一种智能化预警式防护头盔的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种智能化预警式防护头盔，防护头盔内设有爆炸冲击波动态监测装置，该爆炸冲击波动态监测装置包括信号采集模块、信号放大模块、单片机、存储模块和供电模块；信号采集模块包括多个压阻式传感器，当人戴上防护头盔时，各压阻式传感器位于人颅脑顶部上方1～25mm；信号放大模块包括多个放大器，多个放大器的输入端与多个压阻式传感器的输出端一一对应连接；单片机包括AD采样模块和SPI口，各放大器的输出端分别与AD采样模块连接；存储模块与单片机的SPI口连接，供电模块分别与各压阻式传感器、各放大器、单片机和存储模块连接。本实用新型能够实现颅脑区冲击波峰值超压、正压作用时间等关键致伤参数的动态采集。
【专利说明】一种智能化预警式防护头盔
【技术领域】
[0001]本实用新型属于检测装置，具体涉及一种智能化预警式防护头盔。
【背景技术】
[0002]自从诺贝尔实用新型炸药以来，以炸药为原料的各种武器或简易爆炸装置已造成大量人员伤亡。其中爆炸冲击波是导致伤死、伤残的关键因素。回顾上世纪越南战争、海湾战争、伊拉克和阿富汗战争等军事冲突，均表明现代战争的损伤模式与既往冲突类似，其中颅脑外伤在战斗损伤中的比例不低于15%。尽管防弹衣的改进大大减少战争死亡率，但爆炸冲击波所致的颅脑损伤更加突出。现代作战头盔作为良好的颅脑防护装备，可减轻低速射击物如弹片和特定环境中高速射击物如子弹等损伤，但冲击波致颅脑损伤仍无法完全防护。与此同时，和平条件下大规模城镇化建设和地下资源采掘、工程爆破也已成为常态化操作。然而，遗憾的是，目前对于各种因素所致颅脑冲击波暴露仍停留在伤员发现损伤或神经精神症状后才被动就医，寻求诊治。至于伤员发生颅脑损伤过程中究竟遭受怎样的冲击波暴露，尤其是肉眼未见破损但已经出现脑功能紊乱的冲击波暴露伤员，如何实现颅脑冲击波损伤量化评估迄今尚未引起关注。在战争或爆炸事故发生后，医疗机构尚无法获取颅脑爆炸冲击伤动态致伤数据，因此，无法对颅脑冲击伤尤其是低强度、反复冲击伤伤情与致伤压力之间做出量效和时效关系的判断，在颅脑冲击伤伤情判断和治疗上也难于实现个体化。有鉴于此，在平战条件下探寻有效防护措施的基础上，设想研发颅脑附近的“黑匣子”以准确评估伤员遭受冲击波暴露的强度和频次，对于客观评估冲击波致颅脑损伤伤情、预后，改善神经精神症状、促进伤员脑功能康复具有重要诊断学意义。
[0003]目前，对冲击波致颅脑损伤的评估涉及脑功能生理指标变化以及相应的评分方法(如Glasgow评分)。其中生理功能异常主要涉及意识、记忆力、损伤时精神状态改变和(或)灶性神经受损。伤员的主诉有时较临床诊断指标异常更为复杂多变，特别是许多伤员临床影像诊断等并未发现异常，但神经精神症状已经出现并持续存在，甚至可能出现自伤或伤人等严重后果。究其原因，除过特定场景(如战场人员死伤)等刺激外，目前认为主要原因极可能是频繁或一定强度的冲击波累积性暴露所致的脑功能病变。因此，在伤员出现临床颅脑病变征象之前，实现动态监测颅脑冲击波暴露的强度和频次是平战条件下颅脑冲击伤评估和防治的先决条件。既往冲击波监测主要采用进口装备，其主要局限性包括:
[0004]( I)主要针对准静态设施和固定动物的爆炸冲击波监测；
[0005](2)体积偏大，难于随身携带；
[0006](3)抗干扰性能较弱；
[0007](4)监测爆炸冲击波量程与遭受冲击伤的存活伤员颅脑冲击波暴露阈值有较大偏差;
