CN108433211A - 一种感应自充式髋部穿戴气囊 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种感应自充式髋部穿戴气囊，其包括下位机，所述下位机包括两个三轴加速度感应器和一个陀螺仪，各所述三轴加速度感应器和陀螺仪分别设有第一通信模块；上位机，所述上位机中设有第二通信模块；以及工作机，所述工作机包括气囊、压缩气瓶和电控气阀，所述压缩气瓶设于所述气囊中或者通过导管与所述气囊连通，所述气阀设于所述压缩气瓶口部，所述电控气阀设有第三通信模块。本发明通过两个三轴加速度感应器和一个陀螺仪来感应人体姿态的变化，然后通过上位机判断是否跌倒并控制气囊的充盈。跌倒时本发明可快速自动感应使气囊充气，使身体接触地面时得到缓冲，减轻髋部受到的冲击，有效减少髋部骨折的发生率。
Description
技术领域
本发明属于人体防护穿戴设备技术领域，具体涉及一种感应自充式髋部穿戴气囊。
背景技术
按照国际疾病分类编码第九版CD-9中的诊断定义，髋部骨折一般指股骨颈骨折和粗隆间骨折，因两者发病年龄及受伤原因很相似，骨质部位亦相近，因此，在流行病学中，研究中，将股骨颈骨折与粗隆间骨之一并加以研究。
对于导致髋部骨折的高危因素，有学者认为，跌倒扭伤是髋部骨折的第一位原因，髋部的几何结构就颈干角(neck-shaft angle,NSA)(股骨颈轴长和股骨干轴长之间的角度)而言，由于NSA较大，力臂相对较长，在受到外力作用时，如跌倒，容易导致髋部骨折。Alonso的研究发现，颈干角增加1SD女性髋部骨折，危险性增加3.48倍。而对于髋轴长度(hip axis length,HAL)(股骨大转子外缘经股骨颈、股骨头的轴线至骨盆的内缘)而言，HAL增长同样使得力臂增加，骨折的危险性增大。Faulkner等人发现髋部骨折患者与对照组相比，HAL较长且髋部轴长每增加1SD，可使髋部骨折的危险性增加两倍。摔倒时，身体力学在髋部骨折的发病机制中起着重要的作用，已经证实摔倒是撞击力的方向，改变了正常的人体生理力学，从而可能引起髋部骨折，在不考虑髋部骨密度的影响，侧位摔倒时，有着更高的髋部骨折的发生率，因此在没有保护的情况下，摔倒时，撞击股骨大转子，引起髋部骨折的几率最大，且侧方摔倒所产生的撞击力已明显超过引起骨折的力量。而人体的一些保护性机制，如摔倒时双手向前伸，随着年龄的增长而逐步丧失。
而骨折的内在原因主要是骨质疏松，引起骨质疏松的原因很多，主要有一，老年人成骨细胞功能下降，二，甲状旁腺激素分泌增加，三、钙吸收减少，四、降钙素水平低等因素。比如对于老年人，髋部骨折往往与活动量少，阳光照射与维生素D的合成不足有关，而妇女绝经后雌激素水平下降，导致钙丢失增加等因素时，股骨上端乃至全身，股指均有不同程度的疏松，轻微的外力就可导致骨折。Zetterherg指出髋部骨折病人易扑跌的时间地点及某些疾病，髋部骨质病人扑跌发生在白天，在自己家里，并且冬季固执，发生率较高，每年的12月、次年1月是高发期，同时指出的危险因素还包括饮酒，吸烟，某些神经肌肉疾病、心脏病、眩晕症、视力和听力障碍、维生素D和钙的摄入不足。
由于髋部骨折病人年龄多较大，很多病人同时都合并有心血管疾病和其他老年性疾病，骨折后长期卧床还极易引起多种并发症，故其死亡率较高。因此髋部骨折已成为老年人死亡和伤残最主要的原因之一。Ddhl调查了675名髋部骨折病人的死亡情况，结果骨折后住院期间死亡率是13.9％，骨折后一个月内死亡率男性为17.1％，女性为9.8％。同时发现死亡率与病人骨折时的年龄有关，年龄越大死亡率越高。髋部骨折病人死亡的原因，主要是并发了支气管炎，心衰和脑血管意外等疾病。
