ES2355657T3 - Sistema de detección digital de heridas. - Google Patents

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ES2355657T3 ES08755122T ES08755122T ES2355657T3 ES 2355657 T3 ES2355657 T3 ES 2355657T3 ES 08755122 T ES08755122 T ES 08755122T ES 08755122 T ES08755122 T ES 08755122T ES 2355657 T3 ES2355657 T3 ES 2355657T3
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Abstract

Un método para el diagnóstico de la gravedad de una herida recibida por un soldado en combate causada por un evento de impacto balístico que comprende: proporcionar un grabador de impactos que tiene un sensor de choque autoalimentado, donde el sensor de choque autogenera una señal eléctrica proporcional al valor de choque del evento de impacto balístico, estando el grabador de impactos además configurado para transportar la señal eléctrica hacia un dispositivo de memoria de cerrojo y capturar el valor de choque máximo del evento de impacto balístico; recuperar el valor de choque máximo capturado; y utilizar el valor de choque máximo para diagnosticar la gravedad de la herida causada por el evento de impacto balístico. caracterizado porque dicho sensor de choque autoalimentado consiste en una pluralidad de resonadores electromecánicos (32), siendo sintonizados para la vibración resonante en un rango de frecuencias que corresponden a un rango de frecuencias excitadas por el evento de impacto balístico.

Description

Campo de la invención
La presente invención hace referencia en forma general a los métodos y dispositivos relacionados con la detección digital de heridas. 5
Antecedentes de la invención y arte relacionado
En el moderno y automatizado campo de batalla, han abundado las innovaciones y los avances en las áreas de vigilancia en remoto, lanzamiento y precisión de los sistemas de armas, comunicaciones, protección personal de los soldados, etc. Un área que ha quedado relegada es el diagnóstico y tratamiento de los soldados heridos, la cual requiere todavía personal médico entrenado para diagnosticar con exactitud la gravedad de las 10 heridas sufridas en el campo de batalla y realizar un sistema de triaje en la priorización de un tratamiento preciso y efectivo, usualmente con un soldado inconsciente que no puede responder preguntas.
Una herida particularmente difícil de diagnosticar es el Traumatismo Craneoencefálico (TCE), que depende de una determinación precisa de la magnitud del impacto o la energía de la explosión sobre la cabeza del individuo. En el sector civil la gravedad de la herida con frecuencia puede ser determinada de forma correcta después de los 15 hechos en un hospital local mediante un análisis con rayos X, IRM o TAC, lo que proporciona una imagen interna de los daños resultantes. Desafortunadamente, estos pesados y voluminosos dispositivos generalmente no se encuentran disponibles en las proximidades de los campos de batalla, y pueden pasar horas e incluso días antes de que se pueda llevar a un soldado herido en combate a unas instalaciones de evaluación similares. Si no es detectado, sin embargo, el TCE asintomático puede dar como resultado un daño neurológico de efecto retardado 20 debido a la inflamación del cerebro, etc. que se podría haber evitado con un tratamiento aplicado con mayor antelación. Lo que se necesita, por lo tanto, es un método y un sistema para evaluar y registrar con exactitud la gravedad del impacto o la energía de la explosión experimentada por el soldado, y para tener acceso a los datos en el entorno de un campo de batalla para la mejora de los diagnósticos y la selección del tratamiento.
El documento WO 2006/085935 A revela un método y un grabador para el diagnóstico y registro de la 25 gravedad del impacto. El objeto que se revela en este documento comprende un sensor de choque autoalimentado, y una memoria de cerrojo. Dicho grabador de impactos captura un valor de choque máximo y utiliza el valor de choque máximo para diagnosticar a partir del mismo la gravedad de una herida.
El documento DE 3703946 A1 revela una matriz de resonadores para la detección y el análisis espectral de las vibraciones de las máquinas. 30
Resumen de la invención
A la luz de los problemas y las deficiencias inherentes en el arte previo, la presente invención busca superar los mismos por medio de proporcionar un método para el diagnóstico de la gravedad de una herida recibida por un soldado en combate causada por un evento de impacto balístico. El método incluye dotar al soldado de uno o más grabadores de impactos, donde cada grabador de impactos tiene un sensor de choque autoalimentado que se 35 configura para generar una señal eléctrica que es proporcional al valor de choque del evento de impacto balístico. También se configura el grabador de impactos para transportar la señal eléctrica a un dispositivo de memoria de cerrojo, como por ejemplo un fusible electrónico, un dispositivo de memoria de base magnética o un microprocesador, que captura y almacena el valor de choque máximo del evento de impacto balístico para su posterior recuperación. El método también incluye la recuperación del valor de choque máximo capturado, 40 posiblemente con un receptor de datos portátil o un dispositivo de lectura, y la utilización de la magnitud del impacto de choque sobre el soldado para diagnosticar la gravedad de la herida causada por el evento de impacto balístico.
La presente invención también puede comprender un grabador de impactos que mide la gravedad de un impacto balístico experimentado por un soldado en combate. El grabador de impactos puede comprender varios componentes, incluyendo un sensor de choque autoalimentado o una matriz de resonadores electromecánicos que 45 se configuran para una vibración resonante, en una gama de frecuencias que corresponde a la gama de frecuencias excitadas por el impacto balístico, cuya vibración resonante se utiliza para auto generar una señal eléctrica que es proporcional a la magnitud del impacto balístico. El grabador de impactos también puede incluir un circuito electrónico que se configura para portar la señal eléctrica fuera del sensor de choque, y una memoria electrónica de cerrojo configurada para capturar y almacenar el valor máximo de la señal eléctrica proporcional al valor de choque 50 del impacto balístico.
