生物力学床垫及系统的制作方法

本发明涉及床垫技术，更具体地说，涉及一种生物力学床垫及系统。

背景技术：

随着社会的发展，人们的生活节奏越来越快，生活压力也越来越大。与此同时，人们的睡眠质量受到了影响，于是一款适合自己的舒适床垫，成为大多数都市生活人们的愿望。根据研究发现：舒适卧姿是指符合睡眠时脊柱的生物力学特点且维持较好的生理曲度的卧姿，即无论处于哪种睡眠姿势，脊柱都能保持平直舒展、体压均等，使全身能够得到充分的放松。目前的床垫技术从生物力学角度看主要存在以下缺点：

1.床垫的舒适度无法适应脊柱健康的要求：根据麦肯基理论维持脊柱形状结构的小肌群不能在睡眠时间处于完全放松的状态时会导致小肌群长期处于疲劳状态，最终出现肌肉损伤或劳损，进而出现疼痛或不适；

2.不符合卧姿生物力学要求：人体脊柱有四个生理弯曲，即颈曲、胸曲、腰曲和骶曲。床垫过硬，卧姿时只有头、背、臀和脚跟四点受力，身体其余部位处于悬空，易造成受力部位局部压力过高和脊柱处于僵挺紧张状态；床垫过软，全身凹陷，脊柱处于弯曲状态会对内脏造成压迫。此两种情况长此以往均不利于健康，易造成不明原因的颈肩腰腿疼痛；

3.无法根据人体卧姿生物力学特点实现床垫凸凹程度的力学自适应调节：市面上的一些记忆床垫采用海绵慢反弹原理实现的凸凹调节会出现人体接触部位“软的更软，硬的更硬”增加不适感，且人在熟睡过程中姿态会间歇性地无意识进行自我调整，记忆床垫会对这种无意识自我调整进行限制，造成睡眠中断和睡眠质量下降。

技术实现要素：

针对现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种生物力学床垫及系统，解决现有技术存在的无法满足脊椎健康要求、不符合卧姿生物力学要求和不能进行生物力学自适应调节等缺点和问题。

为了实现上述目的，本发明生物力学床垫的技术方案为：生物力学床垫，包括床垫框体，在所述床垫框体上自上而下设有缓冲层、气腔层和底层，在所述缓冲层分布设有多个压强传感器，在所述气腔层分布设有多个气腔，所述压强传感器的位置与所述气腔的位置一一对应，在所述底层设有用于与所述气腔连接的进气导管、排气导管。

作为本发明的一种改进，所述气腔为六角蜂巢式气腔，所述压强传感器为柔性接触式压强传感器，所述压强传感器放置在所述气腔的表面。

作为本发明的一种改进，在所述床垫框架设有多个六角柱状孔，所述气腔分别设置于所述六角柱状孔内。

作为本发明的一种改进，设置在所述床垫四周的气腔大，在所述床垫中间的气腔小，在每个气腔之间设有间隔材料。

作为本发明的一种改进，在所述气腔层和底之间设有一金属网状板或高硬度塑料类网状板。

本发明生物力学床垫系统的技术方案为：生物力学床垫系统，包括上述的生物力学床垫，还包括控制终端和空气压缩机，所述气腔的输入端通过进气电磁阀、进气导管与所述空气压缩机连接，所述气腔的输出端通过出气电磁阀与出气导管连接，所述控制终端分别与空气压缩机、压强传感器、进气电磁阀、出气电磁阀连接,并根据获取的压强传感器数据控制空气压缩机、进气电磁阀、出气电磁阀的开与关。

作为本发明的一种改进，所述控制终端包括通讯接口模块、卧姿体压舒适度实时检测评估模块、生物力学实时智能调节模块、睡眠生理学参数监测模块、数据库模块；所述通讯接口模块用于建立压强传感器、进气电磁阀、出气电磁阀与控制终端之间的通信约定和数据交换；所述卧姿体压舒适度实时检测评估模块用于实时获得从压强传感器传上来的经校准计算后的接触面压强数据并对其进行特征提取、分析和评估；所述生物力学实时智能调节模块用于根据检测评估的压强数据实时对该身体接触部位的支撑力通过进气电磁阀和出气电磁阀的控制进行气压调节；所述睡眠生理学参数监测模块用于睡眠过程中睡眠数据的显示、记录和报警；所述数据库模块用于存储系统运行过程中产生的各种数据。