我国已进入标准化老龄社会，老年人因髋周肌群退变，反应迟缓，骨质疏松不需要大的暴力，如跌倒或下肢突然扭转，甚至在轻微外伤情况下都可能发生骨折。Warriner等指出，老年人发生股骨颈骨折的重要危险因素是骨质疏松，因此预防老年股骨颈骨折，应加强老年人平时的防护措施，并注意防治骨质疏松，通过药物锻炼等措施，提高骨质含量，减少发生外伤的机会，降低骨折发生率。
发明内容
因此，为了预防老年髋骨骨折，加强老年人的防护措施，本发明的目的在于提供一种感应自充式髋部穿戴气囊，该感应自充式髋部穿戴气囊在穿戴人员摔倒时，可自动感应姿态，判定跌倒后使气囊充气，使身体接触地面时得到缓冲，减轻髋部受到的冲击，有效减少髋部骨折的发生率。
本发明的感应自充式髋部穿戴气囊包括：
下位机，所述下位机包括两个三轴加速度感应器和一个陀螺仪，各所述三轴加速度感应器和陀螺仪分别设有第一通信模块；
上位机，所述上位机中设有第二通信模块；以及
工作机，所述工作机包括气囊、压缩气瓶和电控气阀，所述压缩气瓶设于所述气囊中或者通过导管与所述气囊连通，所述气阀设于所述压缩气瓶口部，所述电控气阀设有第三通信模块；
其中，一个所述三轴加速度感应器可穿戴在上部躯体上，另一个所述三轴加速度感应器可穿戴在膝下，所述陀螺仪可穿戴在髋部位置，所述气囊可穿戴在髋部周围；
所述下位机、上位机和工作机构的交互过程包括：
佩戴人员摔倒时，两个所述三轴加速度感应器产生重力方向的加速度信号并分别通过所述第一通信模块向所述上位机上传，同时所述陀螺仪产生水平倾覆信号并通过所述第一通信模块向所述上位机上传；
所述上位机通过所述第二通信模块同时接收到两个所述三轴加速度感应器上传的重力方向加速度信号和所述陀螺仪上传的水平倾覆信号时判断摔倒，然后即时向所述电控气阀发送打开指令；
所述电控气阀通过所述第三通信模块接收到打开指令后，瞬间打开，压缩气瓶内的压缩气体瞬间充盈气囊。
由上述可知，本发明是通过两个三轴加速度感应器和一个陀螺仪来感应人体姿态的变化，进而通过上传的数据来判断是否跌倒。一方面，人体跌倒时，从本质上讲可以认为自由落体，三轴加速度感应器可感应出因自由落体产生的重力方向的加速度，两个三轴加速度感应器分别穿戴在上部躯体和膝下，分别感应穿戴人员身体上下两部分的加速位移；另一方面，人体跌倒时由直立状态倾倒为水平状态，陀螺仪则可产生出水平倾覆信号。所述上位机只有同时接收到两个重力方向加速度信号和水平倾覆信号时方才判断摔倒并发出打开指令。而只接收其中一个信号，或者任意两个信号时都不会判断摔倒，可有效避免穿戴者行走、坐卧等姿势变化时气囊的误触发。
较佳的，所述第一通信模块、第二通信模块和第三通信模块为近距无线通信模块。
所述近距无线通信模块可选自蓝牙通信模块、无线高保真通信模块、紫蜂协议通信模块和超宽带通信模块等常用的可近距离快速传输信号的通信模块。优选蓝牙通信模块，近距离传输信号稳定、传输快且制作成本低。
人体跌倒时，从本质上讲可以认为自由落体，故以成年人的身高系跌倒约为离地1米处物体作自由落体，根据自由落体公式，h＝1/2gt2得出t1≈0.45s。而三轴加速度感应器和陀螺仪感应位置的变化并通过蓝牙上传至上位机的时间t2≈0.045s，因此在跌倒时，在身体触地前，三轴加速度感应器，陀螺仪感应位置变化并以蓝牙上传至上传机计算，做出跌倒判成为可能(45ms内)。上位机跌倒判断成立后，即指令打开小钢瓶气阀，快速充盈气囊。
较佳的，所述上位机为手机或腕表，或者其他便于佩戴或持有的携带品。
较佳的，所述气囊适形设计，展开后可分布于髋关节两侧和骶尾部，包裹两侧髋部、股骨上1/2和骶尾部。
进一步的，所述气囊分三个并通过导管与所述压缩气瓶连通，其中两个仿形两侧髋部设计，另一个仿形骶尾部设计。
较佳的，所述气囊材质为抗拉强度高的尼龙，内层涂有密封橡胶，内表面附有干粉。其中内层涂有密封橡胶可提高气密性，防止气体泄漏；内表面附有干粉，可防止折叠起来粘着在一起和爆发时被冲破。