La presente invención puede también comprender un grabador de impactos configurado para medir la gravedad de cualquier evento de impacto, que tiene en un su núcleo un sensor de choque autoalimentado que comprende una matriz de vigas cantilever o microcantilever piezoeléctricas. Se puede sintonizar la matriz de vigas cantilever piezoeléctricas para una vibración resonante en el rango de frecuencias correspondientes al rango de 55 frecuencias excitadas por el evento de impacto, y a través de la vibración resonante auto generar una señal eléctrica
que es proporcional al valor de choque del evento de impacto. El grabador de impactos también puede incluir un circuito electrónico que se configura para portar la señal eléctrica fuera del sensor de choque, y una memoria electrónica de cerrojo construida para capturar y almacenar el valor máximo de la señal eléctrica generada por la matriz de vigas cantilever piezoeléctricas.
Breve descripción de las figuras 5
Las características y ventajas de la invención serán apreciables a partir de la descripción detallada a continuación, la cual, considerada junto con los dibujos adjuntos, ilustra las características de la invención. Se entiende que estos dibujos solamente describen realizaciones a modo de ejemplo de la presente invención y no deben ser, por lo tanto, consideradas limitativas de su alcance. Además, se apreciará de inmediato que se pueden disponer y diseñar los componentes de la presente invención, como se describen e ilustran en general en las figuras 10 en este documento, con una amplia variedad de configuraciones diferentes. No obstante, la invención será descrita y explicada con especificidad y detalles adicionales a través del uso de los dibujos adjuntos, en los cuales:
La Figura 1 es un dibujo esquemático de la aplicación del sistema digital de detección de heridas en un campo de batalla, de acuerdo con una realización a modo de ejemplo de la presente invención;
La Figura 2 ilustra una vista en perspectiva de un sensor de choque autoalimentado, de acuerdo con una 15 realización a modo de ejemplo de la presente invención;
Las Figuras 3a, 3b y 3c ilustran las formas de ondas de tiempo y la FFT espectral resultante de un evento de impacto balístico a modo de ejemplo y un evento de impacto no balístico;
La Figura 4 ilustra una vista superior de un sensor de choque adaptado para responder a las características vibratorias del evento de impacto balístico de la Figura 3, de acuerdo con una realización a modo de 20 ejemplo de la presente invención;
La Figura 5 ilustra una vista en perspectiva del sistema digital de detección de heridas, de acuerdo con una realización a modo de ejemplo de la presente invención;
La Figura 6 ilustra una vista en perspectiva del sistema digital de detección de heridas, de acuerdo con otra realización a modo de ejemplo de la presente invención; y 25
La Figura 7 es un diagrama de flujo que ilustra un método para el diagnóstico de la gravedad de una herida recibida por un soldado en combate causada por un evento de impacto balístico, de acuerdo con una realización a modo de ejemplo de la presente invención.
Descripción detallada de realizaciones a modo de ejemplo
La siguiente descripción detallada de la invención hace referencia a los dibujos adjuntos, que forman parte 30 de la misma y en la cual se muestran, por medio de ilustración, las realizaciones a modo de ejemplo en las cuales se puede llevar a la práctica la invención. Aunque estas realizaciones a modo de ejemplo se describen en suficiente detalle para permitir a aquellos con experiencia en la materia llevar a la práctica la invención, se debería entender que pueden llevarse a cabo otras realizaciones y que pueden hacerse varios cambios a la invención sin apartarse del alcance de la presente invención. Como tal, la siguiente descripción más detallada de las realizaciones a modo 35 de ejemplo de la presente invención no intentan limitar el alcance de la invención como se reivindica, sino que se presenta por razones de ilustración solamente: para describir los aspectos y características de la presente invención, y para permitirle suficientemente a una persona con experiencia en la materia llevar a la práctica la invención. Por consiguiente, el alcance de la presente invención será definido solamente por las reivindicaciones que se adjuntan.
Las realizaciones a modo de ejemplo del sistema digital de detección de heridas de la presente invención 40 que se exponen en la descripción detallada se entenderán mejor en relación con los dibujos adjuntos, en donde los elementos y aspectos de la invención se designan con referencias numéricas de principio a fin.
En la Figura 1 se ilustra un dibujo esquemático de una realización a modo de ejemplo 10 del sistema digital de detección de heridas tal como se aplica en un campo de batalla. El sistema de detección de la presente invención puede comprender, entre otras cosas, un grabador de impactos de ultra baja potencia capaz de detectar, cuantificar, 45 registrar y transmitir la energía máxima de una explosión o impacto recibido en la cabeza para ayudar en la realización del sistema de triaje y diagnóstico del traumatismo craneoencefálico (TCE) en soldados en el campo de batalla.
La realización 10 de la presente invención puede incluir un soldado en combate 20 que utiliza un casco 22, al cual se le acopla un grabador de impactos 24 que puede detectar, cuantificar, y registrar el valor máximo o la 50 magnitud absoluta de un choque experimentado por la cabeza de un soldado, como respuesta a un impacto de un proyectil o una onda de choque proveniente de una explosión cercana. Como se puede apreciar, se pueden llevar múltiples grabadoras de impactos en el exterior del casco, en el tejido del interior, o en una cinta para la cabeza o cobertura ubicada en contacto directo con la cabeza del soldado. En otros aspectos de la invención, también es
posible integrar los grabadores de impactos en el blindaje o coserlos en la indumentaria que lleva el soldado para registrar la gravedad de las heridas causadas por los golpes o los impactos balísticos recibidos en otras partes del cuerpo.