[0008]( 5 )由于受伤个体(平民、作业人员、官兵)遭受颅脑冲击波损伤时监测设备位置不确定(即是否靠近身体、在身体的相对部位)。
[0009]因此，检测数据会因冲击波与设备中间介质的不同而有较明显的数值偏倚，难以客观反应人体颅脑处遭受的压力强度。因此，基于以上五方面问题，考虑到战争或施工爆破现场的实际，动态监测颅脑冲击波暴露必须满足以下条件:
[0010](I)脑防护装备一头盔能够对监测装置有良好的兼容性，即头盔能够容纳冲击波监测装置；
[0011](2)监测装置必需体积小巧，便于携带或嵌入颅脑防护设备中；
[0012](3)能够满足防水、防辐射以及特殊环境(水下、高原)下颅脑冲击波检测需求；
[0013](4)能够承受密闭和开放环境中不同压力强度的爆炸冲击波；
[0014](5)结合既往战场返回官兵的神经精神症状，提示目前在头盔防护条件下，颅脑的低强度、高频次爆炸冲击波暴露更为多见。因此，设备重点满足低强度、高频次冲击波监测需求。
[0015]基于以上现状，目前亟待研发一种能够适应平战作业(作战官兵、爆破施工人员、维和人员、煤矿开采掘进人员)的智能化预警式防护头盔。
实用新型内容
[0016]本实用新型的目的是提供一种智能化预警式防护头盔，能实现颅脑区冲击波峰值超压、正压作用时间等关键致伤参数的动态采集。
[0017]本实用新型所述智能化预警式防护头盔，在防护头盔内设有爆炸冲击波动态监测
装置，
[0018]该爆炸冲击波动态监测装置包括信号采集模块、信号放大模块、单片机、存储模块和供电模块；
[0019]所述信号采集模块包括多个压阻式传感器，用于采集冲击波产生的压力信号，当人戴上防护头盔时，各压阻式传感器位于人颅脑顶部上方I?25mm ;
[0020]多个放大器的输入端与多个压阻式传感器的输出端 对应连接，用于将各压阻式传感器采集的压力信号放大；
[0021]所述单片机包括AD采样模块和SPI 口，各放大器的输出端分别与AD采样模块连接，依次轮流采样各放大器输出的压力信号；
[0022]所述存储模块与单片机的SPI 口连接，将采样的压力信号存储于存储模块中；
[0023]所述供电模块分别与各压阻式传感器、各放大器、单片机和存储模块连接，为各压阻式传感器、各放大器、单片机和存储模块提供工作电压。
[0024]所述单片机采用宏晶单片机STC15F2K60S2，该单片机的AD采样模块包括八个通道的10位ADC，所述压力传感器共八个，所述放大器共八个，八个压力传感器的输出端与八个放大器的输入端一一对应连接，八个放大器的输出端分别与AD采样模块的八个通道
——对应连接。
[0025]所述压力传感器采用西安德威科仪表公司的CYY15爆炸冲击波压力传感器；所述放大器采用美国TI公司的INA331单电源仪表放大器，所述存储模块采用SD卡。
[0026]还包括一报警电路，该报警电路与单片机连接，当单片机采到的压力值超过生命的极限压力值时，单片机控制报警电路发出报警。
[0027]所述报警电路包括电阻R22、三极管Q2和蜂鸣器H，所述蜂鸣器H与三极管Q2的集电极连接，所述三极管Q2的发射极接地，所述三极管Q2的基极经电阻R22与单片机的P2.0脚连接。单片机对每次采到的压力值与危及生命的极限压力值做比较，如果超过极限压力值，则通过P2.0引脚输出高电平，使蜂鸣器发出报警。
[0028]当人戴上该防护头盔时，各压阻式传感器位于人颅脑顶部上方I?25mm。以确保监测装置能够全方位、实时接收冲击波信号，避免因冲击波首先由面部或颅脑枕部或一侧颞部响应时，传感器未放在响应区，引起冲击波信号因颅脑介质阻隔造成采集数据偏低。
