專利名稱：正牙安全帽依順性監(jiān)視器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請描述一種電子裝置，該裝置可量測和提高青年正牙患者所戴正牙安全帽(headgear)的依順性，這種正牙安全帽是一種普通的可移動(dòng)的正牙裝置。另外，該裝置可以測量在使用安全帽期間所施加的力的大小和持續(xù)時(shí)間，這是臨床和科學(xué)上的重要信息。相關(guān)申請本申請于1995年9月27日首次作為臨時(shí)申請?zhí)岢?，序列編?0/004,382，題目為“正牙安全帽依順性監(jiān)視器”。
背景在美國大約有8,856個(gè)正牙專家，還有一批數(shù)量不詳?shù)奶峁┱婪?wù)的牙科醫(yī)生。對美國正牙學(xué)家協(xié)會(huì)(90％以上的正牙學(xué)家是美國正牙學(xué)家協(xié)會(huì)AAO的成員)的會(huì)員的一項(xiàng)調(diào)查表明，在1992年有1,358,000個(gè)患者開始進(jìn)行正牙治療。對于恒牙列正牙治療的平均費(fèi)用每個(gè)兒童患者估計(jì)為3200美元，每個(gè)成年人患者約為3500美元。在1992年開始治療的新患者大約77％在18歲以下。很少有正牙學(xué)者不認(rèn)為患者的不堅(jiān)持是一個(gè)挑戰(zhàn)性的問題。除經(jīng)濟(jì)費(fèi)用外，不堅(jiān)持可導(dǎo)致延長治療時(shí)間和達(dá)不到正牙校正的效果。給正牙學(xué)者帶來麻煩的是，缺少有關(guān)患者實(shí)際遵照的預(yù)定規(guī)范(如使用安全帽)程度的客觀信息。最近對正牙學(xué)者的一次調(diào)查表明，作出回答的80％都說他們沒有特殊的方法去評價(jià)堅(jiān)持性。
概括地講，正牙治療的目標(biāo)是為患者提供非常整齊的牙齒、機(jī)能性的咬合和優(yōu)美的牙面。美國兒童的15-20％有II級角度的錯(cuò)位咬合發(fā)生。這種現(xiàn)象在兩種性別中都有發(fā)生，與社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況無關(guān)且很少有自動(dòng)校正的。此類錯(cuò)位咬合被診斷為在空間的前-后平面中上頜骨牙列和下頜骨牙列間的配位偏差。特別是，下頜骨牙列位于相對于上頜骨牙列的標(biāo)準(zhǔn)位置更為靠后的位置上。具有這種錯(cuò)位咬合(II級角度，部分I)的患者，典型地被認(rèn)為是具有前傾的或伸出的上門齒，后移的下頜和過量的覆蓋咬合。在所有的特別是輕度的II級角度錯(cuò)位咬合的患者中，存在著根本性的骨骼的失調(diào)，而且至少是造成牙齒空間錯(cuò)位的部分原因。于是，對這種錯(cuò)位咬合的通常的治療包括在成長的兒童中施加矯形力，以改變頜骨間的相對的生長型式，從而使其具有正常的排列。這種治療最常見的是借助一安全帽裝置來實(shí)現(xiàn)，該裝置限制上頜骨向前生長而允許下頜骨不受阻礙地繼續(xù)向前生長。最近的全國調(diào)查報(bào)告稱在II級錯(cuò)位咬合的治療中，十分之九的正牙學(xué)家“經(jīng)常地”或“偶而地”使用安全帽裝置。
正牙治療常依靠可移動(dòng)裝置的使用，以施力于牙齒和骨骼從而矯正牙齒和/或頜骨間的空間錯(cuò)位。這些裝置的可移動(dòng)的性質(zhì)，要求患者(典型地是正在成長的兒童)同意正牙學(xué)者的要求佩戴該裝置。不幸的是，不良的依順性變成了法規(guī)而不是接受佩戴可移動(dòng)的正牙裝置。這個(gè)一般性問題同樣也盛行于醫(yī)藥(例如，按照處方用藥)。
自十九世紀(jì)以來即使用安全帽裝置。它們是一種可移動(dòng)型正牙裝置，一般建議患者每天佩戴12-14小時(shí)。一個(gè)安全帽包括一個(gè)內(nèi)側(cè)的金屬弓，它進(jìn)入口腔并通過上頜第一顆磨牙固定在上頜上。兩個(gè)臂由此內(nèi)側(cè)的弓伸出口腔，而后沿腮的外側(cè)彎回并指向頭的后部。一個(gè)柔軟的布帶置于頸后，在此頸后布帶的每一端有一個(gè)加力組件連接到金屬安全帽弓的相應(yīng)的外臂上。因此，頸的后部為加力組件提供了口腔外的錨定從而有一向后的拉力提供在上頜上。此力抑制了上頜相對于正常增長的下頜的向前的增長。兩頜間不同的增長可矯正患者的正牙問題。如果一個(gè)正在成長的兒童(當(dāng)增長的改變是可能的)的此類問題未被矯正，則治療的選擇就限于牙齒的摘出術(shù)或者對患者頜骨進(jìn)行外科手術(shù)復(fù)位。除對頜骨相互關(guān)系的矯形矯正外，正牙裝置還可通過牙槽的變化來矯正錯(cuò)位咬合。
