量傳感器可測量出弦長L，弦長L與彎曲角度θ之間的數(shù)學(xué)關(guān)系為<formula>formula see original document page 4</formula>
其中C為彈簧自由高度；從而可以通過解方程獲得各彈簧的彎曲角度Θ，實(shí)現(xiàn)了 彎曲角度θ的間接測量。本發(fā)明運(yùn)動(dòng)測量與數(shù)據(jù)傳輸電路的各傳感器將“脊柱”的彎曲角度、運(yùn)動(dòng)加速度轉(zhuǎn) 換為電信號，AD采樣電路完成模擬量到數(shù)字量轉(zhuǎn)換，單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理，并將 數(shù)據(jù)通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊發(fā)送給PC機(jī)。本發(fā)明頸椎彎曲角度測量傳感器、胸椎彎曲角度測量傳感器和腰椎彎曲角度測量 傳感器為拉線式位移傳感器或旋轉(zhuǎn)電位計(jì)。本發(fā)明利用拉線式位移傳感器(或旋轉(zhuǎn)電位計(jì))固定于彈簧兩端，通過測量彎曲 運(yùn)動(dòng)時(shí)，拉線的長度變化來間接測量彎曲角度。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是1.可測量“脊柱”的彎曲角度與運(yùn)動(dòng)加速度，從而可量化評價(jià)搬運(yùn)訓(xùn)練效果，同時(shí) 還可用于擔(dān)架、脊柱固定器材固定效果檢測。2.運(yùn)動(dòng)測量與數(shù)據(jù)傳輸電路與PC機(jī)之間采用無線數(shù)據(jù)通信，使得模擬人與PC之 間不存在線纜連接，方便開展搬運(yùn)訓(xùn)練。
圖1是本發(fā)明所指模擬人的整體結(jié)構(gòu)圖；圖2是腰椎彎曲角度測量傳感器安裝圖；圖3是彎曲角度測量原理圖；圖4是運(yùn)動(dòng)測量與數(shù)據(jù)傳輸電路系統(tǒng)構(gòu)成框圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步描述。圖1是本具有仿真脊柱的模擬人的整體結(jié)構(gòu)圖。“骨架”外包裹材料1，頸部彈簧 2，胸部彈簧3，腰部彈簧4，仿真肋骨5，仿真胸骨6，仿真肩部7，與模型腿的連接件8，頸部 彈簧端部連接件9、頸部彈簧與胸部彈簧連接件10、胸部彈簧與腰部彈簧連接件11，運(yùn)動(dòng)測 量與數(shù)據(jù)傳輸電路12，傳感器與電路的連接電纜13，頸椎彎曲角度測量傳感器14，胸椎彎 曲角度測量傳感器15，腰椎彎曲角度測量傳感器16，3軸加速度傳感器17，PC機(jī)18，“骨架” 指由2至11構(gòu)成的整體。圖2是腰椎彎曲角度測量傳感器安裝圖，腰椎彎曲角度測量傳感器的一端固定于 腰部彈簧連接件的一端，腰椎彎曲角度測量傳感器的旋轉(zhuǎn)軸位于彈簧中徑的延長線上，腰椎彎曲角度測量傳感器的另一線端固定于腰部彈簧與胸部彈簧連接件的另一端上；頸椎與胸椎彎曲角度測量傳感器的安裝與腰部類似，不再作圖。圖3是彎曲角度測量原理圖，弧Ie在半徑為R的圓上，圓的中心為0，弧1。對應(yīng)的 頂角為θ，L為弦長。圖4是運(yùn)動(dòng)測量與數(shù)據(jù)傳輸電路系統(tǒng)構(gòu)成框圖，圖中箭頭方向代表數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆?向。具有仿真脊柱的醫(yī)療培訓(xùn)模擬人、運(yùn)動(dòng)測量與數(shù)據(jù)傳輸電路、數(shù)據(jù)處理終端三部 分連接關(guān)系及各部分內(nèi)部部件之間關(guān)系如下1.頸部彈簧、胸部彈簧和腰部彈簧分別安裝有頸椎彎曲角度測量傳感器、胸椎彎 曲角度測量傳感器、腰椎彎曲角度測量傳感器，各傳感器通過線纜13與運(yùn)動(dòng)測量與數(shù)據(jù)傳 輸電路12連接；上位機(jī)操作與顯示軟件運(yùn)行于PC機(jī)18上，PC機(jī)18通過無線通訊方式(如 藍(lán)牙通訊)與運(yùn)動(dòng)測量與數(shù)據(jù)傳輸電路12建立通信，傳輸數(shù)據(jù)。PC機(jī)18與肢體模型之間 不存在線纜連接。2.模擬人肢體模型由“骨架”與“骨架”外包裹材料1組成，從肢體模型外部看不 至IJ“骨架”?！肮羌堋蓖ㄟ^仿真肩部7及模型腿部連接件8與外包裹材料1固定，外包裹材料 1采用聚氨酯發(fā)泡，泡沫柔軟程度與人體組織相似，從而肢體模型在外力搬運(yùn)時(shí)“脊柱”可以 彎曲運(yùn)動(dòng)。3.