基于往复连杆机构的呼吸过程中胸膈膜运动模式模拟装置的制作方法

1.本发明属于人体器官生理活动模拟设备技术领域，具体涉及一种基于往复连杆机构的呼吸过程中胸膈膜运动模式模拟装置。


背景技术：

2.肺是人体的呼吸器官，位于胸腔，左右各一，覆盖于心之上。肺有分叶，左肺分为二叶，右肺分为三叶，共五叶。胸膈膜位于心脏和肺脏的下面，肝脏、脾脏和胃的上面，其将胸腔和腹腔分隔开。胸膈膜的上下运动分别对应肺部的呼气和吸气，当胸膈膜向上运动时，胸廓收缩，肺部也同时回缩，肺内气压因容积减小而增大，肺内部分气体通过呼吸道排出体外，完成呼气；当胸膈膜向下运动时，胸廓扩大，肺扩张，肺内气压因容积增大而减小，外部气体通过呼吸道进入肺内，完成吸气。由上述可知，胸膈膜在呼吸过程中起到了至关重要的作用，因此设计一种模拟胸膈膜运动模式的装置可以为呼吸方面的研究提供便利，提高呼吸设备的研发效率。
3.模拟胸膈膜运动的装置主要可以分为被动式和主动式。常见的被动模拟肺无法精细化模拟胸膈膜的运动模式，另外，由于被动模拟肺没有动力源，也无法模拟肺部的自主呼吸运动。主动模拟肺有动力源，可以模拟自主呼吸，但目前市场上的主动模拟肺大多存在操作复杂、价格昂贵等缺点。
4.针对传统主动模拟肺的缺点，本发明提出一种基于往复连杆机构的呼吸过程中胸膈膜运动模式模拟装置，与被动模拟肺相比，本发明增加了模拟胸膈膜运动模式的动力源，使得模拟肺具有主动呼吸功能。与主动模拟肺相比，本发明结构简单，操作方便，成本较低。
5.此外，现有技术中胸膈膜常常被作为一个整体看待，这样的做法只能模拟正常情况下胸膈膜的运动，但是当胸膈膜或其邻近内脏发生病变时，胸膈膜发生移位，左右两侧位置不再一致，现有技术无法模拟出左肺和右肺在不同外部状况下的现象。本发明可以有效解决这一问题，更加灵活地展示胸膈膜的运动。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种基于往复连杆机构的呼吸过程中胸膈膜运动模式模拟装置，通过往复连杆机构灵活调整胸膈膜的运动频率、幅度和移位情况，能够模拟呼吸过程中胸膈膜运动，以及模拟胸膈膜左右两侧位置不一致对肺部的影响，对模拟肺的设计起到积极的促进作用，可应用于呼吸机方面的研究。
7.本发明设计了一种基于往复连杆机构的呼吸过程中胸膈膜运动模式模拟装置，该装置的技术方案如下。
8.本发明装置的组成部件。本发明装置由模拟部件和往复连杆机构组成，其中模拟部件包含透明圆筒、橡胶气囊、气管、y形接口、活塞。橡胶气囊位于透明圆筒的内部，借助气管与透明圆筒外的y形接口连通，透明圆筒的一端装有活塞，橡胶气囊的外侧与透明圆筒内壁、活塞之间形成密闭的空间，活塞可沿透明圆筒内壁往复直线运动，活塞连接用于驱动其
运动的往复连杆机构，往复连杆机构提供调整其运动频率、幅度和移位情况的方式。
9.本发明装置模拟部件承担的作用。采用本发明的模拟装置时，透明圆筒模拟胸壁，橡胶气囊模拟肺部，活塞模拟胸膈膜，橡胶气囊的外侧与透明圆筒内壁、活塞之间形成的密闭空间模拟胸膜腔。
10.本发明装置往复连杆机构的作用及工作方式。模拟胸膈膜的活塞的运动是由往复连杆机构引起的。往复连杆机构中的转盘由电机驱动，电机通电时，转盘随电机轴转动，主连杆的一端铰接在转盘的盘面上，另一端铰接副连杆，轴承导轨引导副连杆做往复直线运动，借助u形管将活塞杆与副连杆连接，活塞杆跟随副连杆做往复直线运动。
11.本发明装置模拟胸膈膜运动的原理。在呼吸过程中，胸膈膜的往复运动会引起胸膜腔内压力的变化，协助肺的扩张和收缩。为了模拟胸膈膜的运动，本发明装置用活塞模拟胸膈膜，采用往复连杆机构带动活塞运动的方式模拟胸膈膜的往复运动。活塞沿着透明圆筒内壁往复运动时，透明圆筒内密闭空间的容积发生变化，引起密闭空间气压的变化。由于橡胶气囊具有弹性，在内外侧气压差的作用下，透明圆筒内的橡胶气囊出现膨胀和收缩的现象。
12.本发明装置模拟胸膈膜发生移位的方式。左肺和右肺分别位于两侧的胸膜腔内，本发明装置两侧的活塞模拟胸膈膜，活塞固定在活塞杆上，活塞杆上有螺纹，u形管内有螺纹孔，通过旋转两侧活塞杆，可以改变活塞杆旋入u形管的长度，从而可以改变两侧活塞的相对位置，这就使胸膈膜相对位置发生变化。当左右两侧位置不一致时，胸膈膜便处于发生移位的状态。