[0029]本实用新型具有以下优点:
[0030](I)自动记录不同爆炸冲击波压力峰值以及压力衰变过程；
[0031](2)在冲击压力峰值超过生命承受阈值时振动式报警；
[0032](3)体积小巧，便于携带；
[0033](4)当戴上防护头盔戴时，各压阻式传感器正好位于颅脑顶部上方，使检测的数据能够客观反应人体颅脑处遭受的压力强度和作用时间；
[0034](5)记录芯片拥有大容量存储和导出功能，存储年龄、血型、身体基础状况等重要生命信息，确保伤员意识障碍时医护人员急救；
[0035](6)能够满足特殊环境(高原、水下)下颅脑冲击波检测需求；
[0036]综上所述，本实用新型所述的智能化预警式防护头盔具有使用方便，兼容性好，成本低，功能强的优点，在冲击波暴露时，能够实现颅脑区冲击波峰值超压、正压作用时间等关键致伤参数的动态采集，对于实现颅脑冲击伤的个体化评估、诊断、治疗具有重要应用价值。
【专利附图】
【附图说明】
[0037]图1是本实用新型所述爆炸冲击波动态监测装置的结构框图；
[0038]图2是本实用新型中压阻式传感器与放大器连接的电路图；
[0039]图3是本实用新型中单片机与SD卡、报警电路连接的电路图；
[0040]图4是本实用新型中供电电路的电路图；
[0041]图5是本实用新型的结构示意图；
[0042]图6是数据测控软件功能模块示意图；
[0043]图7是数据处理软件功能模块；
[0044]图8是本实用新型中数据采集软件流程图。
【具体实施方式】
[0045]下面结合附图对本实用新型作进一步说明:
[0046]如图1至图5所示的智能化预警式防护头盔，在防护头盔7内设有爆炸冲击波动态监测装置8，该爆炸冲击波动态监测装置包括信号采集模块1、信号放大模块2、单片机3存储模块4和供电模块5。
[0047]如图1、图2和图5所示，所述信号采集模块I包括多个压阻式传感器，用于采集冲击波产生的压力信号，当人戴上防护头盔7时，各压阻式传感器位于人颅脑顶部上方I?25_，使检测的数据能够客观反应人体颅脑处遭受的压力强度。所述压力传感器采用西安德威科仪表公司的CYY15爆炸冲击波压力传感器，该传感器流线型无反射外型，无管腔全齐平结构，低噪声，高分辨率，高信噪比，带防光干扰，带防火护线管，能用于各种爆炸冲击波自由场压力测量。压力测量量程:0?IMpa。该压阻式传感器的细端直径6_，粗端直径12mm，细端和粗端的高度均为10mm，重量约20g。如图2所示，压阻式传感器输出五条线，分别为电源正和地，差分输出正负和地，可以5V直流供电。输出差分毫伏信号，范围是IOOmV上下浮动30%。
[0048]如图1和图2所示，所述信号放大模块2包括多个放大器，所述放大器的数量与压阻式传感器的数量相同，多个放大器的输入端与多个压阻式传感器的输出端 对应连接，用于将各压阻式传感器采集的压力信号放大；放大器采用美国TI公司的INA331高性能单电源仪表放大器，放大倍数10,放大器输出的模拟信号输入到单片机的AD输入通道。