頸部彈簧2，胸部彈簧3，腰部彈簧4依次通過頸部彈簧端部連接件9、頸部彈簧 與胸部彈簧連接件10、胸部彈簧與腰部彈簧連接件11固定，仿真肩部7固定于頸部與胸部 的彈簧固定件10上，肋骨5成環(huán)形，肋骨5底部固定于彈簧，頂部固定于胸骨6。以下就具有仿真脊柱的醫(yī)療培訓(xùn)模擬人各部分的實(shí)現(xiàn)方法加以說明。一、模擬人肢體模型1. “骨架”根據(jù)醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)，確定頸、胸、腰椎長度，及肋骨尺寸。由于頸、胸、腰椎的運(yùn)動(dòng)靈活性 存在差異，需要采用不同彎曲剛度的彈簧。以頸椎彈簧設(shè)計(jì)為例，依據(jù)醫(yī)學(xué)研究數(shù)據(jù)，確定 人體頸椎彎曲剛度T'、壓縮剛度F'、旋轉(zhuǎn)剛度B，通過設(shè)計(jì)彈簧的材料(彈性模量Ε、泊松 比μ、切變模量G)、鋼絲直徑d、中徑D、圈數(shù)η、旋繞比C、自由高度H，使得彈簧的力學(xué)特性 與頸部相似。彈簧的壓縮剛度F'、彎曲剛度T'、旋轉(zhuǎn)剛度B的計(jì)算公式如下<formula>formula see original document page 5</formula> 其中K為曲度系數(shù)，可由<formula>formula see original document page 5</formula>計(jì)算獲得；τ為許用應(yīng)力，確定彈簧材料后可由材料手冊查找；F為彈簧最大載荷，對應(yīng)頸部可承受的最大壓力。已知F'、T'、 B、F，可由方程組確定彈簧參數(shù)。彈簧可由65錳彈簧鋼加工制成。胸、腰椎彈簧設(shè)計(jì)方法同頸椎，不再贅述。彈簧與彈簧之間有相應(yīng)的連接件連接；仿真肋骨采用一定厚度、寬度的金屬條制成，加工成橢圓形，每根橢圓形金屬條底部固定于彈簧上，頂部與仿真胸骨固定。仿真骨架 使得模擬人具備頸、胸、腰部的旋轉(zhuǎn)、彎曲運(yùn)動(dòng)的自由度，由于仿真肋骨的存在，限定了胸椎 的彎曲自由度，使得胸椎運(yùn)動(dòng)自由度與人體更為接近(人體的胸椎彎曲運(yùn)動(dòng)幅度較小)。2. “骨架”外包裹材料“骨架”外包裹材料采用聚氨酯發(fā)泡制成。將骨架安裝好，放入人形模具內(nèi)，在人形 模具內(nèi)部倒入聚氨酯發(fā)泡原料，自由發(fā)泡，成型后即可制成。通過控制發(fā)泡材料的柔軟性， 來模擬人體軟組織。二、運(yùn)動(dòng)測量與數(shù)據(jù)傳輸電路運(yùn)動(dòng)測量與數(shù)據(jù)傳輸電路由傳感器、AD采樣芯片、單片機(jī)系統(tǒng)、藍(lán)牙通訊模塊4部 分組成。1.傳感器為測量頸、胸、腰椎的彎曲角度，需要三個(gè)拉線式位移傳感器(或旋轉(zhuǎn)電位計(jì))，分 別安裝于圖1中所示位置，圖2以腰椎彎曲角度測量傳感器安裝為例，說明了傳感器的具體 安裝方法。將拉線式位移傳感器端固定于彈簧連接件一端，保證拉線式位移傳感器的旋轉(zhuǎn) 軸位于彈簧中徑的延長線上。拉線式位移傳感器的線端固定于彈簧另一端的連接件上，固 定點(diǎn)位于中心。從而保證伸直狀態(tài)時(shí)，拉線式位移傳感器的測量線延彈簧中徑伸直。當(dāng)彈簧發(fā)生彎曲時(shí)，其長度方向如圖3中弧長1。(1。= C，C為彈簧自由高度)。此 時(shí)，拉線式位移傳感器測量線沿弦長方向，可測量出弦長L。弦長L與彎曲角度θ之間的數(shù) 學(xué)關(guān)系為<formula>formula see original document page 6</formula>從而可以通過解方程獲得彎曲角度θ，實(shí)現(xiàn)了彎曲角度θ的間接測量。根據(jù)國標(biāo)GB/T 18368-2001 “臥姿人體全身振動(dòng)舒適性的評價(jià)”標(biāo)準(zhǔn)，可確定加速 度傳感器測量頻率范圍為0. 1-200ΗΖ。可選取3軸MEMS加速度芯片，體積小、功耗低，內(nèi)部 集成了運(yùn)算放大電路。2. AD采樣芯片共有6組模擬量輸入(頸、胸、腰椎彎曲角度，加速度在三個(gè)方向的分量)，可以選 擇AD公司的AD采樣芯片AD7888，共有8個(gè)模擬量輸入通道，采樣頻率可達(dá)500Kb/s，采用 SPI接口，便于與單片機(jī)的串行數(shù)據(jù)通訊。3.單片機(jī)系統(tǒng)采用C8051F314構(gòu)建單片機(jī)系統(tǒng)。C8051F314支持UTAR串行數(shù)據(jù)通訊，可以與藍(lán) 牙通訊模塊串行通訊，支持SPI串行通訊，可以同AD采樣芯片建立通訊，獲取傳感器數(shù)據(jù)。4.藍(lán)牙通訊模塊藍(lán)牙通訊模塊可采用南京國春電器生產(chǎn)的藍(lán)牙通訊模塊GC-01，有效通訊距離可 以達(dá)到100m，最大波特率可達(dá)3Mb/s，完全滿足數(shù)據(jù)傳輸要求。
