生物力學床墊及系統的製作方法

2023-04-26 11:43:06 9

本發明涉及床墊技術，更具體地說，涉及一種生物力學床墊及系統。

背景技術：

隨著社會的發展，人們的生活節奏越來越快，生活壓力也越來越大。與此同時，人們的睡眠質量受到了影響，於是一款適合自己的舒適床墊，成為大多數都市生活人們的願望。根據研究發現：舒適臥姿是指符合睡眠時脊柱的生物力學特點且維持較好的生理曲度的臥姿，即無論處於哪種睡眠姿勢，脊柱都能保持平直舒展、體壓均等，使全身能夠得到充分的放鬆。目前的床墊技術從生物力學角度看主要存在以下缺點：

1.床墊的舒適度無法適應脊柱健康的要求：根據麥肯基理論維持脊柱形狀結構的小肌群不能在睡眠時間處於完全放鬆的狀態時會導致小肌群長期處於疲勞狀態，最終出現肌肉損傷或勞損，進而出現疼痛或不適；

2.不符合臥姿生物力學要求：人體脊柱有四個生理彎曲，即頸曲、胸曲、腰曲和骶曲。床墊過硬，臥姿時只有頭、背、臀和腳跟四點受力，身體其餘部位處於懸空，易造成受力部位局部壓力過高和脊柱處於僵挺緊張狀態；床墊過軟，全身凹陷，脊柱處於彎曲狀態會對內臟造成壓迫。此兩種情況長此以往均不利於健康，易造成不明原因的頸肩腰腿疼痛；

3.無法根據人體臥姿生物力學特點實現床墊凸凹程度的力學自適應調節：市面上的一些記憶床墊採用海綿慢反彈原理實現的凸凹調節會出現人體接觸部位「軟的更軟，硬的更硬」增加不適感，且人在熟睡過程中姿態會間歇性地無意識進行自我調整，記憶床墊會對這種無意識自我調整進行限制，造成睡眠中斷和睡眠質量下降。

技術實現要素：

針對現有技術的缺點，本發明的目的在於提供一種生物力學床墊及系統，解決現有技術存在的無法滿足脊椎健康要求、不符合臥姿生物力學要求和不能進行生物力學自適應調節等缺點和問題。

為了實現上述目的，本發明生物力學床墊的技術方案為：生物力學床墊，包括床墊框體，在所述床墊框體上自上而下設有緩衝層、氣腔層和底層，在所述緩衝層分布設有多個壓強傳感器，在所述氣腔層分布設有多個氣腔，所述壓強傳感器的位置與所述氣腔的位置一一對應，在所述底層設有用於與所述氣腔連接的進氣導管、排氣導管。

作為本發明的一種改進，所述氣腔為六角蜂巢式氣腔，所述壓強傳感器為柔性接觸式壓強傳感器，所述壓強傳感器放置在所述氣腔的表面。

作為本發明的一種改進，在所述床墊框架設有多個六角柱狀孔，所述氣腔分別設置於所述六角柱狀孔內。

作為本發明的一種改進，設置在所述床墊四周的氣腔大，在所述床墊中間的氣腔小，在每個氣腔之間設有間隔材料。

作為本發明的一種改進，在所述氣腔層和底之間設有一金屬網狀板或高硬度塑料類網狀板。

本發明生物力學床墊系統的技術方案為：生物力學床墊系統，包括上述的生物力學床墊，還包括控制終端和空氣壓縮機，所述氣腔的輸入端通過進氣電磁閥、進氣導管與所述空氣壓縮機連接，所述氣腔的輸出端通過出氣電磁閥與出氣導管連接，所述控制終端分別與空氣壓縮機、壓強傳感器、進氣電磁閥、出氣電磁閥連接,並根據獲取的壓強傳感器數據控制空氣壓縮機、進氣電磁閥、出氣電磁閥的開與關。

