專利名稱：一種測量筋膜室壓力的方法及裝置的制作方法
一種測量筋膜室壓力的方法及裝置技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明是一種用于測量筋膜室壓力的裝置及其測量方法。屬于機(jī)電一體化產(chǎn)品， 涉及機(jī)械自動化及測控領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著交通、建筑、科技的發(fā)展，人們走向更快、更高、更遠(yuǎn)，然而，各種車禍、工傷事故、自然災(zāi)害頻頻出現(xiàn)，由于擠壓傷、四肢骨折的增加，骨科醫(yī)生將面臨前所未有的壓力，顯然，造成這種局面的一個很重要因素是一種叫骨-筋膜室綜合征的病癥，如果沒有及時發(fā)現(xiàn)或處理，將導(dǎo)致患者肢體的喪失，甚至危及到生命。目前，國內(nèi)還沒有專門用于測量筋膜室壓力的儀器，國內(nèi)筋膜室壓力測定一般使用Whitesides法，通過針刺裝置監(jiān)測小腿間室內(nèi)壓。利用普通汞柱血壓表，連接三通管，三通之另二端，一端連接普通粗針頭，另一端連接注射器，內(nèi)盛生理鹽水。將汞柱血壓表與被測肢體置于同一平面。針內(nèi)充滿鹽水，刺入脛前間室內(nèi)，將注射器抽20mL空氣，推入時將鹽水加入注入，使針頭在間隙內(nèi)通暢而不被組織所阻塞，汞柱即可顯示筋膜間室內(nèi)壓。但手工推注時難以保持勻速，期間的壓力就會波動， 而且因人而異，可重復(fù)性和一致性差。測壓利用普通汞柱血壓表，容易出現(xiàn)讀數(shù)偏差。另外， 由于純機(jī)械結(jié)構(gòu)和手工操作，精度較差，無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)測壓。更為重要的是，常規(guī)測量方法需要始終保持血壓計與肢體始終保持同一高度，針頭必須使用18號粗針頭，只有這樣才能最大程度的降低測量誤差。這些都是目前面臨的困難，顯然粗針頭既增加了病人的痛苦，又增加了感染發(fā)生率，而嚴(yán)格的保持高度一致，實(shí)際工作中不太現(xiàn)實(shí)，如果解決了這些問題， 將是骨科領(lǐng)域的一次飛躍。
還有個困難是，測量的環(huán)境問題，筋膜室內(nèi)為非流體環(huán)境，由于缺乏流動的液體， 無法直接測量壓力，需要一種能將筋膜室內(nèi)壓力導(dǎo)出的方法，而要導(dǎo)出準(zhǔn)確及穩(wěn)定的壓力并非易事。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對以往測筋膜室壓力存在的問題，專門開發(fā)出一種用于測量筋膜室壓力的裝置(即自動筋膜壓測量儀)，該儀器操作簡便，可靠性好，測量準(zhǔn)確，不再需要創(chuàng)傷大的粗針頭，也不再需要將測量儀器與肢體保持同一高度，這些來源于本發(fā)明的一種誤差校正技術(shù)，而對于非流體環(huán)境的壓力導(dǎo)出方法，是采用了本發(fā)明的一種稱之為壓力平衡測量方式，下面具體闡述
本發(fā)明實(shí)物由以下幾部分組成①勻速推注裝置②壓力傳導(dǎo)裝置③顯示測控部分④殼體與電源。勻速推注裝置由減速電機(jī)，絲桿，滑塊，定位槽，導(dǎo)軌，到位開關(guān)組成。減速電機(jī)轉(zhuǎn)速為30r/min,電壓5V,轉(zhuǎn)矩為0. 35kgcm。絲桿為直徑①5mm,螺距Imm的短牙或梯形螺紋，滑塊螺紋與絲桿匹配，表面有導(dǎo)向桿，工作時放入導(dǎo)軌中，從而實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動，伸出的舌片用來推注射器，滑塊復(fù)位至終點(diǎn)時將碰擊到位開關(guān)而停止運(yùn)動。定位槽內(nèi)有軸承，與絲桿連接，可以避免晃動和減少磨損。
壓力傳導(dǎo)裝置(圖4)由注射器，三通皮管，針頭組成，三通的一端與注射器相連， 另一端與傳感器連接，還有一端與針頭相連。用于人體筋膜室壓力的拾取同時傳導(dǎo)到壓力傳感器。
