本實(shí)用新型涉及傳感器檢測及醫(yī)學(xué)教學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種用于人體四肢長骨骨折診斷與固定復(fù)位訓(xùn)練的仿真模擬系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

骨折是急救和院內(nèi)常見疾患，在戰(zhàn)爭和地震災(zāi)害的時(shí)候，發(fā)病率能達(dá)到近30％，對(duì)骨折的處理是醫(yī)學(xué)界的重要課題。在現(xiàn)場或院前急救，需要對(duì)骨折患者進(jìn)行固定，在院內(nèi)，需要對(duì)骨折患者進(jìn)行復(fù)位與固定。手法復(fù)位是中醫(yī)骨傷科一項(xiàng)重要的技術(shù)，現(xiàn)有的對(duì)醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行的骨折固定復(fù)位訓(xùn)練基本是通過書本講解、觀看解剖模型、正常人身體上模擬訓(xùn)練、積累對(duì)病人處理經(jīng)驗(yàn)等方式，由于初學(xué)者缺乏經(jīng)驗(yàn)，在正常人身上又無法得到骨折時(shí)的處理經(jīng)驗(yàn)，而通過在病人身上積累經(jīng)驗(yàn)一方面易對(duì)病人造成更多不必要的痛苦，病人不易接受；另一方面對(duì)一些不常見的病例難以獲得經(jīng)驗(yàn)。近年來興起的模擬人技術(shù)則有望解決這個(gè)問題，通過模擬人對(duì)人體解剖結(jié)構(gòu)和病癥的模擬，使得受訓(xùn)者能夠重復(fù)得到接近真實(shí)病例的體驗(yàn)，為相關(guān)醫(yī)學(xué)技術(shù)的培訓(xùn)提供了科學(xué)可靠的平臺(tái)。目前尚未有專門的骨折診斷及固定復(fù)位訓(xùn)練模擬人模型產(chǎn)品。

中國實(shí)用新型專利號(hào)：98112545.X的“骨折、脫位手法復(fù)位模型”，公開了一種用于骨折復(fù)位手法模擬訓(xùn)練的模型。它首次用機(jī)械、電子技術(shù)將人體多處骨折的特征模擬出來，能夠進(jìn)行手法復(fù)位練習(xí)，并能聲光指示手法復(fù)位成功與否。該模型的軀干為鋼木結(jié)構(gòu)，骨骼為聚氯乙烯硬塑棒，肌肉用黑橡膠帶及拉簧制作，扁闊肌用海綿片模擬，皮膚用人造革仿制。模型高160cm、重30kg,可臥可坐。分為開啟、固鎖、電路、控制四大系統(tǒng)。該模型的優(yōu)點(diǎn)是能夠進(jìn)行開啟、固鎖等控制，并有聲光提示是否復(fù)位成功。但是該模型也存在一個(gè)明顯的缺陷就是模型仿真度不高。人體骨折手法復(fù)位的第一步即為“手摸心會(huì)”，強(qiáng)調(diào)通過手的觸摸，了解骨折病情，包括骨折的部位、解剖結(jié)構(gòu)的錯(cuò)位程度、旋轉(zhuǎn)移位或縮短移位的情況等，從而形成對(duì)骨折部位的立體印象，再研究復(fù)位的手法和步驟。而實(shí)用新型98112545.X并未按人體骨骼的解剖外形制作，對(duì)骨折涉及到的分離移位、側(cè)方移位、縮短移位、成角移位、旋轉(zhuǎn)移位等，并不能很好地進(jìn)行模擬，也需要設(shè)計(jì)較為規(guī)則的斷面才能順利完成各項(xiàng)操作，與人體骨折的復(fù)雜情況不符，難以獲得“手摸心會(huì)”的訓(xùn)練效果；該實(shí)用新型檢測復(fù)位的方法由于有較多的機(jī)械結(jié)構(gòu)，本身可能對(duì)復(fù)位過程造成干擾，使得復(fù)位手感不真實(shí)。另外，該模型的一個(gè)不足之處是它只能簡單地用聲光提示復(fù)位成功與否，對(duì)于復(fù)位操作過程沒有檢測與提示，也就不能實(shí)時(shí)指導(dǎo)與糾正訓(xùn)練動(dòng)作，訓(xùn)練效果不佳。因而該實(shí)用新型作為診斷和固定復(fù)位的訓(xùn)練模型并不合適。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有結(jié)構(gòu)存在的不足，本實(shí)用新型提出了一種人體骨折診斷、固定與復(fù)位訓(xùn)練模擬系統(tǒng)，高仿真度地用于人體四肢長骨骨折診斷及固定復(fù)位訓(xùn)練的模型，診斷與固定訓(xùn)練模擬系統(tǒng)基于人體骨折模型，并且具有配套執(zhí)行的訓(xùn)練軟件系統(tǒng)。

