專利名稱：一種具有仿真脊柱醫療培訓模擬人的脊柱運動量測量方法
技術領域：
本發明涉及醫療教學儀器及醫療器械測試設備，更具體地說，是一種既可用于脊 柱傷搬運訓練又可用于檢測擔架、脊柱固定器材固定效果的脊柱運動量的測量方法。
背景技術：
脊柱損傷搬運不當極易造成二次損傷，嚴重的可造成高位截癱，甚至危及生命。 Laerdal公司的護理模型具備靈活的關節，可用于病員的轉運訓練；Armstrong Medical Industries公司的搶險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 對突發事件中傷者的搬運與解救。國內天津天堰、北京醫模等公司也有類似的產品。目前該 類產品還僅僅做到了外形、關節活動、配重與人體相似，缺陷在于無法測量搬運過程中“脊 柱”的運動，從而無法科學合理地對搬運操作給出評價，用于脊柱傷的搬運訓練效果極為有 限。用于汽車碰撞試驗的安全假人具備一定的脊柱運動測試能力，如較為通用的 Hybrid-III型假人可測量汽車碰撞試驗中假人頭部三個方向上的加速度、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、膝關節滑動位移等物理量。Hybrid-III的頸 部以鋁為材料制成多層盤片，中間為橡膠材料，上軀干設計有鋁制的肩部、肋骨及不銹鋼的 脊柱，肋骨具有一定彈性。由于汽車碰撞試驗與搬運訓練在應用背景上差距較大，關心的問 題也不同(汽車碰撞關心頸部、胸部受到的沖擊，而搬運訓練關心頸、胸、腰椎的彎曲角度 及加速度)，同時汽車碰撞假人造價昂貴，不適合用于搬運訓練。另一方面，用于脊柱損傷搬運的擔架、固定器材也缺乏科學的檢測方法評估其固 定、搬運效果。該類產品常規的測試一般是機械強度、材料特性等方面，由于沒有合適的測 試手段，關系到病員生命安危的固定、搬運效果尚無科學方法給出量化評價。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是，設計一種易于實現的仿真脊柱，使其運動特性與 人體具有一定得相似性；提供一種成本較低的測量方法，使得該發明能夠測量“脊柱”的頸、 胸、腰椎彎曲角度與運動加速度，從而為脊柱傷的搬運訓練及擔架、脊柱固定器材固定效果 檢測提供手段。本發明通過下述方案予以實現，具有仿真脊柱醫療培訓模擬人的脊柱運動量測量 方法包括具有仿真脊柱的模擬人、運動測量與數據傳輸電路和數據處理終端；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，所述運動測量與數據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、單片機系統和無線數據 傳輸模塊構成；上述各彎曲角度測量傳感器的一端固定于相應彈簧連接件的一端，各彎曲角度測量傳感器的旋轉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系統；所述數據處理終端通過無線數據傳輸模塊與單片機系統進行數據交換；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之間的數學關系為<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，實現了 彎曲角度θ的間接測量。本發明運動測量與數據傳輸電路的各傳感器將“脊柱”的彎曲角度、運動加速度轉 換為電信號，AD采樣電路完成模擬量到數字量轉換，單片機系統實現數據采集、處理，并將 數據通過無線數據傳輸模塊發送給PC機。本發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電位計。本發明利用拉線式位移傳感器(或旋轉電位計)固定于彈簧兩端，通過測量彎曲 運動時，拉線的長度變化來間接測量彎曲角度。與現有技術相比，本發明的有益效果是1.可測量“脊柱”的彎曲角度與運動加速度，從而可量化評價搬運訓練效果，同時 還可用于擔架、脊柱固定器材固定效果檢測。2.運動測量與數據傳輸電路與PC機之間采用無線數據通信，使得模擬人與PC之 間不存在線纜連接，方便開展搬運訓練。
圖1是本發明所指模擬人的整體結構圖；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是運動測量與數據傳輸電路系統構成框圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明做進一步描述。圖1是本具有仿真脊柱的模擬人的整體結構圖。“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，運動測 量與數據傳輸電路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18，“骨架” 指由2至11構成的整體。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。對應的 頂角為θ，L為弦長。圖4是運動測量與數據傳輸電路系統構成框圖，圖中箭頭方向代表數據傳輸的方 向。具有仿真脊柱的醫療培訓模擬人、運動測量與數據傳輸電路、數據處理終端三部 分連接關系及各部分內部部件之間關系如下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與運動測量與數據傳 輸電路12連接；上位機操作與顯示軟件運行于PC機18上，PC機18通過無線通訊方式(如 藍牙通訊)與運動測量與數據傳輸電路12建立通信，傳輸數據。PC機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”。“骨架”通過仿真肩部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時“脊柱”可以 彎曲運動。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療培訓模擬人各部分的實現方法加以說明。