13.本发明装置调整胸膈膜运动频率的方式。装置中的转盘由电机驱动，电机可以由调速器调节转速，当电机转速发生变化，转盘圆周运动的频率随之变化，经连杆传动，从而影响到活塞往复运动的频率，实现胸膈膜不同运动频率的模拟。
14.本发明装置调整胸膈膜运动幅度的方式。装置中的转盘上设有若干限位孔，不同限位孔与转盘的圆心的距离不同，主连杆靠近转盘的末端可以选择限位孔以铰接在转盘上，通过调整限位孔，从而可以改变连杆推拉活塞做往复运动的行程，实现胸膈膜不同运动幅度的模拟。
15.本发明装置与呼吸机的结合方式。装置中所述的y形接口有两个外部通道，一个通道用于肺吸气，另一个通道用于肺呼气，可与呼吸机通气管道相连接，施加不同的通气模式时，有针对性地调整胸膈膜的运动模式，使得模拟肺更加接近实际运行模式。
16.综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明相较于现有技术优点在于：
17.(1)可以模拟呼吸过程中胸膈膜运动，使得模拟肺具有主动呼吸功能；
18.(2)模拟胸膈膜左右两侧位置不一致对肺部的影响；
19.(3)可以实现胸膈膜不同运动频率和幅度的模拟；
20.(4)可以配合模拟肺的不同呼吸模式，实现灵活的控制，使得模拟肺更加接近实际运行模式。
附图说明
21.图1为本发明提供的基于往复连杆机构的呼吸过程中胸膈膜运动模式模拟装置的结构示意图。
22.图2为往复连杆机构的结构示意图。
23.图3为呼吸过程中胸膈膜运动模式的示意图。
24.图中标记：1-第一透明圆筒、2-y形接口、3-气管、4-第二透明圆筒、5-第一橡胶气囊、6-第二橡胶气囊、7-第一活塞、8-第二活塞、9-第一活塞杆、10-第二活塞杆、11-u形管、12-轴承导轨、13-副连杆、14-第二活动关节、15-主连杆、16-第一活动关节、17-转盘、18-限位孔、19-电机。
具体实施方式
25.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行进一步的描述。
26.本发明实施例的组成部件。如图1所示，本实施例的一种基于往复连杆机构的呼吸过程中胸膈膜运动模式模拟装置，由模拟部件和往复连杆机构组成，模拟部件包含第一透明圆筒1、y形接口2、气管3、第二透明圆筒4、第一橡胶气囊5、第二橡胶气囊6、第一活塞7、第二活塞8。往复连杆机构包含第一活塞杆9、第二活塞杆10、u形管11、轴承导轨12、副连杆13、第二活动关节14、主连杆15、第一活动关节16、转盘17、限位孔18、电机19。
27.本发明实施例模拟部件的实现。第一透明圆筒1模拟人体右侧的胸壁，第二透明圆筒4模拟人体左侧的胸壁。两个透明圆筒使用的材质是硬质塑料，可以减轻模拟装置的整体重量，同时降低成本。第一透明圆筒1内的第一橡胶气囊5模拟人的右肺，第二透明圆筒4内的第二橡胶气囊6模拟人的左肺，气管3一端与y形接口2连接，另一端分叉成两路分别穿过第一透明圆筒1和第二透明圆筒4的侧壁，与第一橡胶气囊5和第二橡胶气囊6连通。外部气体只能通过y形接口2和气管进出这两个橡胶气囊。橡胶气囊具有弹性，当气体进入时，橡胶气囊会膨胀变大，当气体排出时，橡胶气囊会收缩变小，模拟了肺的呼吸功能。第一活塞7和第二活塞8模拟的是胸膈膜，橡胶气囊的外侧与透明圆筒内壁、活塞之间形成的密闭空间模拟胸膜腔。
28.本发明实施例往复连杆机构的实现。主连杆15一端通过第一活动关节16铰接在转盘17上，第一活动关节16内含轴承，允许主连杆15围绕第一活动关节16灵活转动。主连杆15另一端通过第二活动关节14铰接在副连杆13的端部，第二活动关节14内含轴承，允许主连杆15相对副连杆13发生转动。在轴承导轨12的限制下，副连杆13只能沿着轴承导轨直线运动。第一活塞杆9和第二活塞杆10上有螺纹，u形管11固定在副连杆13上，u形管11内有螺纹孔，直径与第一活塞杆9和第二活塞杆10相同，第一活塞杆9和第二活塞杆10可以旋入u形管11内，来改变露出u形管11外面部分的长度。