A los efectos de la siguiente descripción, los términos “impacto(s) balístico(s)” y “evento(s) de impacto balístico” hacen referencia a impactos causados tanto por proyectiles “balísticos” de alta velocidad como por ondas 5 de choque provenientes de minas terrestres, IEDs, granadas u otras explosiones cercanas, en contraposición a choques de no evento, sacudidas o impactos que resultan a partir de la actividades normales de un soldado como correr, saltar, tirarse al suelo y disparar un arma.
Después de sufrir una herida causada por el impacto balístico, el soldado herido puede estar inconsciente, o de algún otro modo en que se muestre incapaz de comunicar con exactitud la magnitud de sus heridas al personal 10 médico. Con la presente invención, el médico 28 puede utilizar un dispositivo de lectura 26 para visualizar los valores de choque máximos capturados por el o los grabadores 24 y evaluar la probabilidad de TCE, u otras heridas internas, que no son visibles a simple vista. Con esta información a su disposición, el médico puede entonces prescribir un plan de tratamiento precoz que resulte más apropiado a las heridas específicas sufridas por el soldado, y posiblemente evitar el comienzo de un daño neurológico de efecto retardado originado a partir de un trauma 15 cerebral que de otra forma pasaría inadvertido.
El sistema digital de detección de heridas de la presente invención proporciona varias ventajas significativas sobre los anteriores sistemas de diagnóstico automatizados relacionados, algunos de los cuales se vuelven a citar aquí y durante el transcurso de la siguiente descripción más detallada. En primer lugar, la presente invención supera varios obstáculos que han impedido la aplicación de los grabadores de impacto al diagnóstico médico y al 20 tratamiento de los soldados heridos en combate, algunos de los cuales se refieren a la medición precisa de los eventos de choque.
De manera general, puede determinarse que los eventos de choque o impacto son aleatorios o no repetitivos, de gran magnitud, eventos de corta duración para los cuales la captura de datos ha sido problemática históricamente. La detección de eventos que ocurren aleatoriamente y que son rápidos y de corta duración 25 normalmente requieren un sistema de adquisición de datos de alta velocidad acoplado a un dispositivo electrónico de análisis y procesamiento de datos de alta velocidad para determinar los patrones característicos de las señales del sensor asociados con tales eventos. Los recursos informáticos y electrónicos necesarios para dichas tareas consumen una gran cantidad de energía y por lo tanto no son prácticos para los dispositivos que se llevan puestos y/o son operados en remoto. 30
La presente invención supera estos obstáculos proporcionando un grabador de impactos altamente fiable y eficiente con un disparador ante eventos específicos que no requiere energía externa para detectar y registrar la magnitud del evento de impacto. La eliminación de la compleja recogida y procesamiento de datos para minimizar el requerimiento de energía, y la utilización de energía eléctrica sólo ante la detección de un evento adverso, permite que el grabador de impactos se utilice para la vigilancia del personal o vigilancia telemétrica de los impactos 35 balísticos que ocurren aleatoriamente. El grabador de impactos de la presente invención se podría aplicar en otras aplicaciones civiles y militares, como por ejemplo la detección y caracterización en remoto del tráfico de vehículos a lo largo de puentes y carreteras, grabadores de datos de accidentes vehículos, la monitorización de impactos en contenedores de carga, y similares.
El grabador de impactos de la presente invención obtiene sus capacidades de un sensor de choque 40 autoalimentado, que incluye una matriz de resonadores electromecánicos sintonizables que han sido configurados para las vibraciones resonantes en un rango de frecuencias que corresponden al rango de frecuencias excitadas por el impacto balístico. Se ha determinado que los eventos de impacto balístico pueden producir una firma de frecuencia de impacto diferenciada, incluso mientras viaja a través de un material o tejidos del cuerpo que recibieron el impacto. La restricción de la excitación y la vibración resonante que resulta de los resonadores 45 electromecánicos a tan sólo aquellos eventos de impacto que son de mayor interés, combina las funciones de detección y filtrado de los sistemas electrónicos poco manejables del arte previo en un dispositivo sensor electromecánico, y conduce a una medición precisa sin procesamiento. En consecuencia, se elimina la necesidad de capturar, procesar y analizar electrónicamente todos los impactos experimentados por el soldado y filtrar aquellos eventos de impacto no balísticos que se originan de las actividades habituales de un soldado, como por ejemplo 50 correr, saltar, tirarse al suelo o disparar un arma.
Los resonadores electromecánicos individuales también pueden estar provistos de una capa piezoeléctrica, un sensor o un revestimiento que se adapte a la superficie de los resonadores y produzca una señal eléctrica proporcional al grado de flexión experimentado por las estructuras vibrantes. Si se configura de forma apropiada, como se ha descrito anteriormente, la matriz de resonadores electromecánicos sólo producirán una señal eléctrica 55 en respuesta a los eventos de impacto balísticos, y no lo harán ante los que no son eventos. Ya que esta señal eléctrica se genera simplemente por la flexión de las capas piezoeléctricas, no se requiere ninguna fuente de energía externa para el sensor. Por consiguiente, el sensor de choque sintonizable de la presente invención elimina, de forma exitosa, los requerimientos de una fuente de energía externa creada por un sensor alimentado, como así también la digitalización de la señal de alta velocidad y el procesamiento digital de la señal (DSP) que son 60
característicos de los sistemas de análisis y adquisición de datos electrónicos del arte previo, que capturan y procesan los eventos de impacto de muy corta duración.