作為本發明的一種改進，所述控制終端包括通訊接口模塊、臥姿體壓舒適度實時檢測評估模塊、生物力學實時智能調節模塊、睡眠生理學參數監測模塊、資料庫模塊；所述通訊接口模塊用於建立壓強傳感器、進氣電磁閥、出氣電磁閥與控制終端之間的通信約定和數據交換；所述臥姿體壓舒適度實時檢測評估模塊用於實時獲得從壓強傳感器傳上來的經校準計算後的接觸面壓強數據並對其進行特徵提取、分析和評估；所述生物力學實時智能調節模塊用於根據檢測評估的壓強數據實時對該身體接觸部位的支撐力通過進氣電磁閥和出氣電磁閥的控制進行氣壓調節；所述睡眠生理學參數監測模塊用於睡眠過程中睡眠數據的顯示、記錄和報警；所述資料庫模塊用於存儲系統運行過程中產生的各種數據。

作為本發明的一種改進，當人體以臥姿方式與生物力學床墊接觸後，控制終端接收到壓強傳感器的數據包後對其進解包、轉換和標定計算，得到每個傳感器的壓強值及所在位置的坐標，臥姿體壓舒適度實時檢測評估模塊再根據每個壓強值和所在的位置坐標按壓力大小對傳感器進行著色和定位，形成與氣囊實際位置一一對應的彩色壓力印跡圖，同時通過壓強數據和位置進行體重、力學中心軌跡、接觸面積、速度、壓強峰值、壓強均值、不適感區域、舒適度指數、心率、翻身次數和呼吸的計算、提取分析和評估；根據分析和評估結果，生物力學實時智能調節模塊啟動空氣壓縮機，通過進/出氣電磁閥對氣腔進行加壓和減壓的調節以達到改變氣腔表面與人體臥姿接觸面的凸凹程度和生物力學支撐強度。

作為本發明的一種改進，當接收到的壓強大於設定的壓強時，啟動空氣壓縮機對所對應的氣腔進行排氣，以降低床墊與人體接觸面的壓強；反之，當接收到的壓強過低，低於設定壓強時，啟動空氣壓縮機對所對應的氣腔進行充氣，以增大床墊與人體的接觸面，增大對應接觸面的壓強。

作為本發明的一種改進，所述設定壓強的確定方法為：平均壓強＝體重/人體背部接觸面積)，平躺時設定壓強不大於平均壓強的2倍，側臥時壓強閾值不大於平均壓強的3倍。

與現有技術相比，本發明生物力學床墊系統根據壓強傳感器調節氣腔的壓力大小進而實現肌肉既能適度放鬆又能保證不會受壓過高，使臥姿處於平直舒展、體壓均等的狀態；本發明使用臥姿體壓對睡眠質量、心率、翻身次數、呼吸等生理學參數進行監測，可廣泛應用於icu(重症監護室)、心腦外科、康復醫學科等臨床科室；本發明採用在線和離線兩種方式對體壓進行評定和氣腔壓力的全自動調節，同時兼容多種控制終端，如pc(windows)、手機、平板電腦(android、ios)等以進一步提高設備使用的便利性。

附圖說明

下面結合附圖和具體實施方式，對本發明的結構及其有益技術效果進行詳細說明。

圖1為本發明生物力學床墊的俯視圖。

圖2為圖1的側視圖。

圖3為本發明的六角蜂巢式氣腔圖。

圖4為本發明生物力學床墊系統的信號採集原理圖。

圖5為本發明生物力學床墊系統的模塊組成示意圖。

圖6為本發明生物力學床墊系統的基於臥姿體壓進行舒適度調節流程圖。

具體實施方式

為了使本發明的發明目的、技術方案及其有益技術效果更加清晰，以下結合附圖和具體實施方式，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解的是，本說明書中描述的具體實施方式僅僅是為了解釋本發明，並非為了限定本發明。