本實(shí)用新型提出了一種人體骨折診斷、固定與復(fù)位訓(xùn)練模擬系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括上位機(jī)、人體骨折模型和所述人體骨折模型內(nèi)部設(shè)置的檢測電路，其中：人體骨折模型至少包括骨骼模型、關(guān)節(jié)連接件、皮膚模型、肌肉模型、血管模型、模擬血液袋以及所構(gòu)成的傷口模型；其中：骨骼模型，具有人體骨骼所有的解剖外形特征和硬度；關(guān)節(jié)連接件由金屬機(jī)械結(jié)構(gòu)構(gòu)成，將骨骼模型按照人體關(guān)節(jié)活動(dòng)特征連接起來，確保大關(guān)節(jié)的活動(dòng)自由度及角度范圍與正常人體一致；皮膚模型覆蓋于骨折模型的最外層表面；肌肉模型設(shè)置在皮膚模型和骨骼模型之間；傷口模型結(jié)合骨骼模型、關(guān)節(jié)連接件、皮膚模型和肌肉模型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出兩種模式，即閉合性骨折傷口模型和開放性骨折傷口模型；且于傷口模型中設(shè)置骨折斷裂處模擬結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)中至少包括兩個(gè)模擬骨折斷面；

檢測電路具有主控單元和其控制的至少一個(gè)傳感組件、有線或無線通訊單元及電源，主控單元通過有線或無線通訊單元與上位機(jī)連接，每個(gè)傳感組件包括兩個(gè)慣性傳感器和一個(gè)位移傳感器，所述位移傳感器由柵格觸點(diǎn)式變阻器和觸點(diǎn)探針組成，觸點(diǎn)探針安裝于一個(gè)骨折斷面的幾何中心，柵格觸點(diǎn)式變阻器安裝于另一骨折斷面，兩個(gè)所述慣性傳感器分別設(shè)置于所述模擬骨折斷面的兩端。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果是：在同類裝置中首次逼真模擬人體四肢皮膚骨骼肌肉系統(tǒng)，長骨常見骨折的體征表現(xiàn)，以及四肢大關(guān)節(jié)的活動(dòng)自由度及活動(dòng)的角度范圍；同時(shí)，通過智能傳感器、檢測電路及上位機(jī)軟件系統(tǒng)對(duì)訓(xùn)練動(dòng)作過程進(jìn)行全程監(jiān)測，以虛實(shí)結(jié)合的方式訓(xùn)練時(shí)對(duì)受訓(xùn)者的操作進(jìn)行實(shí)時(shí)指導(dǎo)，或進(jìn)行訓(xùn)練操作的考核，從而為人體四肢長骨骨折的診斷與固定復(fù)位訓(xùn)練提供工具，有利于醫(yī)學(xué)學(xué)生盡快地掌握骨折的表現(xiàn)、診斷依據(jù)及固定復(fù)位操作的方法，提高教學(xué)效果。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例的四肢長骨骨折(下肢，脛骨干骨折)模型示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例的骨折模型檢測電路示意圖；

圖3為是本發(fā)明實(shí)施例的骨折模型使用流程圖；

圖4為本發(fā)明的實(shí)施例骨折模型的完整人體應(yīng)用模型的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明中引用的發(fā)明專利201510934337.4的實(shí)施例的骨折斷面成角定義示意圖；(a)、骨折模型初始狀態(tài)；(b)、骨折模型成角移位狀態(tài)；(c)、骨折模型旋轉(zhuǎn)移位狀態(tài)；(d)、骨折模型復(fù)合移位狀態(tài)；

圖6為本發(fā)明中引用的發(fā)明專利201010263074.6的柵格觸點(diǎn)式變阻器和觸點(diǎn)探針在骨折骨骼的斷面上的安裝示意圖；

附圖標(biāo)記：1、模擬人軀干，2、模擬人上肢，3、模擬人下肢，4、檢測電路；5、上位機(jī)，6、仿真骨骼，7、傳感組件，8、骨折斷面，9、電線，21、電源，22、主控單元，23、有線/無線通訊單元，51、骨折近端；52、骨折遠(yuǎn)端；53、第一九軸慣性傳感器；54、第二九軸慣性傳感器；61、導(dǎo)線；62、柵格觸點(diǎn)式變阻器；63、觸點(diǎn)探針。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。