在1974年，Northcutt描述了第一個(gè)計(jì)時(shí)安全帽，一個(gè)由Aledyne公司開發(fā)并投入市場的裝置。Northcutt報(bào)告說在引入該計(jì)時(shí)安全帽之后，他的病人佩戴其安全帽的時(shí)間由平均每周35～50小時(shí)增加到每周超過100小時(shí)。不幸的是這不是一次試驗(yàn)而只是簡單的一種未作記載的觀察。然而，最近的有14個(gè)受驗(yàn)人的調(diào)查用表格記錄了監(jiān)視他們佩戴安全帽的情況，其實(shí)際的安全帽佩戴數(shù)據(jù)是由一隱蔽的“自制”的安全帽計(jì)時(shí)器記錄的。簡單的監(jiān)視導(dǎo)致依順性有很大(p＜0.05)的增加。更多的資料表明，提供反饋可使對堅(jiān)持性效果的監(jiān)視有可能對依順性有明顯的有益效果。安全帽監(jiān)視器的正確設(shè)計(jì)可使監(jiān)視變得非常容易，同時(shí)還將允許應(yīng)用性能完善的變換原理以增加安全帽的佩戴，因?yàn)楝F(xiàn)在效果可以有效地被監(jiān)視從而可增強(qiáng)佩戴效果。
Aledyne型安全帽計(jì)時(shí)器存在一些缺陷，因而不再生產(chǎn)。最壞的毛病在于在玻璃試器內(nèi)的可靠性試驗(yàn)中14個(gè)計(jì)時(shí)器中的9個(gè)具有高于70％的不精確度。計(jì)時(shí)器的設(shè)計(jì)還有其它的缺點(diǎn)。佩戴的時(shí)間只能通過將安全帽連接到正牙學(xué)者辦公室中昂貴的數(shù)字顯示器上進(jìn)行顯示。因此，患者及其父母不能在正牙裝置中監(jiān)視佩戴時(shí)間。另外，計(jì)時(shí)器只能和特定廠商的安全帽設(shè)計(jì)和加力組件一起使用。就我們所知，現(xiàn)在沒有生產(chǎn)安全帽計(jì)時(shí)器的商業(yè)公司。因此，最近的一篇論文描述了由手表制造“自制”計(jì)時(shí)器的方法，但是，類似上述模型，它要求1)將彈性組件固定在頸帶上，這樣，在不拆卸裝置的情況下，使正牙學(xué)者失去了改換或挑選不同的彈性組件的選擇余地，和2)不能使用具有安全拆卸性能的加力組件(這是所有安全帽裝置的一個(gè)必須的部分)。另外，該簡易的計(jì)時(shí)器很容易讓患者弄錯(cuò)，當(dāng)決定要精確地度量患者的依順性時(shí)，它是一個(gè)明顯的制約。根據(jù)我們解決該問題的新穎方法，我們設(shè)計(jì)并制做了一種安全帽監(jiān)視器樣品(基于正牙學(xué)的科學(xué)原理、行為科學(xué)和電氣工程)，它克服了已有的安全帽計(jì)時(shí)器的缺點(diǎn)。全國健康調(diào)查(1973)的數(shù)據(jù)表明，15-20％的美國兒童具有錯(cuò)位咬合型牙齒(II級角度錯(cuò)位咬合)，通常應(yīng)用安全帽裝置進(jìn)行治療。一個(gè)能夠度量施力的持續(xù)時(shí)間和施力大小的可靠的依順性監(jiān)視器，將是一個(gè)極寶貴的研究工具，以增強(qiáng)這種情況的治療。另外，如果安全帽監(jiān)視被證明可以改善正牙治療的的效果，它將會(huì)變成安全帽裝置的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)部件。
發(fā)明概述本發(fā)明提供一種用于帶有一線性彈簧加力組件類型的正牙安全帽的依順性監(jiān)視器。該加力組件包括彼此相對地連接著的第一和第二連接部件，當(dāng)其沿直線相互移開時(shí)以提供彈性拉力。一位置傳感器配置在該組件上以檢測兩連接部件間的直線移動(dòng)。其上還有一處理裝置，例如一由電池驅(qū)動(dòng)的微處理器，用以接收來自位置傳感器的信號并確定被檢測到的移動(dòng)從成因來講是否是生物學(xué)的足夠的改變。一存儲(chǔ)裝置如非易失性存儲(chǔ)器EEPROM，記錄下該處理裝置所作出的決定。