請參閱圖1、圖2和圖3，本發明的生物力學床墊包括床墊框體1、六角蜂巢式氣腔2、柔性接觸式壓強傳感器3，所述六角蜂巢式氣腔2由腔體201、進氣導管202、進氣電磁閥203、出氣導管204和出氣電磁閥205構成；柔性接觸式壓強傳感器由若呈陣列分布構成的敏感檢測單元和數據採集裝置構成；若干個呈陣列分布(陣列尺寸與床墊框體等長等寬)的六角蜂巢式氣腔置於床墊框體正中，柔性接觸式壓強傳感器置於六角蜂巢式氣腔之上。六角蜂巢式氣腔是指蜂巢結構的420d新型尼龍材料(或聚酯纖維pa66纖維、pa6長絲等材料)密封腔體，用於控制調節腔體內氣壓的增加和減少，每個腔體均由獨立的進/出氣電磁閥和進/出氣軟管構成，每個腔體各自獨立、互不幹擾；採用蜂巢結構是因為其為正六邊形，能以最少的材料獲得最大的受力支撐和容積率；進氣的總管口設有乾燥裝置，進行氣水分離。床墊框體、六角蜂巢式氣腔組成的矩形陣列、柔性接觸式壓強傳感器的面積為：(150cm-230cm)*(80cm-200cm)；六角蜂巢式氣腔矩形陣列由多個蜂巢式氣腔組成，蜂巢氣腔層的正常高度為15cm，加壓減壓最高高度均為(0.5cm-4cm)；床墊四周的氣腔大(邊長為5cm)，中間的氣腔小(邊長為3cm)，每個氣腔之間有間隔材料(整個氣腔外框為一個整體的有多個六角蜂巢式柱狀孔的床墊框架，材料為epe(珍珠棉，聚乙烯發泡棉等材料)；氣腔層9以下為一塊金屬網狀板阻隔氣腔層9與底層10，並起到抑制氣腔向下膨脹的作用；框架的每個六角柱狀孔內有一個蜂巢式氣腔(氣腔與傳感器對應)，底層為進/出氣體導管和傳感器導線等放置層，高度為10cm，最低部也是一塊金屬網狀板；床墊上表面覆蓋一個緩衝層11(海綿等材料，高度為0.5cm-4cm)以增加舒適度，傳感器放置在緩衝層內緊貼六角蜂巢式氣腔的表面，床墊最上層覆蓋一層防蟎蟲的布料(德國依沃瓏防蟎布或納米銀等防蟎材料)。柔性接觸式壓強傳感器由多個單個壓強傳感器組成(單只傳感器個數與六角氣腔個數對應)，單只壓強傳感器面積(1cm-4cm)*(1cm-4cm)。柔性接觸式壓強傳感器與六角蜂巢式氣腔具有位置對應關係，即傳感器的位置坐標確定氣腔的位置坐標；

請參閱圖4和圖5，本發明的生物力學床墊系統包括上述的生物力學床墊，還包括微型空氣壓縮機4和控制終端，控制終端可為手持式數據控制終端6或和上位機控制終端7，微型壓縮機由超靜音微型壓縮機和導氣管5構成，手持式操作控制終端由平板電腦和usb數據導線8構成，上位機操作終端包括普通pc、手機、平板(android、ios)電腦、觸控螢幕電腦等。另外，控制終端也可集成在述的生物力學床墊內。

控制終端包括：通訊接口模塊、臥姿體壓舒適度實時檢測評估模塊、生物力學實時智能調節模塊、睡眠生理學參數監測模塊、資料庫模塊；所述通訊接口模塊用於建立柔性接觸式壓強傳感器數據採集裝置、進氣電磁閥和出氣電磁閥與手持式操作終端或上位機操作終端之間的通信約定和數據交換；所述臥姿體壓舒適度實時檢測評估模塊用於實時獲得從數據採集裝置傳上來的經校準計算後的接觸面壓強數據並對其進行特徵提取、分析和評估；所述生物力學實時智能調節模塊用於根據檢測評估的壓強數據實時對該身體接觸部位的支撐力學通過進/出電磁閥的控制進行氣壓調節；睡眠生理學參數監測模塊用於睡眠過程中舒適度指數、心率、呼吸、翻身次數等數據的顯示、記錄和報警；資料庫模塊用於存儲系統運行過程中產生的時間、臥姿接觸面壓強、進/出電磁閥控制閾值數據、心率、呼吸、翻身次數等數據。

