一种具有仿真脊柱医疗培训模拟人的脊柱运动量测量方法

摘要

本发明公开了一种具有仿真脊柱医疗培训模拟人的脊柱运动量测量方法。本发明设计一种易于实现的仿真脊柱，使其运动特性与人体具有一定得相似性；本发明提供一种成本较低的测量方法，使得能够测量“脊柱”的颈、胸、腰椎弯曲角度与运动加速度，从而为脊柱伤的搬运训练及担架、脊柱固定器材固定效果检测提供手段。技术方案包括具有仿真脊柱的模拟人、运动测量与数据传输电路和数据处理终端。

说明书

技术领域

本发明涉及医疗教学仪器及医疗器械测试设备，更具体地说，是一种既可用于脊柱伤搬运训练又可用于检测担架、脊柱固定器材固定效果的脊柱运动量的测量方法。

背景技术

脊柱损伤搬运不当极易造成二次损伤，严重的可造成高位截瘫，甚至危及生命。Laerdal公司的护理模型具备灵活的关节，可用于病员的转运训练；Armstrong Medical Industries公司的抢险系列模拟人具有仿真人体尺寸，可摆出各种体位，配重合理，专门针对突发事件中伤者的搬运与解救。国内天津天堰、北京医模等公司也有类似的产品。目前该类产品还仅仅做到了外形、关节活动、配重与人体相似，缺陷在于无法测量搬运过程中“脊柱”的运动，从而无法科学合理地对搬运操作给出评价，用于脊柱伤的搬运训练效果极为有限。

用于汽车碰撞试验的安全假人具备一定的脊柱运动测试能力，如较为通用的Hybrid-III型假人可测量汽车碰撞试验中假人头部三个方向上的加速度、颈部受到的力与力矩、胸部的变形量与加速度、大腿受到的力、膝关节滑动位移等物理量。Hybrid-III的颈部以铝为材料制成多层盘片，中间为橡胶材料，上躯干设计有铝制的肩部、肋骨及不锈钢的脊柱，肋骨具有一定弹性。由于汽车碰撞试验与搬运训练在应用背景上差距较大，关心的问题也不同(汽车碰撞关心颈部、胸部受到的冲击，而搬运训练关心颈、胸、腰椎的弯曲角度及加速度)，同时汽车碰撞假人造价昂贵，不适合用于搬运训练。

另一方面，用于脊柱损伤搬运的担架、固定器材也缺乏科学的检测方法评估其固定、搬运效果。该类产品常规的测试一般是机械强度、材料特性等方面，由于没有合适的测试手段，关系到病员生命安危的固定、搬运效果尚无科学方法给出量化评价。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，设计一种易于实现的仿真脊柱，使其运动特性与人体具有一定得相似性；提供一种成本较低的测量方法，使得该发明能够测量“脊柱”的颈、胸、腰椎弯曲角度与运动加速度，从而为脊柱伤的搬运训练及担架、脊柱固定器材固定效果检测提供手段。

本发明通过下述方案予以实现，具有仿真脊柱医疗培训模拟人的脊柱运动量测量方法包括具有仿真脊柱的模拟人、运动测量与数据传输电路和数据处理终端；

所述具有仿真脊柱的模拟人的仿真脊柱弹簧由颈部弹簧、胸部弹簧和腰部弹簧依次通过弹簧连接件连接组成，

所述运动测量与数据传输电路由颈椎弯曲角度测量传感器、胸椎弯曲角度测量传感器、腰椎弯曲角度测量传感器、3轴加速度传感器、AD采样电路、单片机系统和无线数据传输模块构成；

上述各弯曲角度测量传感器的一端固定于相应弹簧连接件的一端，各弯曲角度测量传感器的旋转轴位于弹簧中径的延长线上，各弯曲角度测量传感器的另一线端固定于相应弹簧连接件的另一端上；

颈椎弯曲角度测量传感器、胸椎弯曲角度测量传感器、腰椎弯曲角度测量传感器和3轴加速度传感器分别与AD采样电路连接，AD采样电路连接单片机系统；

所述数据处理终端通过无线数据传输模块与单片机系统进行数据交换；各弯曲角度测量传感器可测量出弦长L，弦长L与弯曲角度θ之间的数学关系为：

$\theta ·{\sin }^{-1}\frac{\theta }{2}=\frac{360·C}{\pi ·L}$

其中C为弹簧自由高度；从而可以通过解方程获得各弹簧的弯曲角度θ，实现了弯曲角度θ的间接测量。

本发明运动测量与数据传输电路的各传感器将“脊柱”的弯曲角度、运动加速度转换为电信号，AD采样电路完成模拟量到数字量转换，单片机系统实现数据采集、处理，并将数据通过无线数据传输模块发送给PC机。