三、數(shù)據(jù)處理終端數(shù)據(jù)處理終端可以為普通PC機(jī)，要求PC機(jī)具有藍(lán)牙通訊能力，對于沒有藍(lán)牙通訊能力的PC機(jī)，可以連接USB藍(lán)牙適配器。PC機(jī)內(nèi)設(shè)置操作與顯示軟件，軟件可以采用VC++ 編寫，具備必要的數(shù)據(jù)顯示界面，能顯示實(shí)時(shí)的彎曲角度、運(yùn)動(dòng)加速度等信息。
權(quán)利要求
一種具有仿真脊柱醫(yī)療培訓(xùn)模擬人的脊柱運(yùn)動(dòng)量測量方法，其特征是，包括具有仿真脊柱的模擬人、運(yùn)動(dòng)測量與數(shù)據(jù)傳輸電路和數(shù)據(jù)處理終端；所述具有仿真脊柱的模擬人的仿真脊柱彈簧由頸部彈簧、胸部彈簧和腰部彈簧依次通過彈簧連接件連接組成，所述運(yùn)動(dòng)測量與數(shù)據(jù)傳輸電路由頸椎彎曲角度測量傳感器、胸椎彎曲角度測量傳感器、腰椎彎曲角度測量傳感器、3軸加速度傳感器、AD采樣電路、單片機(jī)系統(tǒng)和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊構(gòu)成；上述各彎曲角度測量傳感器的一端固定于相應(yīng)彈簧連接件的一端，各彎曲角度測量傳感器的旋轉(zhuǎn)軸位于彈簧中徑的延長線上，各彎曲角度測量傳感器的另一線端固定于相應(yīng)彈簧連接件的另一端上；頸椎彎曲角度測量傳感器、胸椎彎曲角度測量傳感器、腰椎彎曲角度測量傳感器和3軸加速度傳感器分別與AD采樣電路連接，AD采樣電路連接單片機(jī)系統(tǒng)；所述數(shù)據(jù)處理終端通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊與單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；各彎曲角度測量傳感器可測量出弦長L，弦長L與彎曲角度θ之間的數(shù)學(xué)關(guān)系為 <mrow><mi>θ</mi><mo>·</mo><msup> <mi>sin</mi> <mrow><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow></msup><mfrac> <mi>θ</mi> <mn>2</mn></mfrac><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mn>360</mn><mo>·</mo><mi>C</mi> </mrow> <mrow><mi>π</mi><mo>·</mo><mi>L</mi> </mrow></mfrac> </mrow>其中C為彈簧自由高度；從而可以通過解方程獲得各彈簧的彎曲角度θ，實(shí)現(xiàn)了彎曲角度θ的間接測量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有仿真脊柱醫(yī)療培訓(xùn)模擬人的脊柱運(yùn)動(dòng)量測量方法，其特 征是，所述頸椎彎曲角度測量傳感器、胸椎彎曲角度測量傳感器和腰椎彎曲角度測量傳感 器為拉線式位移傳感器或旋轉(zhuǎn)電位計(jì)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有仿真脊柱醫(yī)療培訓(xùn)模擬人的脊柱運(yùn)動(dòng)量測量方法。本發(fā)明設(shè)計(jì)一種易于實(shí)現(xiàn)的仿真脊柱，使其運(yùn)動(dòng)特性與人體具有一定得相似性；本發(fā)明提供一種成本較低的測量方法，使得能夠測量“脊柱”的頸、胸、腰椎彎曲角度與運(yùn)動(dòng)加速度，從而為脊柱傷的搬運(yùn)訓(xùn)練及擔(dān)架、脊柱固定器材固定效果檢測提供手段。技術(shù)方案包括具有仿真脊柱的模擬人、運(yùn)動(dòng)測量與數(shù)據(jù)傳輸電路和數(shù)據(jù)處理終端。
文檔編號G01M99/00GK101826270SQ20101016458
公開日2010年9月8日 申請日期2010年5月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月6日
發(fā)明者倪愛娟, 劉長軍, 孫秋明, 張彥軍, 田豐, 謝新武, 魏高峰 申請人:中國人民解放軍軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院衛(wèi)生裝備研究所