较佳的，所述气囊内置限压阀。当气囊充盈至一定程度时，自动开放排气，防止气囊过度充盈，张力过高，造成二次伤害。
气囊充盈体积和充盈后要求达到1.5个大气压中气体量压缩储存在气瓶内，气阀要求在瞬间完全打开，通过导管快速充盈各个气囊。由于跌倒至身体触地之间的时间很短(450ms)，因此要求钢瓶气阀打开和充盈气囊的时间更短(<400ms)。本发明电控气阀预选两种方案：
方案一，参照相机电子机械混合快门的原理控制气阀。
方案二，以爆炸螺栓闭合气瓶口，电控爆断螺栓，打开气瓶。
较佳的，本发明还包括云端，所述上位机可与所述云端交互，交互包括：所述上位机向云端传输气囊打开前两个所述三轴加速度感应器和所述陀螺仪采集的数据，云端进行分析处理，有效数据再传至上位机数据库，有利于以后用户上位机数据比对。
较佳的，本发明还包括预警机，所述预警机可由穿戴人员以外的人员佩戴或持有，所述气囊充盈时所述上位机可向所述预警机发出报警信号。所述预警机可以是手机或腕表，或者其他便于佩戴或持有的携带品，安装相应的app即可。
本发明的有益效果在于：
1、本发明通过两个三轴加速度感应器和一个陀螺仪来感应人体姿态的变化，然后通过上位机判断是否跌倒并控制气囊的充盈。跌倒时本发明可快速自动感应使气囊充气，使身体接触地面时得到缓冲，减轻髋部受到的冲击，有效减少髋部骨折的发生率。
2、本发明通过两个三轴加速度感应器和一个陀螺仪来感应人体姿态的变化，同时在上位机内置跌倒判断的特殊算法。所述上位机只有同时接收到两个重力方向加速度信号和水平倾覆信号时方才判断摔倒并发出打开指令。而只接收其中一个信号，或者任意两个信号时都不会判断摔倒，可有效避免穿戴者行走、坐卧等姿势变化时气囊的误触发。
3、本发明还可结合云端，通过手机app或特制的腕表，建立气囊打开前五分钟的数据的收集与储存，完善数据库。
4、本发明还可配设预警机，具有向他人报警的功能。
附图说明
图1为本发明感应自充式髋部穿戴气囊的示意图；
图2为本发明感应自充式髋部穿戴气囊的气囊示意图；
图3为本发明感应自充式髋部穿戴气囊的交互示意图。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明作进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限定本发明的范围。
实施例1
本实施例的感应自充式髋部穿戴气囊如图1所示，包括：
(1)下位机
下位机包括一个躯体三轴加速度感应器A1、一个下肢三轴加速度感应器A2和一个陀螺仪A3，各三轴加速度感应器和陀螺仪分别设有第一通信模块。其中，躯体三轴加速度感应器A1可穿戴在上部躯体上，感应到上部躯体下落产生的重力方向(设为-Z)的加速度时，产生“+”信号，而未感应到时为“-”信号；下肢三轴加速度感应器A2可穿戴在膝下，同样的，感应到上部躯体下落产生的重力方向的加速度时，产生“+”信号，而未感应到时为“-”信号；陀螺仪A3可穿戴在髋部位置，感应躯体由直立状态倾倒为水平状态，产生水平倾覆的“+”信号，而未感应到时为“-”信号。
(2)上位机
上位机为手机或腕表B1，其中设有第二通信模块。
(3)工作机
工作机包括一个压缩气瓶C1、一个电控气阀C2和三个气囊C3。
压缩气瓶C1为小钢瓶，内压缩有惰性气体比如氮气、氩气或者二氧化碳。
电控气阀C2设于压缩气瓶C1口部，电控气阀C2设有第三通信模块。