作为本发明的一种改进，当人体以卧姿方式与生物力学床垫接触后，控制终端接收到压强传感器的数据包后对其进解包、转换和标定计算，得到每个传感器的压强值及所在位置的坐标，卧姿体压舒适度实时检测评估模块再根据每个压强值和所在的位置坐标按压力大小对传感器进行着色和定位，形成与气囊实际位置一一对应的彩色压力印迹图，同时通过压强数据和位置进行体重、力学中心轨迹、接触面积、速度、压强峰值、压强均值、不适感区域、舒适度指数、心率、翻身次数和呼吸的计算、提取分析和评估；根据分析和评估结果，生物力学实时智能调节模块启动空气压缩机，通过进/出气电磁阀对气腔进行加压和减压的调节以达到改变气腔表面与人体卧姿接触面的凸凹程度和生物力学支撑强度。

作为本发明的一种改进，当接收到的压强大于设定的压强时，启动空气压缩机对所对应的气腔进行排气，以降低床垫与人体接触面的压强；反之，当接收到的压强过低，低于设定压强时，启动空气压缩机对所对应的气腔进行充气，以增大床垫与人体的接触面，增大对应接触面的压强。

作为本发明的一种改进，所述设定压强的确定方法为：平均压强＝体重/人体背部接触面积)，平躺时设定压强不大于平均压强的2倍，侧卧时压强阈值不大于平均压强的3倍。

与现有技术相比，本发明生物力学床垫系统根据压强传感器调节气腔的压力大小进而实现肌肉既能适度放松又能保证不会受压过高，使卧姿处于平直舒展、体压均等的状态；本发明使用卧姿体压对睡眠质量、心率、翻身次数、呼吸等生理学参数进行监测，可广泛应用于icu(重症监护室)、心脑外科、康复医学科等临床科室；本发明采用在线和离线两种方式对体压进行评定和气腔压力的全自动调节，同时兼容多种控制终端，如pc(windows)、手机、平板电脑(android、ios)等以进一步提高设备使用的便利性。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式，对本发明的结构及其有益技术效果进行详细说明。

图1为本发明生物力学床垫的俯视图。

图2为图1的侧视图。

图3为本发明的六角蜂巢式气腔图。

图4为本发明生物力学床垫系统的信号采集原理图。

图5为本发明生物力学床垫系统的模块组成示意图。

图6为本发明生物力学床垫系统的基于卧姿体压进行舒适度调节流程图。

具体实施方式

为了使本发明的发明目的、技术方案及其有益技术效果更加清晰，以下结合附图和具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解释本发明，并非为了限定本发明。

请参阅图1、图2和图3，本发明的生物力学床垫包括床垫框体1、六角蜂巢式气腔2、柔性接触式压强传感器3，所述六角蜂巢式气腔2由腔体201、进气导管202、进气电磁阀203、出气导管204和出气电磁阀205构成；柔性接触式压强传感器由若呈阵列分布构成的敏感检测单元和数据采集装置构成；若干个呈阵列分布(阵列尺寸与床垫框体等长等宽)的六角蜂巢式气腔置于床垫框体正中，柔性接触式压强传感器置于六角蜂巢式气腔之上。六角蜂巢式气腔是指蜂巢结构的420d新型尼龙材料(或聚酯纤维pa66纤维、pa6长丝等材料)密封腔体，用于控制调节腔体内气压的增加和减少，每个腔体均由独立的进/出气电磁阀和进/出气软管构成，每个腔体各自独立、互不干扰；采用蜂巢结构是因为其为正六边形，能以最少的材料获得最大的受力支撑和容积率；进气的总管口设有干燥装置，进行气水分离。床垫框体、六角蜂巢式气腔组成的矩形阵列、柔性接触式压强传感器的面积为：(150cm-230cm)*(80cm-200cm)；六角蜂巢式气腔矩形阵列由多个蜂巢式气腔组成，蜂巢气腔层的正常高度为15cm，加压减压最高高度均为(0.5cm-4cm)；床垫四周的气腔大(边长为5cm)，中间的气腔小(边长为3cm)，每个气腔之间有间隔材料(整个气腔外框为一个整体的有多个六角蜂巢式柱状孔的床垫框架，材料为epe(珍珠棉，聚乙烯发泡棉等材料)；气腔层9以下为一块金属网状板阻隔气腔层9与底层10，并起到抑制气腔向下膨胀的作用；框架的每个六角柱状孔内有一个蜂巢式气腔(气腔与传感器对应)，底层为进/出气体导管和传感器导线等放置层，高度为10cm，最低部也是一块金属网状板；床垫上表面覆盖一个缓冲层11(海绵等材料，高度为0.5cm-4cm)以增加舒适度，传感器放置在缓冲层内紧贴六角蜂巢式气腔的表面，床垫最上层覆盖一层防螨虫的布料(德国依沃珑防螨布或纳米银等防螨材料)。柔性接触式压强传感器由多个单个压强传感器组成(单只传感器个数与六角气腔个数对应)，单只压强传感器面积(1cm-4cm)*(1cm-4cm)。柔性接触式压强传感器与六角蜂巢式气腔具有位置对应关系，即传感器的位置坐标确定气腔的位置坐标；