Se puede acoplar el sensor de choque a una variedad de dispositivos de memoria electrónica de cerrojo que pueden capturar y retener el valor o la magnitud máxima de la señal eléctrica producida por la matriz de resonadores electromecánicos. Se pueden configurar los dispositivos de memoria de cerrojo para funcionar sin una 5 fuente de energía externa, y operar exclusivamente sobre la señal eléctrica generada por el sensor de choque. Se puede configurar también los dispositivos de memoria electrónica para proporcionar una presentación visual simple del valor de choque capturado, como así también se les puede equipar con etiquetas RFID pasivas, o un dispositivo similar, que acumule suficiente energía de una señal de radiofrecuencia entrante generada por el receptor de datos 26 para transmitir una respuesta que transporta la información grabada. 10
Con la eliminación de la fuente de energía externa y el pequeño tamaño del sensor de choque, el grabador de impactos de la presente invención puede ser suficientemente pequeño y ligero como para permitir la integración y el montaje con una tira adhesiva a un objeto rígido, como por ejemplo un casco o un elemento del blindaje corporal. También se puede coser en la ropa, en los arneses del equipo o en otros equipos de tela que lleva el soldado. Con su pequeño tamaño, los grabadores de choques múltiples pueden montarse sobre el cuerpo y la cabeza del soldado 15 para la medición en tres dimensiones. Los sistemas avanzados pueden además incluir la integración entre los sensores para proporcionar una función de triangulación que identifique la ubicación del impacto del evento de impacto balístico, así como también su magnitud. Además, se puede utilizar un algoritmo que incluya como factor la magnitud del evento de impacto balístico y su localización sobre el cuerpo humano para proporcionar una estimación en remoto de la gravedad de la herida. 20
Cada una de las ventajas antes mencionadas se comprenderá mejor a la luz de la descripción detallada que se expone a continuación, en relación con los dibujos que se adjuntan. Estas ventajas no intentan ser limitativas en ninguna forma. Ciertamente, un experto en el arte valorará que se pueden lograr otras ventajas, aparte de aquellas específicamente mencionadas en este documento, al realizar la presente invención.
En relación con la Figura 2, se ilustra una vista en perspectiva de un sensor de choque autoalimentado 30 25 que puede comprender una matriz 32 de resonadores electromecánicos 34 que han sido configurados, o sintonizados, con frecuencias naturales que corresponden al rango de frecuencias excitadas por el impacto balístico recibido en la cabeza o el cuerpo del soldado. Los resonadores electromecánicos individuales pueden estar formados a partir de vigas pequeñas o microcantilever 36, hechas a partir de un material rígido que tiene una densidad predeterminada (p) y un módulo de elasticidad de Young (E), así como también un largo (I), un ancho (w) y 30 un grosor (t) predeterminados. Mediante la selección apropiada del material rígido y la dimensión, se puede „sintonizar‟ la viga cantilever con una frecuencia natural en particular fn de acuerdo con las siguientes fórmulas:
donde
35
y
Como puede verse, la viga cantiléver 36 sintonizada a la frecuencia natural más baja tendrá el mayor largo, asumiendo un grosor y un ancho constantes de cada viga en la matriz 32. Se puede apreciar, sin embargo, que el total de las tres dimensiones pueden ajustarse al sintonizar la viga cantiléver 36 con una frecuencia natural 40 específica. La matriz 32 de las vigas cantiléver 36, en las cuales la viga con la frecuencia natural más baja tiene el largo mayor, mientras que la viga con la frecuencia natural más alta tiene el largo menor, se puede organizar también de forma ascendente o descendente. En la realización 30 que se ilustra en la Figura 2, se pueden configurar los resonadores individuales 34, de izquierda a derecha, en un orden ascendente de la frecuencia natural y en un orden descendente del largo de viga cantilever. 45
Se puede configurar la matriz 32 de vigas cantiléver 36 con un sensor piezoeléctrico 40 acoplado o integrado dentro de la superficie superior 38, la superficie inferior, o en ambas superficies superiores e inferiores de la viga. El sensor piezoeléctrico puede comprender un material piezoeléctrico colocado en una disposición tipo sándwich entre dos capas de electrodos, en donde las capas de electrodos pueden ser de platino y el material piezoeléctrico puede ser de PZT, BaTiO3, ZnO, AIN o PbNiNbO, etc. Se puede considerar que otros materiales 5 similares o compatibles para los electrodos y el material piezoeléctrico se encuentran dentro del alcance de la presente invención.
La flexión de la viga cantiléver, y por lo tanto la flexión simultánea del sensor piezoeléctrico, genera la producción de una carga eléctrica en el material piezoeléctrico que es capturada y portada por los electrodos. De este modo, la viga cantilever 36 configurada con el sensor piezoeléctrico 40 puede formar en conjunto un resonador 10 electromecánico 34 que produce una carga eléctrica proporcional a la magnitud de la flexión de la viga cantilever 36, la cual ocurre durante la vibración. Para las vibraciones no resonantes la cantidad de carga producida puede ser pequeña y transitoria, pero para la vibración resonante la carga eléctrica puede ser fuerte y mensurable, y durar hasta que la vibración resonante se extinga o se atenúe a cero. Dado que no se necesita baterías o una fuente de energía externa para generar esta señal, la matriz de sensores piezoeléctricos de viga cantiléver se puede auto 15 alimentar.