顯示測控部分包括①輸入部分②運(yùn)算及自動控制部分③輸出部分。按鍵，傳感器接口，到位開關(guān)，是輸入部件，按鍵用來接受人發(fā)出的指令，傳感器接口用來感知壓力，從而轉(zhuǎn)化為電信號，采用壓力傳感器，到位開關(guān)用來獲取到位信號。運(yùn)算及自動控制部分是其核心部件，主要負(fù)責(zé)電機(jī)運(yùn)行模式控制，滑塊位置判斷，A/D轉(zhuǎn)換，算法，顯示控制，輸入輸出接口控制，低電壓檢測，由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)通過控制電機(jī)運(yùn)行，推動注射器，并且模擬出產(chǎn)生壓力誤差的特定情形與要求，在給定的時段測量，可以得到準(zhǔn)確的誤差值，從而進(jìn)行誤差校正，完成精確測量。模擬壓力誤差情形十分重要，包括氣體的排放，針頭的大小、位置及角度，以及液滴表面張力的修正等等，還包括軟件的有效值提取算法，如果不能模擬壓力誤差情形，將得不到準(zhǔn)確的誤差值，自然結(jié)果也不會準(zhǔn)確。
輸出部分由蜂鳴器，IXD顯示器，電機(jī)驅(qū)動組成，蜂鳴器主要用來報警、提示，當(dāng)壓力超出指定范圍則報警。LCD顯示器用于顯示工作狀態(tài)及參數(shù)。電機(jī)驅(qū)動用來驅(qū)動電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。
殼體與電源包括塑料外殼與內(nèi)部固定件，用來安放所有部件，保證其良好的定位精度，可靠的安放位置。電源采用4節(jié)7#電池，為電路提供6V工作電壓，通過開關(guān)打開或關(guān)閉電源。
根據(jù)流體力學(xué)，對于不可壓縮流體，在流體流速很低的情況下，壓力傳導(dǎo)裝置中的三通各個端口壓力存在一個較小的差值，而傳感器端流速為0，測量誤差取決于測量端(刺入機(jī)體端)液體流速、皮管材質(zhì)、長度、直徑、高度、針頭大小等，這些參量改變，此壓力誤差值也將改變，此壓力誤差值可以通過模擬壓力誤差情形由測控部分計算出來，從而得出實(shí)際壓力值，這就是本發(fā)明壓力測量的理論依據(jù)。
壓力平衡測量方式，是一種能將非流體環(huán)境中壓力導(dǎo)出并獲取的方法，由于是非流體環(huán)境，壓力是無法直接測量的，必須采用一種間接測量方式，此處列舉筋膜壓的測量方式，首先采用三通結(jié)構(gòu)連接壓力注入端，傳感器端，還有一端連接針頭，刺入機(jī)體。而傳感器端的三通管內(nèi)，需要一段空氣柱，是建立壓力平衡的關(guān)鍵，此空氣柱太長，會導(dǎo)致平衡建立時間過長，太短，會因被測壓力較大時，液體接觸有菌部件導(dǎo)致污染。此空氣柱長度是這樣計算的根據(jù)密閉空間內(nèi)，壓力的變化與容積成反比，得P1*V1 = P2*V2，因圓皮管內(nèi)截面積相同，故P1*L1 = P2*L2，其中Pl為初始態(tài)壓力(即大氣壓)，P2為最大壓力(即大氣壓+ 傳感器最大承受壓力)，Vl為初始體積，V2為最小體積(均包括傳感器端口內(nèi)部體積)，LI 為初始空氣柱長度，L2為壓縮后空氣柱長度。設(shè)L2為傳感器端口長度I. 5 2倍，即可獲得LI值。測量方式是這樣的為了便于理解，先將勻速推注液體時，各個端口的壓力差值忽略。通過短時分次注入液體，當(dāng)空氣柱壓力小于筋膜壓時，液體不進(jìn)入機(jī)體，只壓縮空氣， 一旦空氣柱壓力達(dá)到筋膜壓時，液體將流入機(jī)體，此時平衡建立，空氣柱壓力即為筋膜壓， 繼續(xù)推注時，空氣柱壓力將不變或變化較小。同時，單片機(jī)可以根據(jù)上述特點(diǎn)判定壓力有效值。