请参阅图4和图5，本发明的生物力学床垫系统包括上述的生物力学床垫，还包括微型空气压缩机4和控制终端，控制终端可为手持式数据控制终端6或和上位机控制终端7，微型压缩机由超静音微型压缩机和导气管5构成，手持式操作控制终端由平板电脑和usb数据导线8构成，上位机操作终端包括普通pc、手机、平板(android、ios)电脑、触摸屏电脑等。另外，控制终端也可集成在述的生物力学床垫内。

控制终端包括：通讯接口模块、卧姿体压舒适度实时检测评估模块、生物力学实时智能调节模块、睡眠生理学参数监测模块、数据库模块；所述通讯接口模块用于建立柔性接触式压强传感器数据采集装置、进气电磁阀和出气电磁阀与手持式操作终端或上位机操作终端之间的通信约定和数据交换；所述卧姿体压舒适度实时检测评估模块用于实时获得从数据采集装置传上来的经校准计算后的接触面压强数据并对其进行特征提取、分析和评估；所述生物力学实时智能调节模块用于根据检测评估的压强数据实时对该身体接触部位的支撑力学通过进/出电磁阀的控制进行气压调节；睡眠生理学参数监测模块用于睡眠过程中舒适度指数、心率、呼吸、翻身次数等数据的显示、记录和报警；数据库模块用于存储系统运行过程中产生的时间、卧姿接触面压强、进/出电磁阀控制阈值数据、心率、呼吸、翻身次数等数据。

微型空气压缩机导气管输出端分别与各个六角蜂巢式气腔进气导管输入端各自连接，进气导管输出端与进气电磁阀输入端连接，进气电磁阀输出端与六角蜂巢式气腔腔体的输入端连接，六角蜂巢式气腔腔体的输出端与出气电磁阀输入端连接，出气电磁阀输出端与出气导管输入端连接(出气导管输出端用于将气体排出腔体)，进气电磁阀与出气电磁阀的信号控制导线输出端分别与数据采集装置的输入端连接；柔性接触式压强传感器的信号输出端与数据采集装置的输入端连接，数据采集装置的信号输出端通过usb导线与手持式操作终端(或上位机操作终端)输入端进行连接。

柔性接触式压强传感器通过usb数据导线与上位机操作终端(或手持式操作控制终端)进行通讯，上位机接收到数据包后对其进解包、转换和标定计算，得到每个传感器的压强值及所在位置的坐标，卧姿体压舒适度实时检测评估模块再根据每个压强值和所在的位置坐标按压力大小对传感器进行着色和定位，形成与气囊实际位置一一对应的彩色压力印迹图，同时通过压强数据和位置进行体重、力学中心轨迹、接触面积、速度、压强峰值、压强均值、不适感区域、舒适度指数、心率、翻身次数和呼吸的计算、提取分析和评估；根据分析和评估结果，生物力学实时智能调节模块会自动启动微型空气压缩机，通过进/出气电磁阀对六角蜂巢式气腔进行加压和减压的智能全自动调节以达到改变气腔表面与人体卧姿接触面的凸凹程度和生物力学支撑强度，进而实现全新的符合人体卧姿生物力学特点的平直舒展和体压均等状态的床垫系统和方法。