Cabe destacar que un sensor de choque 30 que comprende una matriz 32 de resonadores electromecánicos 34 puede ser sensible a la onda de choque sólo en una dirección, tal como en perpendicular al plano de la matriz. Mientras que esta limitación puede requerir la combinación de señales provenientes de múltiples sensores, alineados a lo largo del eje que cruza para medir con precisión el evento de impacto balístico, la 20 información proporcionada por cada grupo de sensores necesariamente incluye tanto la magnitud como la dirección del impacto. En una realización avanzada, se puede utilizar esta información para proporcionar una función de triangulación que identifique la ubicación del impacto del evento de impacto balístico como así también su magnitud. Se puede utilizar también un algoritmo que utiliza la ubicación y la magnitud del impacto balístico para estimar en forma remota la gravedad de la herida. 25
Volviendo ahora a la naturaleza de la excitación producida por el impacto balístico, se ilustra en las Figuras 3a y 3b formas de onda de tiempo, a modo de ejemplo, que ilustran una onda de choque producida por un evento de impacto no balístico 52 y un evento de impacto balístico 54, después de viajar a través del cuerpo o la cabeza del soldado, y como se han recibido en la ubicación del grabador de impactos de la presente invención. Cada eje “y” puede identificar la amplitud (A) del impacto de choque con un rango de hasta más/menos 50 g, y el eje “x” puede 30 indicar el paso del tiempo (t), que para los eventos de impacto de poca duración puede ser tan breve como de 50 ms a 10 ms. Se puede apreciar al comparar las dos gráficas de las formas de ondas de tiempo que el evento de impacto balístico puede tener una fuerza general y componentes de alta frecuencia adicionales mayores que el evento de impacto no balístico.
Las formas de ondas de tiempo en bruto pueden ser señales analógicas proporcionadas por un sensor de 35 vibración, como por ejemplo un acelerómetro. Si las señales analógicas se fueran a digitalizar y procesar con electrónica y técnicas DSP, se podría superponer la FFT espectral (Transformada Rápida de Fourier) resultante de los dos eventos de impacto en la Figura 3c, en la cual el eje “y” identificó la amplitud (A) de la vibración y el eje “x” muestra la frecuencia (f). Para un evento de impacto balístico, el rango del eje “y” puede llegar tan alto como 50 g, y el rango del eje “x” puede ser de 0 Hz hasta 25khz. 40
Se ilustran en la Figura 3c los diversos componentes de frecuencia 60 presentes en las dos formas de ondas de tiempo, incluyendo un componente de baja frecuencia 62 común para ambos eventos, un componente de rango medio 64 sólo presente en el evento de impacto no balístico 52, y una cantidad de componentes de mayor frecuencia 66 sólo presentes en el evento de impacto balístico 54. La utilización de las características espectrales únicas del evento de impacto balístico, para diferenciar un impacto o explosión perjudicial de una sacudida, un 45 tropezón o choque no perjudicial, permite la creación de un grabador de choque viable que puede filtrar automáticamente señales de falsos positivos generadas por un evento de impacto no balístico 52. Esto se puede hacer mediante la sintonización de la matriz de resonadores electromecánicos, descritos con anterioridad, con un rango de frecuencias naturales que corresponden sólo a la firma espectral 68 del evento de impacto balístico 54.
En la Figura 4 se muestra una vista superior de un sensor de choque 70 adaptado para responder a las 50 características vibratorias del evento de impacto balístico que se muestra en la figura 3c. Esta realización a modo de ejemplo de la presente invención, puede comprender una matriz 72 de cuatro resonadores electromecánicos 74, cada uno de los cuales comprende además un sensor piezoeléctrico 80 acoplado a una viga cantilever 76 que tiene una frecuencia natural sintonizada a uno de los componentes de frecuencia identificados en la Figura 3c. Se puede ajustar individualmente el largo, ancho, grosor y separación de las vigas cantilever 76 para asegurar que las vigas 55 cantilever no sólo tengan una frecuencia resonante natural que se alinee con un componente de frecuencia de firma de impacto espectral, sino que también cubran un ancho de banda particular que rodee ese componente de frecuencia. Por ejemplo, el ancho de banda cubierto por un resonador electromecánico 74 puede ser 1 kHz, 2 kHz, o 4 kHz, dependiendo del largo, ancho, grosor y las propiedades del material de la viga cantilever del resonador individual. 60
El sensor piezoeléctrico 80 puede afectar también a las características vibratorias del resonador electromecánico al proporcionar efectos atenuadores que pueden alterar la frecuencia resonante de la viga cantilever 76. La extensión del sensor piezoeléctrico 80 para cubrir algo más de la superficie superior 78 de la viga cantilever, por ejemplo, permite mayor control de los efectos atenuadores proporcionados por la capa piezoeléctrica colocada en una disposición tipo sándwich entre los electrodos del sensor. Dicha atenuación se puede aplicar en 5 forma beneficiosa para atenuar los modos de vibración de orden superior presentes en cada una de las vigas cantilever 76, a fin de que se pueda limitar la vibración del resonador electromecánico 74 al modo de flexión de primer orden. También se puede configurar el sensor piezoeléctrico 80 para generar señales que se auto cancelan en los modos de orden superior debido a la flexión simultánea en ambas direcciones.
Mediante la utilización de los principios descritos anteriormente, uno de los objetos de la presente invención 10 es proporcionar un sensor de choque 70 con los resonadores electromecánicos individuales 74 que tengan sensibilidad máxima para el rango de frecuencia seleccionado, con un rechazo de al menos 20 dB del estímulo de frecuencia fuera de rango.
En la Figura 5, se ilustra una vista transversal en perspectiva del sistema digital de detección de heridas, de acuerdo con una realización a modo de ejemplo 100 de la presente invención. Esta realización puede incluir un 15 sensor de choque autoalimentado 110 configurado para auto generar una señal eléctrica proporcional al valor de choque del impacto balístico, un circuito electrónico 130 configurado para portar la señal eléctrica fuera del sensor de choque, y una memoria electrónica de cerrojo 150 que se configura para capturar el valor máximo de la señal eléctrica proporcional al valor de choque de un impacto balístico.