在優(yōu)選的形式中，一可視顯示器將表示出所記錄的決定，并提供一累加的依順性記錄。同樣在優(yōu)選的形式中，位置傳感器包括一與連接部件之一相連并隨其一起移動(dòng)的磁鐵，而且至少配置一霍爾效應(yīng)傳感器以檢測該磁鐵的直線移動(dòng)。利用一些霍爾效應(yīng)傳感器，磁鐵的移動(dòng)和位置可確切地被確定。因此，該裝置可被進(jìn)行校準(zhǔn)，以提供所施加的彈性拉力關(guān)于時(shí)間的定量的度量。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，可采用一光學(xué)接口，例如紅外發(fā)光二極管/光電晶體管以記下被記錄的數(shù)據(jù)和送入編程序的指令。
本發(fā)明還包括量測和誘導(dǎo)正牙安全帽依順性的方法。配置一線性的彈性加力組件和一用于檢測該組件中線性移動(dòng)的位置傳感器。來自傳感器的信號被接收和進(jìn)行處理，以決定檢測到的移動(dòng)就成因來講是否是生物學(xué)上足夠的改變。多種決定被相對于時(shí)間記錄下來，用以評價(jià)安全帽佩戴的依順性。
通過對以累加記錄的形式記錄的各種決定的可視性顯示，使用者被誘導(dǎo)到更進(jìn)一步的依順性。另外，所施加的彈性拉力的定量測量可用于對治療的評價(jià)。
本發(fā)明的意圖在于既能測量依順性，又能使患者的依順性有顯著地提高。該裝置可以充分地小型化以裝入現(xiàn)有的可移動(dòng)正牙裝置中，并能提供患者依順性的精確記錄。本發(fā)明的一個(gè)顯著的好處在于其可以利用一個(gè)算法軟件系統(tǒng)顯示出錯(cuò)誤的或者假的數(shù)據(jù)的能力。持續(xù)地作用在加力組件上的靜張力將不作為依順性給以記錄。被量測的移動(dòng)和拉力必須在成因上是生物學(xué)上可予考慮的足夠的改變。對于依順性的反饋很容易為患者及其雙親和正牙學(xué)者所得到，而且如果需要，實(shí)際的數(shù)據(jù)可以輸送到通常設(shè)置在正牙辦公室中的計(jì)算機(jī)設(shè)備。
由于具有強(qiáng)有力的市場，故過去在商業(yè)上曾試圖開發(fā)處理正牙依順性的裝置。我們設(shè)計(jì)的裝置則克服了已有設(shè)計(jì)存在的問題。另外，在我們的設(shè)計(jì)中也考慮了心理學(xué)的原理，因此，此模型(與已有的意圖不同)可以改善依順性因而改善治療效果。
附圖簡述在附圖的所有各圖中，相同的參考數(shù)碼表示相同的部分，其中

圖1為表示一佩戴正牙安全帽患者的繪畫圖，其采用了一對安全脫開機(jī)構(gòu)，根據(jù)本發(fā)明其中安裝有現(xiàn)在使用的監(jiān)視裝置；圖2為一放大了的局部側(cè)視圖，表示包括有本發(fā)明的安全帽中使用的安全脫開機(jī)構(gòu)之一的細(xì)部構(gòu)造；圖3為取自圖2頂部的視圖；圖4為大體上沿圖2中線4-4所取的剖面圖；圖5為一放大了的局部側(cè)視圖，表示包括有本發(fā)明的安全帽中使用的安全脫開機(jī)構(gòu)之一的另一優(yōu)選結(jié)構(gòu)的細(xì)部構(gòu)造；圖6為取自圖5頂部的視圖；圖7為本發(fā)明的電路圖；圖8為一連接帶的側(cè)視圖，表示彈簧在松開位置時(shí)傳感器部件疊放的相對位置；圖9為一示意的側(cè)視圖，表示在本發(fā)明中各部件的相對布置，以及圖10為一曲線圖，表示直線間隔的霍爾傳感器的模/數(shù)值與以克計(jì)施加的彈簧力相比較的關(guān)系。
實(shí)施本發(fā)明的最佳方式簡單地講，本裝置10使用一低能耗的由電池供電的微處理器12，該微處理器帶有液晶顯示器(LCD)14，以將依順性反饋提供給患者及其父母和正牙學(xué)家。該微處理器使用兩種類型的磁傳感裝置16，18，19(以及一軟件程序來防止患者的偽裝)來測量堅(jiān)持性。安全帽的應(yīng)用被存入永久性存儲(chǔ)器(EEPROM)20中?？梢岳猛ǔＪ褂玫膫€(gè)人電腦(例如，IBM和Macintosh)取出數(shù)據(jù)以進(jìn)行表格或圖形顯示和醫(yī)療記錄。
詳細(xì)參見圖1，圖中表示一正牙安全帽24正確地定位在一患者頭部使用的情況。安全帽24包括一傳統(tǒng)的其外端沿患者面部相對的兩側(cè)延伸的面弓26，和一傳統(tǒng)性柔軟的非彈性的頸帶28。通常以22表示的是兩個(gè)相同的安全脫開施加拉力的機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)以傳統(tǒng)方式對面弓26施加向后的彈性拉力。