誤差校正技術(shù)，是專門用來修正測量過程中產(chǎn)生的誤差值，處理方式十分簡單，就是將測得值減去誤差值，然而困難的是誤差值的獲取，根據(jù)前面流體力學(xué)的分析，誤差取決于測量端液體流速、皮管材質(zhì)、長度、直徑、高度、針頭大小等，直接根據(jù)這些參數(shù)計算是不現(xiàn)實(shí)的，通過模擬壓力誤差情形來獲取此誤差值十分重要，包括氣體的排放，液體流速，針頭的大小、位置及角度，以及液滴表面張力的修正等等，還包括軟件的有效值提取算法，這些都是獲取誤差值的關(guān)鍵，本研究實(shí)驗數(shù)據(jù)證明，采用12號針頭測試的誤差值為0. IkPa, 而采用7號針頭測試的誤差值增至0. 7kPa，而針頭每抬高或降低1cm，又將導(dǎo)致0. IkPa的誤差，這就是傳統(tǒng)測量方法，必須采用粗針頭，而且嚴(yán)格要求壓力計保持與肢體等高的原因。可以看出，模擬壓力誤差情形是誤差校正技術(shù)的核心，包括皮管與穿刺針內(nèi)必須是相同液體，液體流速與刺入機(jī)體時的流速要一致，模擬時要求針頭角度、高度與刺入后一致，由于模擬時出現(xiàn)液滴不可避免，表面張力因素必須考慮，故軟件中需修正此數(shù)值。另外，非流體環(huán)境測壓時容易出現(xiàn)壓力值波動，故軟件需要將結(jié)果處理，具體是消除跳變值，求有效值均數(shù)等。綜上所述，誤差校正技術(shù)包括模擬壓力誤差情形和軟件對數(shù)值的處理。
由于筋膜室具有一定空間，不加限制的注入液體將導(dǎo)致筋膜壓的升高，甚至加快出現(xiàn)筋膜室綜合征，因此，測壓過程采用了小于0. lml/s的流量，勻速推注裝置每次推注液體時間小于2s，通過平衡測量方式，依據(jù)相同時間間隔下，壓力增加的梯度變化，表現(xiàn)為增加值突然變小，判斷是否平衡建立，控制推注裝置的停止，從而使進(jìn)入機(jī)體的液體最少化。 再通過誤差校正技術(shù)獲取準(zhǔn)確的數(shù)值，而且實(shí)現(xiàn)了避免使用粗針頭，儀器擺放無限制的人性化特點(diǎn)。


為了進(jìn)一步說明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)及工作原理，公布其整體布局圖，關(guān)鍵部件圖，原理圖。圖I為勻速推注裝置關(guān)鍵部件絲桿與滑塊的CAD圖，圖2為內(nèi)部整體布局圖，圖3為顯示測控部分電路原理圖，圖4為壓力傳導(dǎo)裝置。
具體實(shí)施方式
具體工作流程如下打開電源開關(guān)，顯示L0G0，同時自動復(fù)位，此時進(jìn)行電壓自檢，如電量不足則顯示“ low power",而滑塊移向最遠(yuǎn)端，觸及到位開關(guān)后停止，打開倉蓋， 將抽好生理鹽水的5ml注射器，與三通連接，三通另一端與傳感器接口連接，放好注射器， 合上倉蓋，按鍵進(jìn)入排氣狀態(tài)，電機(jī)停止后，將針刺入筋膜室，按鍵開始測量，顯示“start”， 幾秒后顯示壓力值，如超過設(shè)定范圍(4KPa)或有異常壓力則報警。當(dāng)連續(xù)測量12次后，自動復(fù)位。
圖I中絲桿螺紋采用了梯形螺紋，螺距1mm，與滑塊為間隙配合，牙高0.6mm，牙頂間隙0. 1_，精度中等，公差帶7H/8e，長度、直徑及結(jié)構(gòu)，圖中均明確標(biāo)注。圖2為各個部件在殼體內(nèi)的布局圖，顯然，勻速推注裝置采用了節(jié)約空間的回拉式推動注射器，而沒有采用占空間的直推式。圖4中壓力傳導(dǎo)裝置是唯一需要無菌的部件，采用了經(jīng)過滅菌處理的醫(yī)用針頭、注射器及三通，是實(shí)現(xiàn)壓力平衡的重要部件。圖3是電路原理圖，具體工作如下首先來自輸液皮管的壓力在壓力傳感器中轉(zhuǎn)換為電信號，進(jìn)入單片機(jī)Ul的17腳RAO進(jìn)行A/ D轉(zhuǎn)換，同時通過算法得出用于LCD顯示的數(shù)據(jù)，JP2用來電連接LCD模塊，由于端口不夠， 采用了四位傳輸模式，這樣只占用了 RB1-RB7這7個端口，其中RB5、RB6、RB7電連接IXD模塊RS、R/W、E，用于使能和控制模塊內(nèi)部操作，RB1-RB4電連接IXD模塊DB4-7，傳輸四位數(shù)據(jù)。