Se puede fabricar el sensor de choque 110 utilizando un proceso de deposición de una delgada película 20 piezoeléctrica y técnicas estándar de fabricación de semiconductores para formar una micro cantilever piezoeléctrica de película delgada. Como se muestra en la Figura 5, se puede cubrir una oblea de silicio 102 con una pluralidad de capas de revestimiento 104, 106 que, a los fines de esta descripción detallada, pueden ser representantes de una pluralidad de subcapas incluyendo capas estructurales 104 formadas a partir de nitruro de silicio y/o dióxido de silicio, y capas sensoras piezoeléctricas 106 formadas a partir de electrodos de metal y un material piezoeléctrico. 25 Se pueden utilizar técnicas de fabricación de Integración a Mayor Escala (VLSI, por sus siglas en inglés) o Sistemas Microelectromecánicos (MEMS, por sus siglas en inglés) para depositar y grabar un patrón en las capas sensoras piezoeléctricas superiores 106 y las capas estructurales inferiores 104, para formar un sensor de choque 110 que tiene una pluralidad de resonadores electromecánicos 112 o microcantilevers 114 definidos por una ranura perimetral de tres caras 116 que separa ambas capas de revestimiento 104, 106. Se puede modelar también una 30 cavidad 120 en la cara posterior de la oblea de silicio 102 para liberar la estructura de la viga formada en las capas de revestimiento 104, 106 y permitirle que vibre. El microcantilever 114, por lo tanto, puede ser una combinación de capas sensoras piezoeléctricas 106 formadas por encima de las capas estructurales 104, más robustas y más duras. En una realización alternativa, se puede formar el microcantilever sólo a partir de la capa 106 del material piezoeléctrico y los electrodos depositados. 35
Como se ha descrito con anterioridad, el sensor de choque 110 puede estar compuesto de una matriz de microcantilevers 114 sintonizados a la firma espectral de los eventos de impactos balísticos seleccionados, tales como aquellos producidos por los impactos de proyectiles „balísticos‟ o las ondas de choque producidas por explosiones cercanas. Una porción de la energía contenida en estos impactos balísticos se puede transferir a las vigas cantilever 114, las cuales provocan que las vigas resuenen en su frecuencia natural más baja, o en el modo de 40 “flexión” de primer orden. La flexión de las vigas microcantilever puede generar una carga eléctrica en el material piezoeléctrico contenido en la capa que la forma 106, cuya carga eléctrica se puede capturar en los electrodos circundantes y transportar fuera del sensor de choque por el circuito electrónico 130. Esta carga o señal eléctrica 142 puede ser proporcional a la densidad de potencia de la energía de impacto total contenida en la banda espectral estrecha a la que se sintoniza la viga microcantilever. 45
Como se muestra adicionalmente en la Figura 5, se puede portar la señal eléctrica 142 producida por cada viga microcantilever individual 114 fuera del sensor de choque 110 por un segmento del circuito de salida 132, y se puede combinar con los circuitos de salida de las otras vigas en un circuito de salida general 134. Esto puede producir una señal eléctrica general o absoluta 144 que es proporcional a la densidad de potencia de la energía de impacto detectada por todos los resonadores electromecánicos. La magnitud de la señal de densidad de potencia 50 general 144 portada por el circuito combinado 134 puede ser una indicación precisa de la magnitud de la energía de impacto balístico recibida por el soldado, al ser derivada de toda la matriz de resonadores electromecánicos 112.
Una vez combinada, la señal de densidad de potencia general o absoluta 144 se puede transportar a un dispositivo de memoria de cerrojo 150. El dispositivo de memoria de cerrojo 150 puede comprender cualquier dispositivo que capture y retenga, para su posterior recuperación, el nivel más alto o máximo de la señal de 55 densidad de potencia absoluta. En una realización de la presente invención, el dispositivo de memoria de cerrojo puede ser un dispositivo de memoria programable una sola vez, tal como por ejemplo una conexión de fusible o una célula de ruptura dieléctrica. Una conexión de fusible puede comprender una pluralidad de células de memoria con conexiones de fusible con capacidad progresivamente mayor. Se puede convertir la carga eléctrica acumulada que contiene la señal de densidad de potencia general 144 en voltaje mediante un divisor de tensión, y luego dirigirla a 60 través de las células de memoria que progresivamente se queman completamente a medida que el nivel de voltaje
proveniente del sensor de choque 110 aumenta. El quemar completamente las conexiones provoca que las células de memoria cambien de estado en forma permanente, cambio que se puede leer mediante un receptor de datos externos o un dispositivo de lectura. Una célula de ruptura dieléctrica puede funcionar de una forma similar al cambiar permanentemente de estado en respuesta a niveles crecientes de la carga eléctrica, en lugar del voltaje, producido por el sensor de choque 110. 5
En otra realización el dispositivo de memoria de cerrojo 150 puede ser borrable y programable, como por ejemplo un dispositivo de memoria de burbuja magnética (MBM) o una célula de memoria de película delgada (TFMC, por sus siglas en inglés). Con una MBM, se puede convertir la carga eléctrica acumulada en pulsos de corriente eléctrica, la cual adelanta una burbuja de "magnetización" de una ubicación de memoria a la siguiente, similar a un registro de desplazamiento. Con una TFMC, la carga generada por el sensor piezoeléctrico activa un 10 cambio de resistencia en una estructura tipo sándwich de película delgada, haciendo que ésta retenga la información. Tanto la MBM como la TFMC se pueden borrar y son programables, lo que puede ser una consideración importante cuando se montan los grabadores de datos en equipos o indumentarias reutilizables que lleva el soldado.