三个气囊C3气囊可穿戴在髋部周围，通过导管与压缩气瓶C1连通。其中两个仿形两侧髋部设计，另一个仿形骶尾部设计，如图2所示，三个气囊展开后可分布于髋关节两侧和骶尾部，包裹两侧髋部、股骨上1/2和骶尾部。气囊材质为抗拉强度高的尼龙，内层涂有密封橡胶，内表面附有干粉。其中内层涂有密封橡胶可提高气密性，防止气体泄漏；内表面附有干粉，可防止折叠起来粘着在一起和爆发时被冲破。气囊内置限压阀。当气囊充盈至一定程度时，自动开放排气，防止气囊过度充盈，张力过高，造成二次伤害。
下位机、上位机和工作机中，第一通信模块、第二通信模块和第三通信模块为近距无线通信模块。近距无线通信模块可选自蓝牙通信模块、无线高保真通信模块、紫蜂协议通信模块和超宽带通信模块等常用的可近距离快速传输信号的通信模块。优选蓝牙通信模块，近距离传输信号稳定、传输快且制作成本低。
较佳的，本发明还可包括云端，上位机B1通过第二通信模块(也可另外设置其他通信模块)与云端交互，交互包括：上位机B1向云端传输气囊打开前两个三轴加速度感应器和陀螺仪采集的数据，云端进行分析处理，有效数据再传至上位机数据库，有利于以后用户上位机数据比对。
较佳的，其还包括预警机，预警机可由穿戴人员以外的人员佩戴或持有，气囊充盈时上位机可通过第二通信模块(也可另外设置其他通信模块)向预警机发出报警信号。预警机可以是手机或腕表，或者其他便于佩戴或持有的携带品，安装相应的app即可。
本实施例的感应自充式髋部穿戴气囊的交互过程包括：
佩戴人员摔倒时，躯体三轴加速度感应器A1感应上部躯体下落加速度，下肢三轴加速度感应器A2感应上下肢下落加速度，两个三轴加速度感应器产生重力方向的加速度“+”信号并分别通过第一通信模块向上位机上传B1；同时陀螺仪A3感应躯体由直立状态倾倒为水平状态，产生水平倾覆“+”信号并通过第一通信模块向上位机B1上传；
上位机B通过第二通信模块同时接收到两个三轴加速度感应器上传的重力方向加速度“+”信号和陀螺仪上传的水平倾覆“+”信号时判断摔倒，然后即时向电控气阀C2发送打开指令；
电控气阀C2通过第三通信模块接收到打开指令后，瞬间打开，压缩气瓶内的压缩气体瞬间充盈气囊；
上位机B1判断摔倒后向预警机发出报警信号；
上位机B1判断摔倒后向采集气囊充盈前2～5分钟两个三轴加速度感应器和陀螺仪的信号数据，并上传至云端；
云端进行数据处理和存储，再将有用的数据反馈给上位机B1。
本发明是通过两个三轴加速度感应器和一个陀螺仪来感应人体姿态的变化，进而通过上传的数据来判断是否跌倒。一方面，人体跌倒时，从本质上讲可以认为自由落体，三轴加速度感应器可感应出因自由落体产生的重力方向的加速度，两个三轴加速度感应器分别穿戴在上部躯体和膝下，分别感应穿戴人员身体上下两部分的加速位移；另一方面，人体跌倒时由直立状态倾倒为水平状态，陀螺仪则可产生出水平倾覆信号。上位机只有同时接收到两个重力方向加速度信号和水平倾覆信号时方才判断摔倒并发出打开指令。而只接收其中一个“+”信号，或者任意两个“+”信号时，只要存在至少一个“-”都不会判断摔倒，处于静默状态，可有效避免穿戴者行走、坐卧等姿势变化时气囊的误触发。
另外，对于上位机B1判断摔倒的算法，可预先通过模拟摔倒，采集两个三轴加速度感应器和陀螺仪对应的数据，由上位机B1进行存储，佩戴人员产生匹配的数据信号时也可通过上位机B1判断摔倒而触发气囊充盈。
实际佩戴过程中，气囊触发时，上位机也可实时采集触发前2～5分钟两个三轴加速度感应器和陀螺仪对应的数据然后上传至云端，由云端进行数据处理和存储，再将有用的数据反馈给上位机，以此实现自动学习，使得判断摔倒更加智能和准确。
人体跌倒时，从本质上讲可以认为自由落体，故以成年人的身高系跌倒约为离地1米处物体作自由落体，根据自由落体公式，h＝1/2gt2得出t1≈0.45s。而三轴加速度感应器和陀螺仪感应位置的变化并通过蓝牙上传至上位机的时间t2≈0.045s，因此在跌倒时，在身体触地前，三轴加速度感应器，陀螺仪感应位置变化并以蓝牙上传至上传机计算，做出跌倒判成为可能(45ms内)。上位机跌倒判断成立后，即指令打开小钢瓶气阀，快速充盈气囊。