如圖1所示，為本發(fā)明的一種四肢長骨骨折模型(下肢脛骨干骨折)，包括骨骼模型、關(guān)節(jié)連接件、皮膚模型、肌肉模型、血管模型、模擬血液袋和傷口模型等部分。其中，骨骼模型是由真人骨骼采用硬質(zhì)材料(如PVC)翻模制成，具有人體骨骼所有的解剖外形特征和一定的硬度；關(guān)節(jié)連接件由、具有一定強(qiáng)度材料(如金屬)機(jī)械結(jié)構(gòu)構(gòu)成，將骨骼系統(tǒng)按照人體關(guān)節(jié)活動(dòng)特征連接起來，確保大關(guān)節(jié)(包括手、肘、肩關(guān)節(jié)及踝、膝、髖關(guān)節(jié))的活動(dòng)自由度及角度范圍與正常人體一致，同時(shí)不破壞骨骼模型的特征解剖標(biāo)志；皮膚模型由硅膠材料制成，通過調(diào)節(jié)固化劑的比例調(diào)節(jié)材料的質(zhì)地，使得接近人體皮膚的彈性和手感，通過真人肢體硅膠翻模工藝，使得皮膚模型具有和真人高度一致的皮膚紋理和整體外形，對(duì)硅膠材料顏色進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整獲得人體膚色的仿真皮膚；肌肉模型，在皮膚模型和骨骼模型之間，由發(fā)泡海綿材料填充制作成的仿真肌肉，使得仿真模型具有與真人一致的肢體外形尺寸，并有近似人體肌肉的松軟度和彈性；且于傷口模型中設(shè)置兩個(gè)骨折斷裂處模擬結(jié)構(gòu)，血管模型設(shè)置于肌肉模型中，主要用于開放性骨折模型，它位于肌肉模型中，可以與模擬血液袋相連，模擬血液袋內(nèi)裝上模擬血液與血管相連后可模擬傷口出血；傷口模型部分可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)成不同的形式，主要有兩種，一種是閉合性骨折傷口，即沒有皮膚破裂流血，只有腫脹瘀青等外在表現(xiàn)，和內(nèi)部骨折斷裂的情形；另一種是具有開放性的外傷傷口，皮膚破裂，模擬血管露出，接上裝滿模擬血的模擬血液袋后傷口可流出模擬的鮮紅血液，同時(shí)骨骼斷裂，甚至暴露在外。傷口模型都根據(jù)人體四肢常見骨折進(jìn)行設(shè)計(jì)，每個(gè)肢體(如左上肢或右下肢)模型模擬一種骨折，可制作出多個(gè)骨折模型形成一個(gè)系列。皮膚、肌肉、骨骼模型的彈性、手感與真人相似，骨骼模型的解剖結(jié)構(gòu)與真人相同，傷口模型與骨折傷情相像，從而可以用于骨折診斷訓(xùn)練，受訓(xùn)者通過觀察傷口外形和用手觸及骨骼模型的骨折處，可以感受到骨折的具體傷情，從而做出診斷。

骨折模型的具體形式可以多樣，可以制作成包含完整人體的模型(如圖4所示)，也可只是四肢之一(如圖1所示)，還可以是上半身模型或者下半身模型，但是必須至少具有一條完整的肢體模型(如上肢或下肢)和一處骨折傷口模型，從而可以進(jìn)行骨折的診斷、固定復(fù)位訓(xùn)練。

例如：肱骨干骨折作為常見骨折通常是閉合性骨折，故通常只有骨骼的錯(cuò)位畸形，肌肉腫脹，內(nèi)出血造成瘀青等外在表現(xiàn)，固定的方式通常是甲板固定，并將前臂一并固定。因而具有完整人體或者上半身的模型是比較適合進(jìn)行訓(xùn)練的。

如圖2所示，骨折模型內(nèi)部的檢測電路4主要由主控單元22和被其控制的至少一個(gè)傳感組件7、有線或無線通訊單元23及電源21組成。每個(gè)傳感組件7包括兩個(gè)慣性傳感器和一個(gè)位移傳感器；主控單元22對(duì)傳感組件7檢測的信息進(jìn)行分析，計(jì)算出所述骨折斷裂處模擬結(jié)構(gòu)的骨折部位斷裂骨骼(例如骨折斷面8)的相對(duì)角度及距離等位置關(guān)系，再通過有線或無線通訊單元23發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)5軟件根據(jù)相關(guān)信息實(shí)現(xiàn)復(fù)位訓(xùn)練等功能。傳感器組件相關(guān)的設(shè)置及骨骼相對(duì)位置和角度關(guān)系的檢測方法參見發(fā)明申請(qǐng)?zhí)枺?01510934337.4，《一種骨折復(fù)位訓(xùn)練模型角度檢測裝置及其方法》和發(fā)明專利號(hào)：201010263074.6，《一種骨折模型復(fù)位檢測裝置及檢測方法》。具體的電路組成如圖5和圖6所示，包括兩個(gè)慣性傳感模塊，一個(gè)位移傳感器。位移傳感器可以是圖6所示與發(fā)明專利201010263074.6相同的方案，也可以選用其它的實(shí)施方案，例如，可以在骨折斷面兩端分別設(shè)置一個(gè)發(fā)光元件和一個(gè)或多個(gè)感光元件，發(fā)光元件位于斷面中央，如果是一個(gè)感光元件，則設(shè)置在另一斷面的中央；如果是多個(gè)感光元件，則在斷面以一定的對(duì)稱方式排列。通過對(duì)感光元件的電信號(hào)變化來判斷斷面之間的距離(位移)：感光元件與發(fā)光元件距離最近且面對(duì)面時(shí)，電信號(hào)最強(qiáng)，距離增大時(shí)，電信號(hào)減弱。

