关键词:
心肺复苏(CPR)
胸外按压
力-胸骨位移
滞回曲线
模拟人
变刚度弹簧-阻尼系统
虚拟仪器
LabVIEW软件
“典型人”
摘要:
本文针对心肺复苏(Cardiopulmonary Resuscitation,CPR)模拟人的关键技术——胸廓力学特性的模拟——进行了探讨,从人体胸廓力学特性模型研究出发,通过简化现有模型,得到力-胸骨位移Gruben简化模型表达式,据此采用变刚度弹簧(组)-阻尼器进行模拟,通过设计一套CPR力学实验系统,对模拟方法进行实验验证,并指导改进弹簧和阻尼器的参数设计,最终得到CPR模拟人样机,实现了对人体胸廓在CPR按压下的按压力-胸骨位移关系的精确模拟。 本文简要概述了CPR基本知识、CPR的解剖基础以及胸外按压-血液流动理论;综述了CPR模拟人的发展与现状。重点综述了人体胸廓CPR胸外按压力学特性研究,讨论了人体胸廓CPR按压下力-胸骨位移关系的模型,最新研究表明,人体胸廓的按压力-胸骨位移关系呈滞回曲线特性。综合阐述了CPR模拟人对胸廓力学特性的模拟,介绍了包括弹簧、聚亚胺酯发泡的弹性块、风箱结构等在内的多种实现方式。实验研究表明,模拟人胸廓力学特性与人体胸廓差异明显,主要体现在:1、力-位移关系过于线性,与人体胸廓弹性力的非线性特征不符;2、阻尼太小。因而有必要对人体胸廓的力学特性的模型及其模拟进行研究,本文研究的主要问题就是对人体胸廓CPR下力学特性的建模与模拟实现,针对现有模拟人的主要不足,以建模-模型实现-实验的基本思路,采用变刚度弹簧(组)-阻尼器结构进行模拟,并进行必要的实验。 建立了人体胸廓在CPR按压下力学特性的Gruben简化模型,并进行了仿真。在研究Gruben模型的建模过程、意义及为何需要简化的基础上,运用粘弹性体的Boltzmann叠加理论和Voiget模型,对人体胸廓的解剖结构进行简化,提出将人体肋骨看作弹簧,胸廓是多个弹簧支撑的弹簧-阻尼系统的假设,进而得到该系统的力-位移关系表达式,通过推导、简化,得到简化表达式。采用基于灰度值的图像处理算法提取一例人体胸廓实验数据,用Lemke算法确定该数据下的模型参数,进而进行模型检验、残差分析与仿真试验,得到Gruben简化模型决定系数为0.9816,说明模型表达式较好地符合了人体胸廓的特性。最后采用函数逼近算法确定了Gruben简化模型的“典型人”参数。该模型表达式较Gruben模型减少了3项,有利于指导对人体胸廓力学特性的实物模拟。 根据建立的Gruben简化模型,采用变刚度弹簧(组)并联阻尼器模拟人体胸廓。依据弹簧设计计算基本理论、变刚度弹簧组的技术特点,研究适合本文的变刚度弹簧组的设计方法,并分别设计加工出4组不等变形并列式组合压缩弹簧和2个不等节距圆柱螺旋压缩弹簧。对液压阻尼器的原理、结构及其设计计算进行研究,选择对液压阻尼器AC2050-1进行改进设计,加工出行程60 mm,且阻尼系数接近人体胸廓的液压阻尼器AC2060。将变刚度弹簧(组)与阻尼器并联,构建弹簧-阻尼结构,并以此为核心搭建CPR模拟人胸廓。 本文构建了基于虚拟仪器技术的人体胸廓CPR按压下力学特性的实验系统。基于虚拟仪器技术,设计实验系统总体架构,对现有的相关实验装置特别是Gruben等的实验系统进行研究,结合本实验需要,吸收前述装置的优点,设计实验架,重点研究加载的垂直性、传感器的安装方式等问题,保证测量的准确性。选择高精度、符合动态测试需要的力、位移传感器、NI-USB6229采集卡等采集按压力与胸骨位移的信息,在计算机中进行处理。使用LabVIEW开发采集与处理软件,对传感器数据进行采集、处理、分析。将实验系统搭建完成之后,设计比对实验,采用Instron?5865万能实验机对其进行整体校准,系统的力和位移测量相对误差为1.27%和0.75%,说明该试验系统能满足CPR按压力学实验的需要。 对弹簧、阻尼器分别进行静态、动态力学试验,测试弹簧刚度、阻尼器阻尼系数,并根据试验结果与设计要求的差异改进刚度与阻尼系数设计参数,最终得到各弹簧组的刚度误差小于1%,阻尼器阻尼系数为2.10 Ns/cm。对以变刚度弹簧-阻尼系统为核心的CPR模拟人样机进行标准CPR按压下的力学试验,其按压力-胸骨位移呈与人体胸廓近似的滞回曲线,各项参数与代表人体胸廓平均水平的“典型人”相对误差均小于9%,其中弹性力做功、弹性力曲线、阻尼系数(3.19 Ns/cm)相对误差分别为8.45%、8.56%、7.33%。对现有的国内外典型CPR模拟人进行同样的实验,与“典型人”相对误差均大于本文研制的CPR模拟人样机,其中Leardel公司的复苏安妮(女)的弹性力做功、弹性力曲线、阻尼系数相对误差分别为13.85%、44.20%、59.91%。对CPR按压实验数据拟合结果从力学特性的整体、细节与过程层面,即弹性力做功、弹性力曲线、阻尼系数等参数的比较分析,得到结论,本文采用变刚度弹簧(组)-阻尼器技术的CPR