微型空氣壓縮機導氣管輸出端分別與各個六角蜂巢式氣腔進氣導管輸入端各自連接，進氣導管輸出端與進氣電磁閥輸入端連接，進氣電磁閥輸出端與六角蜂巢式氣腔腔體的輸入端連接，六角蜂巢式氣腔腔體的輸出端與出氣電磁閥輸入端連接，出氣電磁閥輸出端與出氣導管輸入端連接(出氣導管輸出端用於將氣體排出腔體)，進氣電磁閥與出氣電磁閥的信號控制導線輸出端分別與數據採集裝置的輸入端連接；柔性接觸式壓強傳感器的信號輸出端與數據採集裝置的輸入端連接，數據採集裝置的信號輸出端通過usb導線與手持式操作終端(或上位機操作終端)輸入端進行連接。

柔性接觸式壓強傳感器通過usb數據導線與上位機操作終端(或手持式操作控制終端)進行通訊，上位機接收到數據包後對其進解包、轉換和標定計算，得到每個傳感器的壓強值及所在位置的坐標，臥姿體壓舒適度實時檢測評估模塊再根據每個壓強值和所在的位置坐標按壓力大小對傳感器進行著色和定位，形成與氣囊實際位置一一對應的彩色壓力印跡圖，同時通過壓強數據和位置進行體重、力學中心軌跡、接觸面積、速度、壓強峰值、壓強均值、不適感區域、舒適度指數、心率、翻身次數和呼吸的計算、提取分析和評估；根據分析和評估結果，生物力學實時智能調節模塊會自動啟動微型空氣壓縮機，通過進/出氣電磁閥對六角蜂巢式氣腔進行加壓和減壓的智能全自動調節以達到改變氣腔表面與人體臥姿接觸面的凸凹程度和生物力學支撐強度，進而實現全新的符合人體臥姿生物力學特點的平直舒展和體壓均等狀態的床墊系統和方法。

請參閱圖6，當人體以臥姿方式與床墊接觸後，柔性接觸式壓強傳感器與身體臥姿部位充分接觸，柔性接觸式壓強傳感器會感測到接觸面部位壓強的變化，同時傳感器經數據採集裝置通過usb數據導線與上位機操作終端(或手持式操作控制終端)進行通訊，上位機接收到數據包後對其進解包、轉換和標定計算，得到每個傳感器的壓強值及所在位置的坐標，臥姿體壓舒適度實時檢測評估模塊再根據每個壓強值和所在的位置坐標按壓力大小對傳感器進行著色和定位，形成與氣囊實際位置一一對應的彩色壓力印跡圖，同時通過壓強數據和位置進行體重、力學中心軌跡、接觸面積、速度、壓強峰值、壓強均值、不適感區域、舒適度指數、心率、翻身次數和呼吸的計算、提取分析和評估；根據分析和評估結果，生物力學實時智能調節模塊會自動啟動微型空氣壓縮機，通過進/出氣電磁閥對六角蜂巢式氣腔進行加壓和減壓的智能全自動調節以達到改變氣腔表面與人體臥姿接觸面的凸凹程度和生物力學支撐強度(當傳感器接收到的壓強大於設定的壓強時，自動啟動微型空氣壓縮機對所對應的氣腔進行排氣，以降低床墊與人體接觸面的壓強；反之，當傳感器接收到的壓強過低，低於設定壓強時，自動啟動微型空氣壓縮機對所對應的氣腔進行充氣，以增大床墊與人體的接觸面，增大對應接觸面的壓強)，進而實現全新的符合人體臥姿生物力學特點的平直舒展和體壓均等狀態的床墊系統和方法。