參見圖2-4，一安全脫開機(jī)構(gòu)包括一端部敞開的開口環(huán)30，被固定在頸帶28上面，并以其一對自由端部分32與加力組件22中的槽34相嚙合。即使面弓26被向前拉離開佩戴者的面部，通過安全脫開機(jī)構(gòu)傳遞的拉力的大小可達(dá)到其所能傳遞的最大拉力的程度，在發(fā)生這種情況時(shí)，該安全脫開機(jī)構(gòu)之一或二者將斷開面弓26和頸帶28之間的連結(jié)，從而不會(huì)有彈射效應(yīng)發(fā)生。使安全脫開機(jī)構(gòu)斷開所需力的大小，取決于使自由端部分32分開一足夠的距離以使其能由槽34向外滑動(dòng)所需要的力。
圖5和6表示該裝置的另一個(gè)最佳實(shí)施例10’。該實(shí)施例10’的功能與上述裝置實(shí)際上是相同的，只是在不增加該裝置10’整體尺寸的情況下具有較多的可用的內(nèi)部空間，以安放電子部件?？臻g的有效利用是由于使用了另外一種端部敞開的開口環(huán)30’，其整體尺寸比較小且與之嚙合的槽34是向后延伸部分35的一部分。
彈性拉力是通過加力組件22，22’中的一內(nèi)部彈簧36施加于面弓26上的。此彈簧36被連接帶40的頭部38部分地壓縮，在頭帽24的使用過程中，連接帶的頭部將壓縮此彈簧36。由于彈簧36不是完全地被壓縮，因而允許有少許的移動(dòng)而不產(chǎn)生明顯的約束，以便佩戴者可自由地轉(zhuǎn)動(dòng)他或她的頭。一個(gè)完全公開的典型的連接裝置可以在美國專利No.4,226,589中找到，其內(nèi)容在這里以特定的參考文獻(xiàn)被引入。
某些深入的理解使得此項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展成為可能。首先，安全帽治療中主動(dòng)治療要素的實(shí)施在于完全在“加力組件”22中生成的力，然后該作用力通過一固定的金屬面弓26傳遞到上頜。測量該力生成過程的某些方面，將是評價(jià)該安全帽使用效果(即依順性)的理想途徑。第二是這種量測應(yīng)完全在“加力組件”22中(即該力生成的場所)進(jìn)行的設(shè)想，因而與正牙學(xué)者使用的面弓26和頸帶28的類型無關(guān)。這種設(shè)計(jì)觀點(diǎn)與加力組件可與頸帶安全脫開的性質(zhì)是相容的，而這在安全帽設(shè)計(jì)中是重要的。
檢查一典型的正牙加力組件22，可發(fā)現(xiàn)一被動(dòng)式螺旋形彈簧38放置在該加力組件中央的空心圓柱形孔42內(nèi)。此力是通過壓縮該加力組件中的彈簧產(chǎn)生的。當(dāng)正確佩戴安全帽時(shí)，由于將加力組件的一端固定在頸帶28上同時(shí)將加力組件的其它部件(即，可以移動(dòng)并壓迫彈簧的部件)固定在面弓的外臂上，故彈簧保持在被壓縮(工作)的位置上。要求患者將加力組件22的可調(diào)節(jié)部分40連接到面弓26的外臂上以便產(chǎn)生作用力(即彈簧被壓縮)。在此位置上，若面弓26的外臂向靠近頭的后部移動(dòng)，該彈簧只會(huì)變得更為松弛。這在患者自然地變換其頭部位置時(shí)確實(shí)會(huì)發(fā)生。當(dāng)頭部轉(zhuǎn)動(dòng)或移動(dòng)時(shí)，右側(cè)和左側(cè)加力組件22中的彈簧可能松弛或壓得更緊。這為我們的監(jiān)視器10的設(shè)計(jì)提供了另一個(gè)重要的部分。大部分使安全帽計(jì)時(shí)器偽裝的企圖都會(huì)包含壓縮彈簧。很簡單，這可以通過將安全帽放置在一無生命的模特兒的頭上，或通過在加力組件22的任一側(cè)放置重物(例如，一捆書)使彈簧36保持在一主動(dòng)位置上。然而，這些偽裝的企圖以靜態(tài)的形式壓縮了彈簧，但在患者真正佩戴時(shí)，彈簧36將繼續(xù)按照頭部位置的變化進(jìn)行調(diào)整。因此，如果彈簧的壓縮程度相對于時(shí)間作出評估，即可利用一算法軟件系統(tǒng)將真正佩戴安全帽(有效的)時(shí)發(fā)生的彈簧壓縮的變化程度與靜態(tài)佩戴(無效的)時(shí)區(qū)分開來。該算法的特性(基于對信號變異性的某些統(tǒng)計(jì)學(xué)量測)以及在多長的持續(xù)時(shí)間進(jìn)行信號采集，可以根據(jù)患者佩戴該裝置時(shí)搜集的數(shù)據(jù)來決定。利用公知的統(tǒng)計(jì)學(xué)方程，所搜集到的數(shù)據(jù)可以用一中間濾波器進(jìn)行濾波以除去由外來的干擾造成的尖鋒信號?；谒鸭降呐宕靼踩钡挠行б苿?dòng)的數(shù)據(jù)，和具有表明是偽裝的不變性的無效的靜態(tài)或機(jī)械產(chǎn)生的移動(dòng)的數(shù)據(jù)，該信號的標(biāo)準(zhǔn)偏離和改變量即可按照預(yù)定的時(shí)間段作出評價(jià)。利用這些準(zhǔn)則，相信具有普通技能的人可以很容易地寫出用于本發(fā)明的合適的軟件程序。
