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人体胸廓在心肺复苏胸外心脏按压下力学特性的建模及实物模拟研究

作　者: 谢新武
导　师: 田丰
学　校: 中国人民解放军军事医学科学院
专　业: 生物医学工程
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”
分类号: R318.01
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

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模拟人样机弹性力做功、弹性力曲线、阻尼系数均最接近“典型人”,力学特性优于其他模拟人。通过建模、仿真、实现、实验的过程,加深了对人体胸廓在CPR按压下的力学特性的认识,并进一步实现了CPR模拟人样机,其力学性能在现有模拟人基础上有了明显的提高。建模思想指导了非线性弹簧(组)的实现方案,而实物模型的最终实现,则反过来验证了Gruben简化模型的正确性。建模与仿真过程运用了Lemke优化算法,并研究出一种基于灰度值的图像提取算法,具有一定的实用价值。对模型的实现借助于对弹簧、阻尼器设计的深入研究,并在该过程中总结出基于高度补偿的不等变形组合压缩弹簧设计方法。充分运用虚拟仪器技术搭建的CPR力学实验系统,能够应用于类似的实验场合。实验的进行保证了模型实现的精度,验证了可行性,并通过与同类产品的比较确立了模型与实现方法的价值。将本文的成果应用于CPR模拟人,有利于提高CPR按压训练的效果。

全文目录

摘要  11-13
ABSTRACT  13-16
第1章绪论  16-29
  1.1 CPR 胸外按压技术概述  16-21
    1.1.1 CPR 胸外按压技术标准  17-18
    1.1.2 CPR 按压的相关解剖学基础  18-20
    1.1.3 CPR 胸外按压的实施  20
    1.1.4 CPR 培训教学与CPR 模拟人  20-21
  1.2 人体胸廓CPR 胸外按压力学特性研究  21-23
    1.2.1 人体胸廓CPR 按压下力-胸骨位移关系模型  21-22
    1.2.2 胸外按压-血液流动理论  22-23
  1.3 CPR 模拟人对胸廓力学特性的模拟  23-27
    1.3.1 CPR 模拟人概况  23-24
    1.3.2 CPR 模拟人对胸廓力学特性的模拟方法  24-27
  1.4 本研究的提出及其意义  27-29
第2章人体胸廓在CPR按压下力学特性的Gruben简化模型的建立与仿真  29-43
  2.1 粘弹性体力学基本理论  29-32
    2.1.1 生物力学基本理论简介  29-31
    2.1.2 粘弹性体基本理论  31-32
  2.2 Gruben 模型及“典型人”参数  32-33
  2.3 Gruben 简化模型的提出与推导  33-36
    2.3.1 基于人体胸廓解剖结构的模型假设  33-34
    2.3.2 模型表达式的推导  34-36
  2.4 Gruben 简化模型的检验与仿真  36-40
    2.4.1 基于灰度值的实验数据提取算法  36-37
    2.4.2 基于Lemke 优化算法的参数确定  37-38
    2.4.3 模型检验  38
    2.4.4 Simulink 残差分析与仿真  38-40
  2.5 Gruben 简化模型的“典型人”参数确定  40-41
  2.6 Gruben 简化模型的意义与应用  41-42
  2.7 本章小结  42-43
第3章变刚度弹簧（组）并联阻尼器模拟人体胸廓的设计与实现  43-58
  3.1 模拟人体胸廓的变刚度弹簧（组）的设计  43-51
    3.1.1 弹簧设计基本理论  43-44
    3.1.2 变刚度弹簧（组）技术  44-46
    3.1.3 变刚度弹簧（组）的设计方法  46-47
      3.1.3.1 不等节距圆柱螺旋压缩弹簧设计方法  46-47
      3.1.3.2 不等变形并列式组合压缩弹簧设计的高度补偿法  47
    3.1.4 基于等效做功的变刚度弹簧（组）设计  47-51
  3.2 模拟人体胸廓的液压阻尼器的选型与改进设计  51-54
    3.2.1 液压阻尼器及其设计  51-52
    3.2.2 模拟人体胸廓的阻尼器选型及改进设计  52-54
  3.3 模拟人体胸廓的结构实现  54-56
    3.3.1 弹簧组-阻尼器结构的实现  54-56
    3.3.2 基于弹簧组-阻尼器结构的CPR 模拟人胸廓  56
  3.4 本章小结  56-58
第4章基于虚拟仪器技术的人体胸廓CPR力学特性实验系统的设计与实现  58-75
  4.1 相关实验装置简介  58-60
    4.1.1 Michael Baubin 的实验系统  58-59
    4.1.2 Gruben 的实验系统  59-60
    4.1.3 现有实验系统的优缺点  60
  4.2 单自由度实验加载系统的设计  60-65
    4.2.1 单自由度实验架的设计与制作  61-63
    4.2.2 传感器安装结构设计与加工  63-65
  4.3 基于虚拟仪器技术的采集系统  65-70
    4.3.1 虚拟仪器技术及LabVIEW 简介  65-66
    4.3.2 硬件系统设计  66-67
    4.3.3 基于LabVIEW 的软件系统  67-70
  4.4 CPR 力学实验系统的实现与标定  70-74
    4.4.1 CPR 力学实验系统的总体实现  70
    4.4.3 CPR 力学实验系统标定  70-74
  4.5 本章小结  74-75
第5章 CPR模拟人样机力学性能试验、参数调整及与同类模拟人比较  75-92
  5.1 弹簧、阻尼器力学性能测试与参数调整  75-81
    5.1.1 弹簧（组）静态力测试与设计选型  75-77
    5.1.2 阻尼器力学性能测试  77-79
    5.1.3 总体改进设计与CPR 模拟人样机  79-81
  5.2 模拟人样机在CPR 按压下力-胸骨位移关系特性的实验  81-83
  5.3 基于CPR 力学实验系统的现有模拟人胸廓力学特性实验及比较  83-91
    5.3.1 实验及数据处理方法  83-84
      5.3.1.1 模拟人的测试及数据获取、处理方法  83-84
      5.3.1.2 Gruben 模型“典型人”处理方法  84
    5.3.2 实验结果及比较讨论  84-90
    5.3.3 实验结论  90-91
  5.4 本章小结  91-92
结论与展望  92-94
参考文献  94-98
附录1：LEMKE算法基本步骤  98-100
附录2：LEMKE算法程序代码(MATLAB .M文件)  100-102
文献综述  102-109
在学期间取得的成果及发表的代表性论著(全文)  109-112
作者简历  112-113
致谢  113

人体胸廓在心肺复苏胸外心脏按压下力学特性的建模及实物模拟研究

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