请参阅图6，当人体以卧姿方式与床垫接触后，柔性接触式压强传感器与身体卧姿部位充分接触，柔性接触式压强传感器会感测到接触面部位压强的变化，同时传感器经数据采集装置通过usb数据导线与上位机操作终端(或手持式操作控制终端)进行通讯，上位机接收到数据包后对其进解包、转换和标定计算，得到每个传感器的压强值及所在位置的坐标，卧姿体压舒适度实时检测评估模块再根据每个压强值和所在的位置坐标按压力大小对传感器进行着色和定位，形成与气囊实际位置一一对应的彩色压力印迹图，同时通过压强数据和位置进行体重、力学中心轨迹、接触面积、速度、压强峰值、压强均值、不适感区域、舒适度指数、心率、翻身次数和呼吸的计算、提取分析和评估；根据分析和评估结果，生物力学实时智能调节模块会自动启动微型空气压缩机，通过进/出气电磁阀对六角蜂巢式气腔进行加压和减压的智能全自动调节以达到改变气腔表面与人体卧姿接触面的凸凹程度和生物力学支撑强度(当传感器接收到的压强大于设定的压强时，自动启动微型空气压缩机对所对应的气腔进行排气，以降低床垫与人体接触面的压强；反之，当传感器接收到的压强过低，低于设定压强时，自动启动微型空气压缩机对所对应的气腔进行充气，以增大床垫与人体的接触面，增大对应接触面的压强)，进而实现全新的符合人体卧姿生物力学特点的平直舒展和体压均等状态的床垫系统和方法。

卧姿体压舒适度实时检测评估模块中的检测评估指标包括但不仅限于：体重、力学中心轨迹、接触面积、速度、压强峰值、压强均值、不适感区域、舒适度指数、心率、翻身次数和呼吸等；并设置压力测定等相关功能异常的报警装置(包括气腔漏气、气管堵塞、气压表异常等，通过开机是先充气10秒后放气10秒钟进行自动检测，异常时启动报警灯)。舒适度指数是指：根据体重、力学中心轨迹、接触面积、压强峰值、压强均值和不适感区域数量先进行平均值和标准差计算，再进行指标关联性计算所得出的数据，具体方法如下：(1)将体重、力学中心轨迹、接触面积、压强峰值、压强均值和不适感区域数量分别按时序取平均值标准差(s)和实测值(x)；(2)求上述各指标的指数值；(3)将上述各指标的指数值求平均值即可得到舒适度指数。(4)舒适度指数最大值为10，舒适度指数越大，说明床垫的舒适程度越好；舒适度指数越小，说明床垫的舒适程度越差。

生物力学实时智能调节模块中的实时智能调节包括：(1)当压强数据高于一定阈值时表明身体接触面小、压力过高、血液循环不畅出现发麻、不适或疼痛，此时该身体接触部位的六角蜂巢式气腔开始进行智能减压使身体局部受力面积增大、柔软度增加、接触面平均受压，血液循环得到改善，发麻、不适或疼痛消失；(2)当压强数据低于一定阈值时表明身体肌肉缺乏足够的支撑、肌张力高，肌肉处于紧张状态，此时该身体接触部位的六角蜂巢式气腔开始进行智能增压使身体局部受力增大、增强气腔的硬度、加大对肌肉的支撑强度；(3)压强阈值的确定方法：计算平均压强＝体重/人体背部接触面积，平躺时压强阈值不大于平均压强的2倍(气腔可调节压强的确定范围：平均压强的0.5倍-2倍)，侧卧时压强阈值不大于平均压强的3倍(气腔可调节压强的确定范围：平均压强的0.5倍-3倍)，当超过阈值时，启动报警装置及自动放气调节模式。

本实施例采用柔性接触式压强传感器精确测定卧姿时身体与床垫接触面的压强数据，用于评估卧姿体压的舒适度：并作为智能调节床垫气腔凸凹程度的评估依据，以期到达评估脊柱健康的要求；采用六角蜂巢式气腔进行压力智能的全自动调节，保障身体睡眠时足够的生物力学支撑，促进血液循环，提高睡眠质量：当压强数据高于一定阈值时表明身体接触面小、压力过高、血液循环不畅出现发麻、不适或疼痛，此时该身体接触部位的六角蜂巢式气腔开始进行智能减压使身体局部受力面积增大、柔软度增加、接触面平均受压，血液循环得到改善，发麻、不适或疼痛消失；当压强数据低于一定阈值时表明身体肌肉缺乏足够的支撑、肌张力高，肌肉处于紧张状态，此时该身体接触部位的六角蜂巢式气腔开始进行智能增压使身体局部受力增大、增强气腔的硬度、加大对肌肉的支撑强度。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。