如圖3所示，系統(tǒng)的工作流程如下：上位機(jī)開機(jī)、軟件啟動(dòng)后，與模型檢測電路通訊聯(lián)通，點(diǎn)擊軟件界面開始按鍵，軟件開始接收數(shù)據(jù)。首次使用時(shí)(或出廠時(shí))，還需要進(jìn)行初始化，即將骨折部位完全復(fù)位，讓骨骼如同沒有經(jīng)歷骨折時(shí)，軟件根據(jù)上傳的檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化，此時(shí)軟件界面的骨骼是完全復(fù)位的。軟件界面可以選擇訓(xùn)練模式或者考核模式，選擇完后，就可以根據(jù)相應(yīng)的模式進(jìn)行訓(xùn)練或考核。兩種模式的主要區(qū)別是，訓(xùn)練模式在操作過程中實(shí)時(shí)顯示骨骼的畫面(最好是三維的)，提示斷裂骨骼的相對(duì)位置關(guān)系，到結(jié)束時(shí)還可以提示整個(gè)過程的動(dòng)作路徑并給出操作建議；而考核模式在操作過程中不給出實(shí)時(shí)的畫面，只在結(jié)束時(shí)給出操作的評(píng)分及改進(jìn)建議。模式選擇好了之后正式開始訓(xùn)練操作，受訓(xùn)者在模型上進(jìn)行骨折復(fù)位操作，可以在訓(xùn)練模式下通過觀看軟件界面體會(huì)操作的力度、方向、旋轉(zhuǎn)幅度等等，軟件也可計(jì)算復(fù)位操作的動(dòng)作路徑并顯示骨折姿態(tài)；根據(jù)與正確的動(dòng)作路徑的對(duì)比給予受訓(xùn)者指導(dǎo)，提示受訓(xùn)者正確的操作方式；也可在考核模式下，自己體會(huì)并完成復(fù)位操作。操作完成后軟件給出選擇的模式對(duì)應(yīng)的結(jié)果。兩種模式都可在訓(xùn)練過程完成之后，可對(duì)復(fù)位效果進(jìn)行評(píng)估，按臨床的標(biāo)準(zhǔn)給出等級(jí)評(píng)價(jià)，并能夠?qū)φ麄€(gè)過程的骨骼位置變化的動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行視頻重現(xiàn)，并指出操作過程中的錯(cuò)誤，指導(dǎo)受訓(xùn)者改進(jìn)操作手法。

在復(fù)位訓(xùn)練時(shí)，可以從軟件界面上看到四肢骨骼的虛擬現(xiàn)實(shí)畫面，實(shí)時(shí)展示斷裂處的骨骼相對(duì)位置和角度關(guān)系，受訓(xùn)者可以對(duì)照虛擬現(xiàn)實(shí)畫面來實(shí)時(shí)修正訓(xùn)練動(dòng)作，也可以在不觀看虛擬現(xiàn)實(shí)畫面的情況下完成復(fù)位操作，再回看操作過程的回放視頻，根據(jù)軟件提示操作的錯(cuò)誤之處修正自己的操作步驟。此外，軟件還可以設(shè)置訓(xùn)練及考核模式，以滿足訓(xùn)練和考核中不同的需求。

使用時(shí)，就將模型當(dāng)作受傷病患，可進(jìn)行視、觸等診斷操作，特別是觸摸骨骼的位置、表面特征等了解骨骼斷裂等情況的存在，從而進(jìn)行初步的骨折診斷，進(jìn)一步可以判斷骨折的部位、類型、嚴(yán)重程度、需要進(jìn)行的處理等。完成診斷后，可進(jìn)一步利用模型進(jìn)行包扎固定操作，固定可采用甲板固定甚至樹枝等其他工具固定，確保固定位置超過骨折兩端關(guān)節(jié)，使得骨折位置不再發(fā)生骨骼嚴(yán)重錯(cuò)位移動(dòng)等情況，引起二次損傷。有條件進(jìn)行手法復(fù)位的骨折，還可在本模型上練習(xí)手法復(fù)位的步驟，盡可能避免損傷神經(jīng)、血管、肌肉并使得斷裂骨骼基本恢復(fù)到解剖位置關(guān)系，熟練掌握復(fù)位技巧。