本发明颈椎弯曲角度测量传感器、胸椎弯曲角度测量传感器和腰椎弯曲角度测量传感器为拉线式位移传感器或旋转电位计。

本发明利用拉线式位移传感器(或旋转电位计)固定于弹簧两端，通过测量弯曲运动时，拉线的长度变化来间接测量弯曲角度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.可测量“脊柱”的弯曲角度与运动加速度，从而可量化评价搬运训练效果，同时还可用于担架、脊柱固定器材固定效果检测。

2.运动测量与数据传输电路与PC机之间采用无线数据通信，使得模拟人与PC之间不存在线缆连接，方便开展搬运训练。

附图说明

图1是本发明所指模拟人的整体结构图；

图2是腰椎弯曲角度测量传感器安装图；

图3是弯曲角度测量原理图；

图4是运动测量与数据传输电路系统构成框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

图1是本具有仿真脊柱的模拟人的整体结构图。“骨架”外包裹材料1，颈部弹簧2，胸部弹簧3，腰部弹簧4，仿真肋骨5，仿真胸骨6，仿真肩部7，与模型腿的连接件8，颈部弹簧端部连接件9、颈部弹簧与胸部弹簧连接件10、胸部弹簧与腰部弹簧连接件11，运动测量与数据传输电路12，传感器与电路的连接电缆13，颈椎弯曲角度测量传感器14，胸椎弯曲角度测量传感器15，腰椎弯曲角度测量传感器16，3轴加速度传感器17，PC机18，“骨架”指由2至11构成的整体。

图2是腰椎弯曲角度测量传感器安装图，腰椎弯曲角度测量传感器的一端固定于腰部弹簧连接件的一端，腰椎弯曲角度测量传感器的旋转轴位于弹簧中径的延长线上，腰椎弯曲角度测量传感器的另一线端固定于腰部弹簧与胸部弹簧连接件的另一端上；颈椎与胸椎弯曲角度测量传感器的安装与腰部类似，不再作图。

图3是弯曲角度测量原理图，弧l_C在半径为R的圆上，圆的中心为0，弧l_C对应的顶角为θ，L为弦长。

图4是运动测量与数据传输电路系统构成框图，图中箭头方向代表数据传输的方向。

具有仿真脊柱的医疗培训模拟人、运动测量与数据传输电路、数据处理终端三部分连接关系及各部分内部部件之间关系如下：

1.颈部弹簧、胸部弹簧和腰部弹簧分别安装有颈椎弯曲角度测量传感器、胸椎弯曲角度测量传感器、腰椎弯曲角度测量传感器，各传感器通过线缆13与运动测量与数据传输电路12连接；上位机操作与显示软件运行于PC机18上，PC机18通过无线通讯方式(如蓝牙通讯)与运动测量与数据传输电路12建立通信，传输数据。PC机18与肢体模型之间不存在线缆连接。

2.模拟人肢体模型由“骨架”与“骨架”外包裹材料1组成，从肢体模型外部看不到“骨架”。“骨架”通过仿真肩部7及模型腿部连接件8与外包裹材料1固定，外包裹材料1采用聚氨酯发泡，泡沫柔软程度与人体组织相似，从而肢体模型在外力搬运时“脊柱”可以弯曲运动。

3.颈部弹簧2，胸部弹簧3，腰部弹簧4依次通过颈部弹簧端部连接件9、颈部弹簧与胸部弹簧连接件10、胸部弹簧与腰部弹簧连接件11固定，仿真肩部7固定于颈部与胸部的弹簧固定件10上，肋骨5成环形，肋骨5底部固定于弹簧，顶部固定于胸骨6。

以下就具有仿真脊柱的医疗培训模拟人各部分的实现方法加以说明。

一、模拟人肢体模型

1.“骨架”

根据医学数据，确定颈、胸、腰椎长度，及肋骨尺寸。由于颈、胸、腰椎的运动灵活性存在差异，需要采用不同弯曲刚度的弹簧。以颈椎弹簧设计为例，依据医学研究数据，确定人体颈椎弯曲刚度T′、压缩刚度F′、旋转刚度B，通过设计弹簧的材料(弹性模量E、泊松比μ、切变模量G)、钢丝直径d、中径D、圈数n、旋绕比C、自由高度H，使得弹簧的力学特性与颈部相似。