最后，在我們關(guān)于安全帽監(jiān)視器的新設(shè)計(jì)中最后一個(gè)關(guān)鍵因素是檢測加力組件22，22’中彈簧壓縮程度的能力。在壓縮的過程中，彈簧36的后部更為靠近加力組件的前部?；颊呦蚯袄瓌?dòng)加力組件22，22’的可移動(dòng)部分40(通過彈簧)以將其連接在面弓26的外臂上。加力組件22，22’的這一可移動(dòng)部分帶有一“擋塊”38，該擋塊使彈簧36在組件中不能保持被動(dòng)，但在接受治療者向前朝向面弓26外臂拉動(dòng)加力組件的可動(dòng)部分40時(shí)，迫使彈簧壓縮。因此，擋塊38改變了它在加力組件22，22’中的位置并使彈簧36受壓。
一強(qiáng)力的磁鐵44連接在擋塊38上。兩個(gè)按空間位置固定在加力組件22外部的霍爾傳感器18，19，當(dāng)磁鐵44在加力組件22中移動(dòng)時(shí)，明顯地可以測量出磁場強(qiáng)度的相對改變。霍爾傳感器可測量出磁場強(qiáng)度的變化。因此，霍爾傳感器18，19可提供磁場強(qiáng)度的模擬測量，其直接對應(yīng)于擋塊38的位置，因而對應(yīng)于彈簧壓縮的大小。一個(gè)小的彈簧片開關(guān)16當(dāng)首次戴上安全帽時(shí)可用來測量磁鐵44的初始位置，從而省去了連續(xù)使用消耗較多能源的霍爾傳感器18去跟蹤磁鐵位置的必要。
由Texas Instruments生產(chǎn)的TSS 400-S3微處理器12可以監(jiān)視磁性彈簧片開關(guān)16和由霍爾傳感器18，19檢測到的模擬信號。通過評價(jià)該信號的變異性，可以按統(tǒng)計(jì)學(xué)評價(jià)霍爾信號以作為真正佩戴的資料。利用微處理器12可以測量真正佩戴的時(shí)間，并在一LCD14上顯示。利用EEPROM可將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器20中。微處理器12也可檢測由一外部單元(未示出)送到紅外光電晶體管47的紅外脈沖，該晶體管可向微處理器12發(fā)出信號去實(shí)施多種功能，例如重新設(shè)置顯示，設(shè)置時(shí)鐘，裝入新的軟件程序，或者通過一紅外LED46取出數(shù)據(jù)，該紅外LED作為該安全帽監(jiān)視器的一部分包括在其中。
TSS 400-S3傳感器信號處理器12，包括保持時(shí)間的能力，一12-位多通道模-數(shù)轉(zhuǎn)換，一LCD驅(qū)動(dòng)器，6個(gè)數(shù)字輸出，一4-位輸入部分，并且是易于編程的。該微處理器可以做得象小片般大小，可以很容易地為用于商業(yè)生產(chǎn)而超小型化。所使用的傳感器為一碰片開關(guān)16，在第一次施力于安全帽時(shí)可進(jìn)行檢測。兩個(gè)霍爾傳感器18，19可以明確地測量產(chǎn)生安全帽作用力的彈簧的位置。因此，相應(yīng)的力可以定量地測量并記錄。
四位數(shù)LCD14可直接由微處理器12驅(qū)動(dòng)，另一方面可顯示每日的平均佩戴時(shí)間，以及自最近一次重新設(shè)置起算的累加佩戴小時(shí)數(shù)。所有的電子器件都被密封以防水和防止干予。
由通常使用的3伏鋰電池電源48為上述電子器件的正常使用提供動(dòng)力。微處理器使用鋰電池電源是最合適的，其在工作狀態(tài)僅消耗80微安，而在靜止?fàn)顟B(tài)僅消耗4微安。存儲(chǔ)器為非易失性存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)不會(huì)因失去電源而丟失。