RBO是輸入端口，通過中斷方式得到按鍵指令，JPl是電連接到電機(jī)的接口，由RA2、RA3 端口驅(qū)動，Q2、Q3、Q4、Q5通過推挽方式進(jìn)行功率放大推動電機(jī)，實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)和停轉(zhuǎn)，JP3電連接到位開關(guān)，進(jìn)入RAl進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，當(dāng)輸入為0時，表明開關(guān)閉合，電機(jī)停轉(zhuǎn)；當(dāng)數(shù)值在某一范圍時，表明電力不足，顯示“l(fā)ow power”，并報警。RA4通過Q6放大驅(qū)動蜂鳴器，用于報警。電源為6V，由于單片機(jī)和IXD模塊需要5V，這需要LDO穩(wěn)壓，以保證低壓差，低損耗。 通過以上全部技術(shù)資料的實(shí)施，便可完成本發(fā)明，從而制造出成品。
以上主要是測量筋膜壓的方案，壓力平衡測量方式與誤差校正技術(shù)的綜合運(yùn)用， 可以實(shí)現(xiàn)非流體環(huán)境的壓力測量，醫(yī)學(xué)上包括骨內(nèi)壓，缺乏流動性的組織壓等，工業(yè)上如泥漿、原油壓力等一些流動性差，由于高溫等因素，傳感器無法直接放入測壓的情形。因此，具有廣闊的應(yīng)用前景。
權(quán)利要求
1.一種測量筋膜室壓力的設(shè)備，由以下幾部分組成①勻速推注裝置②壓力傳導(dǎo)裝置③顯示測控部分④殼體與電源，其特征在于顯示測控部分與勻速推注裝置電連接，勻速推注裝置與壓力傳導(dǎo)裝置連接，通過低流量、勻速的將液體推向測量端(刺入機(jī)體端)，傳感器端的三通管內(nèi)，需要一段空氣柱，顯示測控部分控制勻速推注裝置短時分次工作。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)備，其特征在于要求勻速推注裝置工作時三通管內(nèi)液體的流量小于0. lml/s，傳感器端的三通管內(nèi)，空氣柱長度LI符合P1*L1 =P2*L2，其中Pl為初始態(tài)壓力(即大氣壓)，P2為最大壓力(即大氣壓+傳感器最大承受壓力)，LI為初始空氣柱長度，L2為壓縮后空氣柱長度，其中L2為傳感器端口長度I. 5 2倍。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其特征在于三通管傳感器端分支管長度為LI。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)備，其特征在于勻速推注裝置每次推注液體小于2s，并且依據(jù)相同時間間隔下，壓力增加的梯度變化，判斷是否平衡建立，控制推注裝置的停止，從而使進(jìn)入機(jī)體的液體最少化。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)備，其特征在于勻速推注裝置由減速電機(jī)，絲桿，滑塊，定位槽，導(dǎo)軌，到位開關(guān)組成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其特征在于減速電機(jī)轉(zhuǎn)速為30r/min，電壓5V，轉(zhuǎn)矩為0. 35kgcm。絲桿為直徑O 5mm，螺距Imm的短牙或梯形螺紋，滑塊螺紋與絲桿匹配，表面有導(dǎo)向桿，工作時放入導(dǎo)軌中，從而實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動，伸出的舌片用來推注射器，滑塊復(fù)位至終點(diǎn)時將碰擊到位開關(guān)而停止運(yùn)動。定位槽內(nèi)有軸承，與絲桿連接，可以避免晃動和減少磨損。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)備，其特征在于壓力傳導(dǎo)裝置由注射器，三通皮管，針頭組成，三通的一端與注射器相連，另一端與傳感器連接，還有一端與針頭相連。用于人體筋膜室壓力的拾取同時傳導(dǎo)到壓力傳感器。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)備，其特征在于顯示測控部分包括①輸入部分②運(yùn)算及自動控制部分③輸出部分。