29.胸膈膜运动频率调整机制的实现。转盘17由电机19驱动其做圆周运动，转盘17带动主连杆15做摇摆运动，主连杆15带动副连杆13、u形管11、第一活塞杆9、第二活塞杆10、第一活塞7和第二活塞8做推拉运动。电机19可以由调速器调节转速，当电机19转速发生变化，转盘17圆周运动的频率随之变化，经连杆机构传动，从而影响到第一活塞7和第二活塞8往复运动的频率，实现胸膈膜不同运动频率的模拟。
30.胸膈膜运动幅度调整机制的实现。转盘17上设有若干限位孔18，不同限位孔18与转盘17的圆心的距离不同，主连杆15靠近转盘17的末端可以选择限位孔18以铰接在转盘17上，通过更换处于不同位置的限位孔18，可以改变第一活塞7和第二活塞8往复运动的行程，实现胸膈膜不同运动幅度的模拟。
31.与呼吸机的结合方式。y形接口2有两个外部通道，一个通道用于肺吸气，另一个通道用于肺呼气，可与呼吸机通气管道相连接，施加不同的通气模式，针对性地调整胸膈膜的运动模式，使得模拟肺更加接近实际运行模式。
32.往复连杆机构运动与胸膈膜运动关系的说明。结合图1和图2，第一活动关节16中心点到转盘17中心点的距离表示为r，第一活动关节16中心点到第二活动关节14中心点的距离表示为s，第二活动关节14中心点到副连杆13另一端的距离与u形管11的整体宽度之和表示为t，转盘17中心点到第二活动关节14中心点的距离表示为x，第一活塞杆9露出在u形管11外面的长度为n，第二活塞杆10露出在u形管11外面的长度为m，第一活动关节16中心点与转盘17中心点的连线以及第二活动关节14中心点与转盘17中心点的连线之间构成的夹角为θ。
33.根据余弦定理可知，r、s、x、θ满足
[0034][0035]
由此可以得到x的表达式为
[0036][0037]
第一活塞杆9的末端连接第一活塞7，若第一活塞7中心点与转盘17中心点沿装置对称线的距离记作a，那么
[0038][0039]
第二活塞杆10的末端连接第二活塞8，若第二活塞8中心点与转盘17中心点沿装置对称线的距离记作b，那么
[0040][0041]
以第一活塞7为例，当θ＝0
°
时，第一活塞7距离转盘17中心点的轴向距离最远，为n t r s；当θ＝180
°
时，第一活塞7距离转盘17中心点的轴向距离最近，为n t-r s。第一活塞9距离转盘17中心点的最远距离和最近距离相差2r，可见，改变第一活动关节16中心点到转盘17中心点的距离r，可以改变第一活塞7模拟的胸膈膜往复运动的幅度，又由于模拟胸膈膜运动与模拟肺呼吸的关系，从而可以改变模拟肺吸气量和呼气量的大小。
[0042]
改变n的大小则可以改变第一活塞7模拟的胸膈膜的往复运动的中心位置，使得胸膈膜的移位情况发生变化。
[0043]
模拟装置运动时，角度θ变化的快慢取决于转盘17的角速度ω，转盘17的角速度ω取决于电机19的转速。改变电机19的转速，会改变第一活塞7模拟的胸膈膜往复运动的频率，从而改变模拟肺呼吸的快慢。
[0044]
本发明实施例胸膈膜运动模式的进一步说明。特别地，若取r＝5cm，s＝10cm，t＝10cm，n＝4cm，m＝6cm，假定肺部呼吸频率为每分钟12次，即一个呼吸周期的时间为5秒，故选取转盘17的角速度ω为2π/5rad/s，于是，第一活塞7和第二活塞8模拟的胸膈膜的运动模式如图3所示，横轴t表示时间，纵轴d表示以转盘17中心点为参考点的轴向位置，虚线部分表示第一活塞7的位置a随时间的变化，实线部分表示第二活塞8的位置b随时间的变化，可见胸膈膜的位置随时间的变化呈现类似于正弦函数变化的规律，当左右两侧胸膈膜发生移位时，它们的运动轨迹将不再保持一致，位置始终错开一定的距离。
[0045]
综上，采用上述具体实施方式实现的一种基于往复连杆机构的呼吸过程中胸膈膜运动模式模拟装置可以模拟呼吸过程中胸膈膜运动，使得模拟肺具有主动呼吸功能，可模拟胸膈膜左右两侧位置不一致对肺部的影响，并且可以实现胸膈膜不同运动频率和幅度的模拟，还可以配合模拟肺的不同呼吸模式，实现灵活的控制，使得模拟肺更加接近实际运行模式，因而可应用于呼吸机方面的模拟和研究。