[0049]所述单片机3采用宏晶单片机STC15F2K60S2，该单片机3为I个时钟/机器周期，速度比传统8051单片机快8?12倍，内置高可靠复位电路，不需要外部晶振，内部时钟从5MHz?35MHz可选，相当于普通8051单片机60MHz?420MHz。该单片机3的AD采样模块由八个通道的高速10位ADC组成，故该装置配置八个压阻式传感器，八个压阻式传感器的输出端与八个放大器的输入端 对应连接，八个放大器的输出端分别与AD米样模块的八个通道——对应连接。该单片机3的采样率可达300KHz，内部含有2K字节SRAM，含有高速SPI 口。单片机3工作时系统时钟设置为35MHz，利用定时器产生80KHz的时钟脉冲，每个脉冲采样一个通道，依次轮流采样8个通道，每个通道获得IOKHz的采样率，相当于每个传感器的采样周期为0.1ms，完全可以测量爆炸冲击波形。AD采样数据首先存储在单片机3内部SRAM中，每存储IK个字节时，单片机3通过SPI 口将IK字节写入存储模块4中，本实用新型中所述存储模块4采用Kingston系列SD卡，数据写入的同时，AD采集数据存储在另外IK字节的SRAM中，2个IK字节SRAM轮流使用，既能保证AD不间断采集，又能保证存储数据存入SD卡中。IG的SD卡可以存储I小时46分钟的数据，根据爆炸冲击波数据大容量动态采集需求，采用16G大小容量即可。SD卡主要用于存储冲击波暴露的压力数据，正压作用时间以及冲击波暴露的频次，现场实时完成信息的快速采集与记忆，同时，为保障医疗救护需要，存储模块内存储有冲击波暴露人员的姓名、出生时间(或年龄)、血型、药物过敏史、颅脑外伤史五方面基本数据信息，以满足出现意识障碍的伤员能够在尽快简短时间或黄金救援时间内，接受医疗处置，以减少并发症发生；该智能化预警式防护头盔通过集成串行总线接口实现与计算机的数据对接和传输；
[0050]如图1和图4所示，所述供电模块5分别与各压阻式传感器、各放大器、单片机3和存储模块4连接，所述供电模块5采用7.4V可充电锂电池通过5V和3.3V稳压芯片分别获得5V和3.3V，为各压阻式传感器、各放大器、单片机3和存储模块4提供工作电压。
[0051]如图1所示，还包括一报警电路6，该报警电路6与单片机3连接，当单片机8采到的压力值超过生命的极限压力值时，单片机3控制报警电路6发出报警。如图3所示，所述报警电路6包括电阻R22、三极管Q2和蜂鸣器H，所述蜂鸣器H与三极管Q2的集电极连接，所述三极管Q2的发射极接地，所述三极管Q2的基极经电阻R22与单片机的P2.0脚连接。单片机3对每次采到的压力值与危及生命的极限压力值做比较，如果超过极限压力值，则通过P2.0引脚输出高电平，使蜂鸣器H发出报警。
[0052]如图6所示，冲击波数据测控软件功能模块涉及初始化模块、自检模块、键盘处理模块、液晶显示模块、数据存储和传输模块以及实时通信模块的协调分析运行。
[0053]如图7所示，冲击波终端数据处理软件涉及数据处理模块、报表和打印以及数据管理模块，以实现数据查询、统计和分析、能够绘制压力一时间曲线图，并能够完成数据备份和整理功能。
[0054]如图8所示，以上各硬件模块和软件模块通过协调整合，最终在终端电脑上实现颅脑冲击波动态智能监测，并以存模数转换数据形式完成临床颅脑冲击波预警分析和预后判断所需的关键数据。
[0055]本实用新型所述的智能化预警式防护头盔8能够满足平战条件下冲击波暴露时，颅脑区冲击波峰值超压、正压作用时间等关键致伤参数的动态采集，满足瞬态信号即刻数字化，通过数据在计算机的转移、分析，实现颅脑冲击波致伤时脑部结构和功能性损伤的量化评估，能够在军事或生产作业中在头盔中嵌入式佩带，有效克服了现有冲击波压力和时间监测的静态设置环境限制，提升了爆炸冲击波在特定颅脑区域数据响应的精确性和灵敏度，尤其适用于相同爆炸冲击波暴露环境中，不同作业人员因不同掩体或屏障或介质阻隔，造成颅脑冲击波分析的差异性。