[发明专利]人体胸廓在心肺复苏胸外心脏按压下弹性曲线的模拟方法

说明书

技术领域

本发明涉及模拟力学及模型，具体地说，是一种心肺复苏胸外心脏按压下的力-胸骨位移关系滞回曲线的模拟方法。

技术背景

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]

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：1、静态加载下力-位移是线性关系，与人体胸廓弹性力的非线性特征不符；2、动态加载下因摩擦等因素的存在，按压与松弛过程稍有不同，但无明显的阻尼现象，与人体胸廓存在明显阻尼不符；3、现有心肺复苏模拟人胸廓总体上其按压过程和松弛过程的力是基本一致的，与人体胸廓在心肺复苏胸外按压时按压与松弛过程的阻力成明显的滞回曲线不符。

发明内容

本发明的目的在于克服现有结构存在的不足，提供一种能够真实反映心肺复苏胸外心脏按压下的力-胸骨位移关系的模拟方法。

本发明心肺复苏胸外心脏按压下的弹性曲线的模拟方法，其特征是，按照下述步骤实现：

(1)采用不等变形并列线性压缩弹簧组模拟胸廓的非线性弹性力，采用至少2个不等变形的线性压缩弹簧并联，在心肺复苏要求的0-5.0cm按压深度内，弹簧组弹性力对位移的分段线性曲线与公开发表的典型人体的胸廓弹性力曲线在各段积分值相等；各弹簧的刚度与弹簧高度配合从而可以拟合典型人体胸廓的弹性力：在心肺复苏胸外按压的位移范围内(5.0cm)，弹簧组的力-位移曲线呈分段线性，各分段区间内力的积分值与公式[3]在相应区间的积分值相等，其物理意义是在心肺复苏按压时弹簧组各段及整个过程做功与在典型人体胸廓上按压所作的功相同，从而可以实现分段线性拟合非线性曲线；弹簧的安装套管可将弹簧固定并能将各弹簧顶端的高度差固定；弹簧组安装在套管中从上端进行加载时，可精确拟合人体胸廓的非线性弹性力；

(2)采用缓冲设备模拟胸廓阻尼力，阻尼系数与公开发表的典型人体阻尼系数平均值相同，缓冲设备的阻尼系数(即公式[4]中x′的系数(0.710+0.887x))在0-5cm内的平均值(2.93Ns/cm)相等；

(3)弹簧组和缓冲设备并联，模拟胸廓在胸外按压下按压-松弛过程的按压力-胸骨位移的滞回曲线，符合公式[1]。

将本发明应用于模拟人体，模拟胸廓前后壁模拟人体胸壁，在上面分别安装缓冲设备和弹簧组的两端，固定后形成胸廓模拟机构。整个胸廓模拟机构结构稳定能顺畅的进行按压操作，用于心肺复苏模拟人对人体胸廓的模拟。