在加力組件22，22’中放入紅外LED46和光電晶體管47，通過一外部串行接口可實(shí)現(xiàn)組件和辦公室計(jì)算機(jī)之間的雙向傳輸。因此，安全帽使用情況的數(shù)據(jù)可以很容易地被取出和進(jìn)行編程，包括清除數(shù)據(jù)記錄和改變軟件約定都可利用紅外輸入的性能來完成。計(jì)時(shí)可由一典型的石英鐘裝置50來控制。整個(gè)的電子線路示意圖示于圖7。
磁鐵44的形狀和方向優(yōu)選地應(yīng)能使霍爾傳感器18的靈敏度為最佳。如圖8示意表示的那樣，當(dāng)彈簧由放松移至工作位置時(shí)，磁鐵移過一范圍52，其間，它最初改變了簧片開關(guān)16的狀態(tài)，而后所增加的磁場強(qiáng)度可為霍爾傳感器18，19所檢測。如果需要，在裝置中可以使用一種相對于其尺寸具有成正比的較大磁場強(qiáng)度的稀土磁鐵。
圖9示意性表示出加力組件22中各部件的優(yōu)選布置圖。然而，此特定的布局對于本發(fā)明并不是關(guān)鍵性的，重要的是每個(gè)部件應(yīng)充分地小型化，從而不致明顯地增大加力組件22，22’的尺寸和質(zhì)量。
如果需要，本發(fā)明適于記錄由霍爾傳感器18，19記錄下來的磁場強(qiáng)度，用以根據(jù)不僅是安全帽24使用時(shí)間的長短，而且根據(jù)在特定的時(shí)間間隔內(nèi)所施加的力的量化的大小去校正數(shù)據(jù)。
參見圖10，其中表示一基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的曲線，該數(shù)據(jù)表示被線性間隔開的霍爾傳感器18，19的模擬-數(shù)字值。一喚醒傳感器，例如簧片開關(guān)16的工作區(qū)域也被示出。當(dāng)磁鐵44沿其活動(dòng)路徑移動(dòng)時(shí)，每個(gè)霍爾傳感器記錄的值首先上升而后下降。單獨(dú)一個(gè)霍爾傳感器足以定性地確定依順性。如果需要定量地測量并記錄在給定的時(shí)間段內(nèi)所施加的力的大小，就必須有多于一個(gè)的霍爾傳感器。這是由于一個(gè)以上的線性磁鐵位置可能與單個(gè)霍爾傳感器測量出的給定的正或負(fù)值聯(lián)系起來。這就產(chǎn)生一定程度的模糊性。一種去掉這種模糊性的直接方法是使用多個(gè)霍爾傳感器，將其線性地間隔開，如圖10所示，因?yàn)榇盆F的位置可以明確地確定。通過對該單元的校準(zhǔn)，一個(gè)相對的或精確的作用力的大小就可以和任何磁鐵的位置聯(lián)系起來。按照優(yōu)選的形式，微處理器12在靠近的時(shí)間里首先對第一接著對另一霍爾傳感器18，19取樣。
微處理器12可提供解決通常與霍爾傳感器的使用相關(guān)聯(lián)的工程難題的方法。處理器的兩個(gè)高阻抗12-位模擬-數(shù)字(A/D)輸入端與霍爾裝置的每個(gè)差分電壓接頭相連接。來自單個(gè)霍爾傳感器每一接頭的A/D值被采樣，且其數(shù)值差被用作磁場的檢測值。由于TSS-400微處理器具有4個(gè)A/D輸入端，因而可以連接多個(gè)霍爾傳感器而不需要附加的電子部件。差分信號可除去與由溫度和電源變化引起的動(dòng)力電源基準(zhǔn)有關(guān)的霍爾電壓漂移效應(yīng)。高阻抗輸入端可提供檢測電壓對于霍爾電流供應(yīng)所需要的獨(dú)立性。12-位A/D分辨率可以檢測150微伏的變化，因而不需要單獨(dú)的運(yùn)算放大器。
如同上面討論的那樣，本發(fā)明的安全帽監(jiān)視器可識別真實(shí)的依順性和試圖模仿是重要的。這一差別可由處理器12利用適合的軟件來決定，該軟件被設(shè)計(jì)成能存入安全帽佩戴時(shí)間同時(shí)識別模仿使用安全帽的偽裝(即欺編)企圖。該軟件還須能優(yōu)化能量的使用以延長電池的壽命。
該處理器應(yīng)置于低動(dòng)力使用狀態(tài)(即靜止?fàn)顟B(tài))，直至該安全帽被置于頭上時(shí)磁性簧片開關(guān)被啟動(dòng)為止。該處理器然后被驅(qū)動(dòng)，而且由程序記錄下佩戴的起始時(shí)間。通過利用霍爾傳感器18，19檢測出彈簧的位置，由程序周期性地將現(xiàn)在的位置與先前測量的結(jié)果相對照。由于在正常使用安全帽期間的生物學(xué)變異性或彈簧位置的隨機(jī)性，故軟件計(jì)算系統(tǒng)可以確定真正的佩戴時(shí)間，它與被暗示為企圖模仿的持續(xù)靜態(tài)的彈簧位置不同。