弹簧的压缩刚度F′、弯曲刚度T′、旋转刚度B的计算公式如下：

$\left(\begin{array}{c}{F}^{\prime }=\frac{{\mathrm{Gd}}^4}{{8D}^{3}n}\\ T^{\prime }=\frac{{\mathrm{Ed}}^4}{64\mathrm{Dn}}\\ B=\frac{{\mathrm{HEd}}^4}{32\mathrm{Dn}(2+\mu )}\\ d\ge 1.6\sqrt{\frac{\mathrm{KFC}}{\tau }}\end{array}\right)$

其中K为曲度系数，可由计算获得；τ为许用应力，确定弹簧材料后可由材料手册查找；F为弹簧最大载荷，对应颈部可承受的最大压力。已知F′、T′、B、F，可由方程组确定弹簧参数。弹簧可由65锰弹簧钢加工制成。

胸、腰椎弹簧设计方法同颈椎，不再赘述。

弹簧与弹簧之间有相应的连接件连接；仿真肋骨采用一定厚度、宽度的金属条制成，加工成椭圆形，每根椭圆形金属条底部固定于弹簧上，顶部与仿真胸骨固定。仿真骨架使得模拟人具备颈、胸、腰部的旋转、弯曲运动的自由度，由于仿真肋骨的存在，限定了胸椎的弯曲自由度，使得胸椎运动自由度与人体更为接近(人体的胸椎弯曲运动幅度较小)。

2.“骨架”外包裹材料

“骨架”外包裹材料采用聚氨酯发泡制成。将骨架安装好，放入人形模具内，在人形模具内部倒入聚氨酯发泡原料，自由发泡，成型后即可制成。通过控制发泡材料的柔软性，来模拟人体软组织。

二、运动测量与数据传输电路

运动测量与数据传输电路由传感器、AD采样芯片、单片机系统、蓝牙通讯模块4部分组成。

1.传感器

为测量颈、胸、腰椎的弯曲角度，需要三个拉线式位移传感器(或旋转电位计)，分别安装于图1中所示位置，图2以腰椎弯曲角度测量传感器安装为例，说明了传感器的具体安装方法。将拉线式位移传感器端固定于弹簧连接件一端，保证拉线式位移传感器的旋转轴位于弹簧中径的延长线上。拉线式位移传感器的线端固定于弹簧另一端的连接件上，固定点位于中心。从而保证伸直状态时，拉线式位移传感器的测量线延弹簧中径伸直。

当弹簧发生弯曲时，其长度方向如图3中弧长l_c(l_c＝C，C为弹簧自由高度)。此时，拉线式位移传感器测量线沿弦长方向，可测量出弦长L。弦长L与弯曲角度θ之间的数学关系为：

$\theta ·{\sin }^{-1}\frac{\theta }{2}=\frac{360·C}{\pi ·L}$

从而可以通过解方程获得弯曲角度θ，实现了弯曲角度θ的间接测量。

根据国标GB/T 18368-2001“卧姿人体全身振动舒适性的评价”标准，可确定加速度传感器测量频率范围为0.1-200Hz。可选取3轴MEMS加速度芯片，体积小、功耗低，内部集成了运算放大电路。

2.AD采样芯片

共有6组模拟量输入(颈、胸、腰椎弯曲角度，加速度在三个方向的分量)，可以选择AD公司的AD采样芯片AD7888，共有8个模拟量输入通道，采样频率可达500Kb/s，采用SPI接口，便于与单片机的串行数据通讯。

3.单片机系统

采用C8051F314构建单片机系统。C8051F314支持UTAR串行数据通讯，可以与蓝牙通讯模块串行通讯，支持SPI串行通讯，可以同AD采样芯片建立通讯，获取传感器数据。

4.蓝牙通讯模块

蓝牙通讯模块可采用南京国春电器生产的蓝牙通讯模块GC-01，有效通讯距离可以达到100m，最大波特率可达3Mb/s，完全满足数据传输要求。

三、数据处理终端

数据处理终端可以为普通PC机，要求PC机具有蓝牙通讯能力，对于没有蓝牙通讯能力的PC机，可以连接USB蓝牙适配器。PC机内设置操作与显示软件，软件可以采用VC++编写，具备必要的数据显示界面，能显示实时的弯曲角度、运动加速度等信息。