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其特征在于按鍵，傳感器接口，到位開關(guān)，是輸入部件，按鍵用來接受人發(fā)出的指令，傳感器接口用來感知壓力，從而轉(zhuǎn)化為電信號，采用壓力傳感器，到位開關(guān)用來獲取到位信號。運(yùn)算及自動控制部分是其核心部件，主要負(fù)責(zé)電機(jī)運(yùn)行模式控制，滑塊位置判斷，A/D轉(zhuǎn)換，算法，顯示控制，輸入輸出接口控制，低電壓檢測，由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)通過控制電機(jī)運(yùn)行，推動注射器，并且模擬出產(chǎn)生壓力誤差的特定情形與要求，在給定的時段測量，可以得到準(zhǔn)確的誤差值，從而進(jìn)行誤差校正，完成精確測量。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的設(shè)備，其特征在于輸出部分由蜂鳴器，LCD顯示器，電機(jī)驅(qū)動組成，蜂鳴器主要用來報警、提示，當(dāng)壓力超出指定范圍則報警。IXD顯示器用于顯示工作狀態(tài)及參數(shù)。電機(jī)驅(qū)動用來驅(qū)動電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。
11.一種測量非流體環(huán)境壓力的方法，其特征在于低流速液體進(jìn)入三通管，其中，傳感器端為空氣柱，空氣柱兩端壓力相等，在不考慮壓力差值情況下，通過短時分次注入液體，當(dāng)空氣柱壓力小于非流體環(huán)境壓力時，對于筋膜壓測量，液體不進(jìn)入機(jī)體，只壓縮空氣， 一旦空氣柱壓力達(dá)到筋膜壓時，液體將流入機(jī)體，此時平衡建立，空氣柱壓力即為筋膜壓， 當(dāng)考慮傳感器端口壓力與測量端壓力差值時，通過計算此差值(誤差值)，可得到壓力精確值，即壓力平衡測量方式，此方法適用于非流體環(huán)境的壓力測量。
12.一種測量非流體環(huán)境壓力的方法，其特征在于儀器工作時，針頭在外部，排出氣體，通過模擬壓力誤差情形，對于筋膜壓測量，包括皮管與穿刺針內(nèi)必須是相同液體，液體流速與刺入機(jī)體時的流速要一致，模擬時要求針頭角度、高度與刺入后一致，測得一個壓力值(誤差值)，針頭刺入筋膜室后測得一個壓力值，將誤差值去除后，經(jīng)過軟件處理，得到準(zhǔn)確的結(jié)果，即誤差校正技術(shù)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于表面張力因素要考慮，通過軟件修正此數(shù)值，非流體環(huán)境測壓時容易出現(xiàn)壓力值波動，通過軟件消除跳變值，并求有效值均數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明是一種用于測量筋膜室壓力的自動裝置及其測量方法。屬于機(jī)電一體化產(chǎn)品，涉及機(jī)械自動化及測控領(lǐng)域。本儀器由以下幾部分組成①勻速推注裝置②壓力傳導(dǎo)裝置③顯示測控部分④殼體與電源。對于不可壓縮流體，在流體流速很低的情況下，壓力傳導(dǎo)裝置中的三通各個端口壓力存在一個較小的差值，測量誤差取決于測量端液體流速、皮管材質(zhì)、長度、直徑、高度、針頭大小等，以及液滴表面張力的修正，軟件的有效值提取算法，這些參量改變，此壓力誤差值也將改變，此壓力誤差值可以通過模擬壓力誤差情形由測控部分計算出來，從而得出實(shí)際壓力值，即誤差校正技術(shù)。非流體環(huán)境，壓力是無法直接測量的，必須采用一種間接測量方式，通過短時分次注入液體，當(dāng)空氣柱壓力小于筋膜壓時，液體不進(jìn)入機(jī)體，只壓縮空氣，一旦空氣柱壓力達(dá)到筋膜壓時，液體將流入機(jī)體，此時平衡建立，空氣柱壓力即為筋膜壓，即壓力平衡測量方式。
文檔編號G01L19/12GK102525445SQ20111006102
公開日2012年7月4日 申請日期2011年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月4日
發(fā)明者張文璽 申請人:張文璽