可以由程序在預(yù)定的時(shí)間段內(nèi)降低處理器的的動(dòng)力消耗，并重新驅(qū)動(dòng)處理器以進(jìn)行重復(fù)的彈簧位置評價(jià)(即，佩戴時(shí)間的確認(rèn))。采樣僅需每數(shù)分鐘進(jìn)行一次，因?yàn)楦鼮榫_地測量佩戴時(shí)間可能是不需要的。這也有助于優(yōu)化能量使用和延長電池的壽命。當(dāng)彈簧放松到一被動(dòng)位置時(shí)，臨時(shí)的停止時(shí)間即被記錄下來。如果在規(guī)定的時(shí)段內(nèi)(例如30分鐘)檢測不到表明佩戴的活動(dòng)，則經(jīng)確認(rèn)的和帶有時(shí)間標(biāo)記的佩帶數(shù)據(jù)(例如，佩帶和摘下的時(shí)間，平均的彈簧位置)即被記入非易失性存儲(chǔ)器20。利用由先前校準(zhǔn)的彈簧位置與力的關(guān)系得到的供查詢的表格，即可得到所施加力的平均值。眾所周知的各種相應(yīng)的軟件可允許在依順性監(jiān)視器和計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行雙向傳輸，傳輸由監(jiān)視器取出的數(shù)據(jù)以及重新設(shè)置和修正監(jiān)視器中的軟件。另外，相應(yīng)的軟件既可以表格的形式又可以圖形的形式評價(jià)安全帽監(jiān)視器數(shù)據(jù)。
雖然使用霍爾傳感器和磁鐵是檢測移動(dòng)的優(yōu)選方式，但也可以采用各種各樣的等效的其它選擇。例如，通過機(jī)械或其它方式產(chǎn)生和測量可變阻抗的裝置也可以采用。另外，也可代之以光學(xué)編碼的位置傳感器或流體壓力傳感器。其它可能的傳感器包括超聲裝置，磁致阻抗傳感器或者可以起到壓縮可變力轉(zhuǎn)換器作用的材料。任何可以充分小型化的能用于檢測彈簧位置和/或壓縮的裝置，都可以起到同等的作用。
在不脫離其精神和范圍的情況下，可對本發(fā)明作出各種變型和改進(jìn)。專利保護(hù)不是由現(xiàn)在公布的優(yōu)選實(shí)施例所確定的，而是由下述的權(quán)利要求或根據(jù)權(quán)利要求說明所確認(rèn)的原則進(jìn)行描述的各項(xiàng)要求所確定的，其中包括等價(jià)的原則和各有關(guān)部分的變換。
權(quán)利要求
1.一種用于正牙安全帽的依順性監(jiān)視器，該正牙安全帽是帶有一線性彈簧加力組件類型的，所說的依順性監(jiān)視器包括彼此相對地連接著的第一和第二連接部件，當(dāng)其沿直線相互移開時(shí)可提供彈性拉力；一位置傳感器，該傳感器被配置來檢測上述兩連接部件之間的直線移動(dòng)；處理裝置，用以接收來自上述位置傳感器的信號并確定這一移動(dòng)從成因來講是否是生物學(xué)的足夠的改變，以及存儲(chǔ)裝置，用以記錄由上述處理裝置作出的決定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的依順性監(jiān)視器，進(jìn)一步包括一可視顯示器，用以表示所記錄的由處理裝置作出的決定。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的依順性監(jiān)視器，其中所述的存儲(chǔ)裝置還可提供依順性的累加記錄。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的依順性監(jiān)視器，其中所述的位置傳感器包括一與上述連接部件之一相連并隨其一起移動(dòng)的磁鐵，而且配置一霍爾效應(yīng)傳感器，以檢測上述磁鐵的直線移動(dòng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的依順性監(jiān)視器，包括多個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器，用以確切地檢測上述磁鐵的移動(dòng)和位置。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的依順性監(jiān)視器，包括多個(gè)線性位置傳感器，被定位來檢測上述兩連接部件之間的直線移動(dòng)及位置。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的依順性監(jiān)視器，其中所述的線性位置傳感器，可以為作用在上述相對的第一和第二連接部件之間的彈性拉力提供定量測量。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的依順性監(jiān)視器，進(jìn)一步包括一與上述第一和第二連接部件之一相連并隨其一起移動(dòng)的磁鐵，而且上述線性位置傳感器包括多個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器，以確切地檢測并量化上述兩連接部件間的直線移動(dòng)