一、模擬人肢體模型1. “骨架”根據醫學數據，確定頸、胸、腰椎長度，及肋骨尺寸。由于頸、胸、腰椎的運動靈活性 存在差異，需要采用不同彎曲剛度的彈簧。以頸椎彈簧設計為例，依據醫學研究數據，確定 人體頸椎彎曲剛度T'、壓縮剛度F'、旋轉剛度B，通過設計彈簧的材料(彈性模量Ε、泊松 比μ、切變模量G)、鋼絲直徑d、中徑D、圈數η、旋繞比C、自由高度H，使得彈簧的力學特性 與頸部相似。彈簧的壓縮剛度F'、彎曲剛度T'、旋轉剛度B的計算公式如下<formula>formula see original document page 5</formula> 其中K為曲度系數，可由<formula>formula see original document page 5</formula>計算獲得；τ為許用應力，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。彈簧可由65錳彈簧鋼加工制成。胸、腰椎彈簧設計方法同頸椎，不再贅述。彈簧與彈簧之間有相應的連接件連接；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、彎曲運動的自由度，由于仿真肋骨的存在，限定了胸椎 的彎曲自由度，使得胸椎運動自由度與人體更為接近(人體的胸椎彎曲運動幅度較小)。2. “骨架”外包裹材料“骨架”外包裹材料采用聚氨酯發泡制成。將骨架安裝好，放入人形模具內，在人形 模具內部倒入聚氨酯發泡原料，自由發泡，成型后即可制成。通過控制發泡材料的柔軟性， 來模擬人體軟組織。二、運動測量與數據傳輸電路運動測量與數據傳輸電路由傳感器、AD采樣芯片、單片機系統、藍牙通訊模塊4部 分組成。1.傳感器為測量頸、胸、腰椎的彎曲角度，需要三個拉線式位移傳感器(或旋轉電位計)，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 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 定點位于中心。從而保證伸直狀態時，拉線式位移傳感器的測量線延彈簧中徑伸直。當彈簧發生彎曲時，其長度方向如圖3中弧長1。(1。= C，C為彈簧自由高度)。此 時，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 學關系為<formula>formula see original document page 6</formula>從而可以通過解方程獲得彎曲角度θ，實現了彎曲角度θ的間接測量。根據國標GB/T 18368-2001 “臥姿人體全身振動舒適性的評價”標準，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，內部 集成了運算放大電路。2. AD采樣芯片共有6組模擬量輸入(頸、胸、腰椎彎曲角度，加速度在三個方向的分量)，可以選 擇AD公司的AD采樣芯片AD7888，共有8個模擬量輸入通道，采樣頻率可達500Kb/s，采用 SPI接口，便于與單片機的串行數據通訊。3.單片機系統采用C8051F314構建單片機系統。C8051F314支持UTAR串行數據通訊，可以與藍 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，獲取傳感器數據。4.藍牙通訊模塊藍牙通訊模塊可采用南京國春電器生產的藍牙通訊模塊GC-01，有效通訊距離可 以達到100m，最大波特率可達3Mb/s，完全滿足數據傳輸要求。
三、數據處理終端數據處理終端可以為普通PC機，要求PC機具有藍牙通訊能力，對于沒有藍牙通訊能力的PC機，可以連接USB藍牙適配器。PC機內設置操作與顯示軟件，軟件可以采用VC++ 編寫，具備必要的數據顯示界面，能顯示實時的彎曲角度、運動加速度等信息。
權利要求
一種具有仿真脊柱醫療培訓模擬人的脊柱運動量測量方法，其特征是，包括具有仿真脊柱的模擬人、運動測量與數據傳輸電路和數據處理終端；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，所述運動測量與數據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、單片機系統和無線數據傳輸模塊構成；上述各彎曲角度測量傳感器的一端固定于相應彈簧連接件的一端，各彎曲角度測量傳感器的旋轉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系統；所述數據處理終端通過無線數據傳輸模塊與單片機系統進行數據交換；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之間的數學關系為 <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，實現了彎曲角度θ的間接測量。
2.根據權利要求1所述的具有仿真脊柱醫療培訓模擬人的脊柱運動量測量方法，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電位計。
全文摘要
本發明公開了一種具有仿真脊柱醫療培訓模擬人的脊柱運動量測量方法。本發明設計一種易于實現的仿真脊柱，使其運動特性與人體具有一定得相似性；本發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、腰椎彎曲角度與運動加速度，從而為脊柱傷的搬運訓練及擔架、脊柱固定器材固定效果檢測提供手段。技術方案包括具有仿真脊柱的模擬人、運動測量與數據傳輸電路和數據處理終端。
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 優先權日2010年5月6日
發明者倪愛娟, 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學科學院衛生裝備研究所