臥姿體壓舒適度實時檢測評估模塊中的檢測評估指標包括但不僅限於：體重、力學中心軌跡、接觸面積、速度、壓強峰值、壓強均值、不適感區域、舒適度指數、心率、翻身次數和呼吸等；並設置壓力測定等相關功能異常的報警裝置(包括氣腔漏氣、氣管堵塞、氣壓表異常等，通過開機是先充氣10秒後放氣10秒鐘進行自動檢測，異常時啟動報警燈)。舒適度指數是指：根據體重、力學中心軌跡、接觸面積、壓強峰值、壓強均值和不適感區域數量先進行平均值和標準差計算，再進行指標關聯性計算所得出的數據，具體方法如下：(1)將體重、力學中心軌跡、接觸面積、壓強峰值、壓強均值和不適感區域數量分別按時序取平均值標準差(s)和實測值(x)；(2)求上述各指標的指數值；(3)將上述各指標的指數值求平均值即可得到舒適度指數。(4)舒適度指數最大值為10，舒適度指數越大，說明床墊的舒適程度越好；舒適度指數越小，說明床墊的舒適程度越差。

生物力學實時智能調節模塊中的實時智能調節包括：(1)當壓強數據高於一定閾值時表明身體接觸面小、壓力過高、血液循環不暢出現發麻、不適或疼痛，此時該身體接觸部位的六角蜂巢式氣腔開始進行智能減壓使身體局部受力面積增大、柔軟度增加、接觸面平均受壓，血液循環得到改善，發麻、不適或疼痛消失；(2)當壓強數據低於一定閾值時表明身體肌肉缺乏足夠的支撐、肌張力高，肌肉處於緊張狀態，此時該身體接觸部位的六角蜂巢式氣腔開始進行智能增壓使身體局部受力增大、增強氣腔的硬度、加大對肌肉的支撐強度；(3)壓強閾值的確定方法：計算平均壓強＝體重/人體背部接觸面積，平躺時壓強閾值不大於平均壓強的2倍(氣腔可調節壓強的確定範圍：平均壓強的0.5倍-2倍)，側臥時壓強閾值不大於平均壓強的3倍(氣腔可調節壓強的確定範圍：平均壓強的0.5倍-3倍)，當超過閾值時，啟動報警裝置及自動放氣調節模式。

本實施例採用柔性接觸式壓強傳感器精確測定臥姿時身體與床墊接觸面的壓強數據，用於評估臥姿體壓的舒適度：並作為智能調節床墊氣腔凸凹程度的評估依據，以期到達評估脊柱健康的要求；採用六角蜂巢式氣腔進行壓力智能的全自動調節，保障身體睡眠時足夠的生物力學支撐，促進血液循環，提高睡眠質量：當壓強數據高於一定閾值時表明身體接觸面小、壓力過高、血液循環不暢出現發麻、不適或疼痛，此時該身體接觸部位的六角蜂巢式氣腔開始進行智能減壓使身體局部受力面積增大、柔軟度增加、接觸面平均受壓，血液循環得到改善，發麻、不適或疼痛消失；當壓強數據低於一定閾值時表明身體肌肉缺乏足夠的支撐、肌張力高，肌肉處於緊張狀態，此時該身體接觸部位的六角蜂巢式氣腔開始進行智能增壓使身體局部受力增大、增強氣腔的硬度、加大對肌肉的支撐強度。

根據上述說明書的揭示和教導，本發明所屬領域的技術人員還可以對上述實施方式進行適當的變更和修改。因此，本發明並不局限於上面揭示和描述的具體實施方式，對本發明的一些修改和變更也應當落入本發明的權利要求的保護範圍內。此外，儘管本說明書中使用了一些特定的術語，但這些術語只是為了方便說明，並不對本發明構成任何限制。