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的依順性監(jiān)視器，進(jìn)一步包括用于將上述被記錄下來的決定由存儲(chǔ)裝置傳輸?shù)揭煌獠吭O(shè)備的裝置。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的依順性監(jiān)視器，其中所述的傳輸裝置包括一光學(xué)接口。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的依順性監(jiān)視器，進(jìn)一步包括一用于將編程序的信息由一外部設(shè)備傳輸?shù)缴鲜鎏幚硌b置的裝置。
12.一種測量和誘導(dǎo)正牙安全帽依順性的方法，包括配置一線性的彈性加力組件；配置一位置傳感器，用以檢測上述彈性加力組件中的線性移動(dòng)；處理由上述位置傳感器接收來的信號，并決定該移動(dòng)就成因來講是否是生物學(xué)上足夠的改變，和記錄下按照時(shí)間作出的多個(gè)決定，用以評價(jià)安全帽佩戴的依順性。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，進(jìn)一步包括可視性顯示被記錄下來的由該處理器作出的各種決定的步驟。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中依順性的累加記錄被記錄下來。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述的位置傳感器包括一與上述連接部件之一相連并隨其一起移動(dòng)的磁鐵，以及一霍爾效應(yīng)傳感器被定位來檢測上述磁鐵的直線移動(dòng)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中上述磁鐵的移動(dòng)和位置由多個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器確切地進(jìn)行檢測。
17.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中的多個(gè)位置傳感器被定位來檢測上述彈簧加力組件的直線移動(dòng)和位置。
18.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，進(jìn)一步包括對彈性拉力提供定量測量的步驟。
19.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，進(jìn)一步包括將上述被記錄的決定由存儲(chǔ)裝置傳輸?shù)揭煌獠吭O(shè)備的步驟。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中所述的傳輸是由一光學(xué)接口實(shí)現(xiàn)的。
全文摘要
一種用于正牙安全帽用以監(jiān)視和誘導(dǎo)使用者依順性的裝置和方法,該正牙安全帽為使用線性彈簧加力組件類型的。此彈簧加力組件包括彼此相對連接的第一和第二連接部件,當(dāng)其沿直線相互移開時(shí)可提供彈性拉力。一位置傳感器對連接部件間的直線移動(dòng)進(jìn)行檢測。一微處理器接收來自該位置傳感器的信號,并決定佩戴的持續(xù)時(shí)間,加力的大小和確定該位移的成因是生物學(xué)上足夠的改變還是企圖模仿的位移。處理器作出的多個(gè)決定被依照時(shí)間記錄下來,以提供安全帽佩戴依順性的評價(jià)和對使用者的依順性進(jìn)行激發(fā)。
文檔編號G04F10/00GK1200816SQ96197922
公開日1998年12月2日 申請日期1996年9月27日 優(yōu)先權(quán)日1995年9月27日
發(fā)明者道格拉斯·S·拉姆塞, 瑪尼·索瑪, 卡里斯·普拉爾, 喬治·A·巴勒特 申請人:華盛頓大學(xué)