对于现今军事冲突已经实施一定颅脑防护的环境下，颅脑实际接受的低强度、高频次冲击波暴露的普遍现状具有重要指征意义和广泛推广价值，是颅脑冲击波暴露后，临床影像诊断前客观获取致伤参数，评价冲击波与颅脑伤量效和时效关系的基本监测装置。同时，鉴于部分中重度颅脑冲击波暴露伤员发生意识障碍，难于准确或丧失提供急救必需的基本生命体征信息(如血型、体重、年龄、过敏史等)的实际情况，监测装置海量存储芯片内可以固化伤员的上述基本信息资料，以确保颅脑冲击伤伤员急救赢得宝贵的时间和必需信息。该分析系统结构简约，功能较全，成本较低，检测数据稳定、可靠，外形小巧，易于防护。是临床颅脑冲击伤病理诊断和基础实验研究中不可替代的个体化评估设备，具有广泛的军事和民用前景。
【权利要求】
1.一种智能化预警式防护头盔，其特征在于:在防护头盔(7)内设有爆炸冲击波动态监测装置(8)， 该爆炸冲击波动态监测装置包括信号采集模块(I)、信号放大模块(2)、单片机(3)、存储模块(4)和供电模块(5)； 所述信号采集模块(I)包括多个压阻式传感器，用于采集冲击波产生的压力信号，当人戴上防护头盔(7)时，各压阻式传感器位于人颅脑顶部上方I?25mm ; 所述信号放大模块(2)包括多个放大器，所述放大器的数量与压阻式传感器的数量相同，多个放大器的输入端与多个压阻式传感器的输出端 对应连接，用于将各压阻式传感器采集的压力信号放大； 所述单片机(3)包括AD米样模块和SPI 口，各放大器的输出端分别与AD米样模块连接，依次轮流采样各放大器输出的压力信号； 所述存储模块(4)与单片机(3)的SPI 口连接，将采样的压力信号存储于存储模块(4)中； 所述供电模块(5)分别与各压阻式传感器、各放大器、单片机(3)和存储模块(4)连接，为各压阻式传感器、各放大器、单片机(3)和存储模块(4)提供工作电压。
2.根据权利要求1所述的智能化预警式防护头盔，其特征在于:所述单片机(3)采用宏晶单片机STC15F2K60S2，该单片机(3)的AD采样模块包括八个通道的10位ADC，所述压力传感器共八个，所述放大器共八个，八个压力传感器的输出端与八个放大器的输入端对应连接，八个放大器的输出端分别与AD采样模块的八个通道一一对应连接。
3.根据权利要求1所述的智能化预警式防护头盔，其特征在于:所述压力传感器采用西安德威科仪表公司的CYY15爆炸冲击波压力传感器；所述放大器采用美国TI公司的INA331单电源仪表放大器，所述存储模块(4)采用SD卡。
4.根据权利要求1至3任一所述的智能化预警式防护头盔，其特征在于:还包括一报警电路(6)，该报警电路(6)与单片机(3)连接，当单片机采到的压力值超过生命的极限压力值时，单片机(3)控制报警电路(6)发出报警。
5.根据权利要求4所述的智能化预警式防护头盔，其特征在于:所述报警电路(6)包括电阻R22、三极管Q2和蜂鸣器H，所述蜂鸣器H与三极管Q2的集电极连接，所述三极管Q2的发射极接地，所述三极管Q2的基极经电阻R22与单片机(3)的P2.0脚连接。
【文档编号】G01L5/14GK203467759SQ201320649701
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年10月21日 优先权日:2013年10月21日
【发明者】杨策, 高洁, 蒋建新, 杜鹃, 王海燕, 王正国 申请人:中国人民解放军第三军医大学第三附属医院