En cada una de las realizaciones del dispositivo de memoria de cerrojo 150 descrito anteriormente, no se 15 requiere ninguna fuente de energía ni batería adicional, y se pueden colocar los dispositivos de memoria en un estado activo sólo cuando se produce un evento de impacto balístico que excede un umbral predefinido. Además, se pueden fabricar los dispositivos de memoria 150 en forma simultánea con el sensor de choque 110 y el circuito electrónico 130 en un sensor integrado 100 utilizando métodos de manufactura VLSI de alto volumen y bajo costo.
Se ilustra en la Figura 6 una realización a modo de ejemplo 200 del grabador de impactos de la presente 20 invención que emplea una fuente de energía interna, pero a niveles de uso de energía muy por debajo de los niveles de los sistemas del arte previo. En la realización 200, el sensor de choque 210 puede comprender una matriz de resonadores electromecánicos o vigas microcantilever 212 formadas a partir de una capa compuesta de piezosensor 206 y una capa estructural 204 que se superponen sobre un sustrato de silicio 202. En lugar de combinar las salidas eléctricas 242 provenientes de cada viga microcantilever 212 en la matriz en una señal eléctrica general, como se ha 25 descrito anteriormente, se puede dirigir las señales eléctricas provenientes de cada viga individual a lo largo de circuitos electrónicos separados 132 hasta alcanzar los canales de entrada separados 252 de otra realización de un dispositivo de memoria de cerrojo, como por ejemplo un microprocesador 250. El microprocesador 250 puede ser más ventajoso al proporcionar procesamiento adicional más allá de los dispositivos de memoria simples descritos anteriormente, tales como el análisis de firma de impacto. 30
Se puede alimentar el microprocesador 250 mediante una batería interna 260 cuando se necesite, mientras se encuentre configurado para permanecer en un estado de hibernación de baja energía o modo suspendido, durante la mayor parte de su ciclo operativo. Cuando las señales eléctricas 242 generadas por las vigas microcantilever 212 alcanzan los canales de entrada 252 del microprocesador, se pueden almacenar temporalmente los datos en amplificadores de muestreo y retención mientras el microprocesador se activa para despertar y realizar 35 una evaluación de la firma. Se puede configurar el microprocesador 250 para despertar dentro de los 1,0 ms de haber recibido las señales eléctricas 242 y haber realizado una evaluación de la magnitud de las respuestas recibidas para determinar si la naturaleza de los impactos excitantes era un Evento de Impacto Balístico o un No evento, a través de una comparación con plantillas de firma predeterminadas. Si se determina que el impacto es un Evento, el microprocesador puede extraer energía desde la batería 260 para convertir rápidamente cada señal de 40 entrada 242 de analógica a digital, llevar a cabo DSP y análisis adicionales para definir más los detalles del impacto, y para almacenar los datos resultantes en una memoria programable. Los datos almacenados pueden incluir información del espectro de densidad de potencia normalizada a partir de cada canal, así como el valor de choque absoluto general del evento de impacto balístico. Si se determina que el impacto es un No evento, el microprocesador 250 puede volver al modo suspendido para conservar energía hasta que lo active el próximo 45 impacto.
Se puede sensibilizar la viga microcantilever de baja frecuencia 214 a frecuencias en el rango de 0 a 1,0 kHz, cuya banda espectral contiene la mayor parte de la energía impartida por los impactos, tanto de los Eventos como de los No eventos. En consecuencia, la viga microcantilever de baja frecuencia 214 usualmente está vibrando y produciendo una señal eléctrica 244, mientras que los resonadores electromecánicos de frecuencia media y alta 50 frecuencia 212 permanecen inactivos. Cuando no está siendo evaluada por el microprocesador, la pequeña cantidad de energía recuperada contenida en la señal eléctrica 244 se puede dirigir a lo largo del circuito electrónico 234 para recargar la batería 260 en preparación para el próximo ciclo de evaluación. En consecuencia, la realización de ultra baja energía 200 del grabador de impactos que emplea tanto un microprocesador 250 como una fuente de energía interna, como por ejemplo una batería 260, puede continuar operando de forma fiable por extensos períodos de 55 tiempo sin requerir la conexión a una fuente de energía externa.
En la Figura 7 se ilustra un diagrama de flujo que describe un método 300 para el diagnóstico de la gravedad de una herida recibida por un soldado en combate causada por un evento de impacto balístico. Este método puede incluir la operación de proporcionar 302 al soldado un grabador de impactos que tiene un sensor de choque autoalimentado que se encuentra configurado para generar una señal eléctrica proporcional al valor de 60 choque de un evento de impacto balístico. Se puede configurar también el grabador de impactos para transportar la
señal eléctrica a un dispositivo de memoria de cerrojo, como por ejemplo un fusible electrónico, un dispositivo de memoria de base magnética o un microprocesador, y capturar un valor de choque máximo del evento de impacto balístico. El método puede incluir adicionalmente los pasos para la recuperación 304 del valor de choque máximo desde el grabador de impactos, ya sea en forma visual o con un receptor de datos portátil o un dispositivo de lectura, y la utilización 306 del valor de choque máximo para diagnosticar la gravedad de la herida causada por el evento de 5 impacto balístico.
La precedente descripción detallada describe la invención en relación con las realizaciones a modo de ejemplo específicas. Sin embargo, se apreciará que pueden realizarse variadas modificaciones y cambios sin alejarse del alcance de la presente invención tal y como se expone en las reivindicaciones que se adjuntan. La descripción detallada y los dibujos adjuntos se deben considerar como meramente ilustrativos, en lugar de 10 restrictivos.