气囊充盈体积和充盈后要求达到1.5个大气压中气体量压缩储存在气瓶内，气阀要求在瞬间完全打开，通过导管快速充盈各个气囊。由于跌倒至身体触地之间的时间很短(450ms)，因此要求钢瓶气阀打开和充盈气囊的时间更短(<400ms)。本发明电控气阀预选两种方案：
方案一，参照相机电子机械混合快门的原理控制气阀。
方案二，以爆炸螺栓闭合气瓶口，电控爆断螺栓，打开气瓶。
以上已对本发明创造的较佳实施例进行了具体说明，但本发明创造并不限于实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明创新的前提下还可作出种种的等同的变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (10)
1.一种感应自充式髋部穿戴气囊，其特征在于，其包括：
下位机，所述下位机包括两个三轴加速度感应器和一个陀螺仪，各所述三轴加速度感应器和陀螺仪分别设有第一通信模块；
上位机，所述上位机中设有第二通信模块；以及
工作机，所述工作机包括气囊、压缩气瓶和电控气阀，所述压缩气瓶设于所述气囊中或者通过导管与所述气囊连通，所述气阀设于所述压缩气瓶口部，所述电控气阀设有第三通信模块；
其中，一个所述三轴加速度感应器可穿戴在上部躯体上，另一个所述三轴加速度感应器可穿戴在膝下，所述陀螺仪可穿戴在髋部位置，所述气囊可穿戴在髋部周围；
所述下位机、上位机和工作机构的交互过程包括：
佩戴人员摔倒时，两个所述三轴加速度感应器产生重力方向的加速度信号并分别通过所述第一通信模块向所述上位机上传，同时所述陀螺仪产生水平倾覆信号并通过所述第一通信模块向所述上位机上传；
所述上位机通过所述第二通信模块同时接收到两个所述三轴加速度感应器上传的重力方向加速度信号和所述陀螺仪上传的水平倾覆信号时判断摔倒，然后即时向所述电控气阀发送打开指令；
所述电控气阀通过所述第三通信模块接收到打开指令后，瞬间打开，压缩气瓶内的压缩气体瞬间充盈气囊。
2.如权利要求1所述的感应自充式髋部穿戴气囊，其特征在于，所述第一通信模块、第二通信模块和第三通信模块为近距无线通信模块。
3.如权利要求2所述的感应自充式髋部穿戴气囊，其特征在于，所述近距无线通信模块为蓝牙通信模块、无线高保真通信模块、紫蜂协议通信模块和超宽带通信模块中的一种。
4.如权利要求1所述的感应自充式髋部穿戴气囊，其特征在于，所述上位机为手机或腕表。
5.如权利要求1所述的感应自充式髋部穿戴气囊，其特征在于，所述气囊适形设计，展开后可分布于髋关节两侧和骶尾部，包裹两侧髋部、股骨上1/2和骶尾部。
6.如权利要求1所述的感应自充式髋部穿戴气囊，其特征在于，所述气囊分为三个并通过导管与所述压缩气瓶连通，其中两个仿形两侧髋部设计，另一个仿形骶尾部设计。
7.如权利要求1所述的感应自充式髋部穿戴气囊，其特征在于，所述气囊材质为抗拉强度高的尼龙，内层涂有密封橡胶，内表面附有干粉。
8.如权利要求1所述的感应自充式髋部穿戴气囊，其特征在于，所述气囊内置限压阀。
9.如权利要求1所述的感应自充式髋部穿戴气囊，其特征在于，其还包括云端，所述上位机可与所述云端交互，交互包括：所述上位机向云端传输气囊打开前两个所述三轴加速度感应器和所述陀螺仪采集的数据，云端进行分析处理，有效数据再传至上位机数据库。
10.如权利要求1所述的感应自充式髋部穿戴气囊，其特征在于，其还包括预警机，所述预警机可由穿戴人员以外的人员佩戴或持有，所述气囊充盈时所述上位机可向所述预警机发出报警信号。
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