Más específicamente, aunque se han descrito en este documento las realizaciones a modo de ejemplo ilustrativas de la invención, la presente invención no se limita a estas realizaciones. Por ejemplo, en la presente revelación, el término “preferentemente” se considera no-exclusivo en aquellas partes donde se tiene la intención de que signifique “preferentemente, pero no limitativo de." Las limitaciones de medios más la función, o pasos más la 15 función sólo serán empleadas en donde para una limitación de reivindicación específica todas las siguientes condiciones se encuentren presentes en esa limitación: a) se enumeran expresamente los “medios para” o “pasos para”; y b) se enumera expresamente una función correspondiente. Se enumeran expresamente en la descripción en la presente patente, la estructura, material o acciones que dan soporte a los medios más la función. En consecuencia, se debería determinar el alcance de la invención sólo mediante las reivindicaciones que se adjuntan y 20 sus equivalentes legales, en lugar de mediante las descripciones y ejemplos antes expuestos.
Lo que se reivindica y se desea que se garantice mediante el Certificado de Patente es lo siguiente:

Claims (15)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Un método para el diagnóstico de la gravedad de una herida recibida por un soldado en combate causada por un evento de impacto balístico que comprende:
    proporcionar un grabador de impactos que tiene un sensor de choque autoalimentado, donde el sensor de choque autogenera una señal eléctrica proporcional al valor de choque del evento de impacto balístico, estando el grabador de impactos además configurado para transportar la señal eléctrica hacia un dispositivo 5 de memoria de cerrojo y capturar el valor de choque máximo del evento de impacto balístico;
    recuperar el valor de choque máximo capturado;
    y
    utilizar el valor de choque máximo para diagnosticar la gravedad de la herida causada por el evento de impacto balístico. 10
    caracterizado porque
    dicho sensor de choque autoalimentado consiste en una pluralidad de resonadores electromecánicos (32), siendo sintonizados para la vibración resonante en un rango de frecuencias que corresponden a un rango de frecuencias excitadas por el evento de impacto balístico.
  2. 2. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde proporcionar un grabador de impactos además 15 comprende el proporcionar una matriz de vigas cantilever piezoeléctricas que tienen un rango de frecuencias naturales que corresponden a un rango de frecuencias generadas por el evento de impacto balístico.
  3. 3. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde se sintoniza el sensor de choque a un rango de frecuencias generadas tanto por un impacto balístico de un proyectil, como por una onda de choque explosiva.
  4. 4. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el proporcionar un grabador de impactos 20 comprende además el montaje de un grabador de impactos sobre el casco o el cuerpo del soldado.
  5. 5. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el proporcionar un grabador de impactos comprende además proporcionar un sensor de choque configurado para generar una densidad de potencia espectral proporcional al valor de choque del impacto balístico.
  6. 6. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el proporcionar un grabador de impactos 25 comprende además proporcionar un dispositivo de memoria de cerrojo seleccionado entre el grupo que consiste en una célula de memoria de burbuja magnética, una conexión de fusible resistiva, una célula de memoria de película delgada y una célula de ruptura dieléctrica.
  7. 7. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el proporcionar un grabador de impactos comprende además proporcionar un microprocesador configurable para la hibernación en un estado suspendido de 30 baja potencia, en donde la señal eléctrica generada por el sensor de choque proporciona suficiente energía para despertar el microprocesador.
  8. 8. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el proporcionar un grabador de impactos comprende además proporcionar un sensor de choque autoalimentado configurado para recuperar energía de baja frecuencia. 35
  9. 9. Un grabador de impactos para medir la gravedad de un impacto balístico experimentado por un soldado en combate que comprende:
    un sensor de choque autoalimentado que comprende:
    una pluralidad de resonadores electromecánicos (32) sintonizados a una vibración resonante en un rango de frecuencias que corresponden a un rango de frecuencias excitadas por el impacto 40 balístico, estando la pluralidad de resonadores electromecánicos configurados para auto generar una señal eléctrica proporcional al valor de choque del impacto balístico;
    un circuito electrónico configurado para portar la señal eléctrica fuera del sensor de choque; y una memoria electrónica de cerrojo configurada para capturar un valor máximo de la señal eléctrica proporcional al valor de choque del impacto balístico. 45
  10. 10. El grabador de acuerdo con la reivindicación 9, en donde la pluralidad de resonadores electromecánicos comprende además una matriz de vigas cantilever piezoeléctricas.
  11. 11. El grabador de acuerdo con la reivindicación 9, en donde se sintoniza por lo menos uno de la pluralidad de resonadores electromecánicos para resonar dentro del rango de frecuencias generadas por el impacto balístico de un proyectil o una onda de choque explosiva.
  12. 12. El grabador de acuerdo con la reivindicación 9, en donde la señal eléctrica comprende además una densidad de potencia de espectro proporcional al valor de choque del impacto balístico. 5
  13. 13. El grabador de acuerdo con la reivindicación 9, en donde se selecciona el dispositivo de memoria de cerrojo de entre el grupo que consiste en una célula de memoria de burbuja magnética, una conexión de fusible resistiva, una célula de memoria de película delgada y una célula de ruptura dieléctrica.
  14. 14. El grabador de acuerdo con la reivindicación 9, en donde la memoria electrónica de cerrojo es un microprocesador configurable para la hibernación en un estado suspendido de baja potencia, en donde la señal 10 eléctrica auto generada proporciona suficiente energía para despertar al microprocesador.
  15. 15. El grabador de acuerdo con la reivindicación 14, en donde se configura por lo menos uno de la pluralidad de resonadores electromecánicos para un barrido de energías de baja frecuencia.
    “Siguen 4 páginas de dibujos”
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