一种穿戴式力学影像采集设备及肺冲击伤精准评估方法与流程

本发明涉及医疗仪器技术与设备，具体涉及一种穿戴式力学影像采集设备及肺冲击伤精准评估方法。

背景技术：

1、在和平时期的生产和生活中，爆炸冲击伤已成为一个不可忽视的公共安全问题。煤矿瓦斯、金属粉尘、烟花爆竹、危化品、高压气体、油料生产加工等领域均存在易爆风险因素。在这些事故中，肺脏往往是最易受累的空腔脏器，其冲击伤是导致伤亡的主要原因之一。现代战伤分析显示，爆炸伤亡中冲击波直接引起的伤害占据了显著比例，而在封闭空间爆炸中，存活伤员的肺冲击伤发生率更是高达80％以上。

2、在肺冲击伤的救治和防护领域，伤情评估是至关重要的基础。它不仅关系到医疗资源的科学配置和伤员个体化救治策略的制定，还直接影响到国家安全稳定以及公众的生命健康。然而，由于肺脏复杂的组织结构、生理特点、脏器毗邻关系以及其对冲击波的非线性瞬态力学响应，肺冲击伤的精准评估一直是医学领域的技术难题。

3、目前，肺冲击伤伤情评估主要依赖于病理学、生理学、影像学和生物力学等方法。虽然这些方法在伤情评价中发挥了重要作用，但仍然存在诸多局限性。例如，病理学评估虽然能够直接观察肺脏组织损伤情况，但无法反映冲击波的动态作用过程；生理学评估虽然能够评估呼吸功能等生理指标，但难以准确预测伤员存活率；影像学评估虽然能够提供高分辨率的肺脏影像，但无法直接反映生物力学参数对伤情的影响；生物力学评估虽然能够建立基于力学响应的伤情评估软件和算法，但冲击波生物力学在肺脏复杂三维结构的精确表征上仍存在困难。

4、目前，爆炸冲击波压力检测方法主要有等效靶法、电测法和理论计算法。电测法是用硬质传感器构成的测试系统进行测试，通过对测试数据分析处理，可以获得冲击波压力随时间变化的规律及冲击波载荷的频率特性，尽管存在不少问题，但这是目前最常用的测试手段。综合冲击波力学参数的主流研究方法，存在的主要问题是冲击波作用于胸部呈三维空间分布的力学变化过程，传统单点式监测生物体界面冲击波力学变化，空间分辨率低，数据量小，无法实时成像。在肺脏复杂解剖生理、脏器毗邻及体位差异等综合因素作用下，单点压力监测难以满足肺脏伤情精准评估和防护研究需求。而且，既往肺冲击伤评估中普遍以自由场超压替代胸部表面压力，测试精度存疑。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明提出一种穿戴式力学影像采集设备及肺冲击伤精准评估方法，以解决现有技术中存在的技术问题。

2、本发明采用的技术方案如下：

3、第一方面，提供了一种穿戴式力学影像采集设备，包括：分布式柔性薄膜力学传感器、采集处理电路模组和可穿戴式马甲，所述分布式柔性薄膜力学传感器和采集电路模组集成在可穿戴式马甲中，所述分布式柔性薄膜力学传感器将压力信息转换成电信号，所述采集处理电路模组接收、处理所述电信号，并将处理后的数据输出到外部设备或系统；所述分布式柔性薄膜力学传感器采用高密度阵列设计。

4、进一步，所述分布式柔性薄膜力学传感器采用多尺度界面复合的碳纳米材料，通过应用化学气相生长的方法制备微纳共形的碳纳米力敏薄膜，通过复形转移的方法结合柔性电极对位贴装方法，得到的基于微纳共形仿生力敏层的分布式柔性薄膜力学传感器。

5、进一步，所述分布式柔性薄膜力学传感器为三层复合结构，上层为柔性皮革材料的力敏层、中层为具有镂空结构的粘合层、下层为具有叉指电极的柔性fpc柔性电路板采集层。

6、进一步，采用行列高速扫描结合动态解耦方法对分布式柔性薄膜力学传感器的多通道进行高速采集。

7、进一步，所述采集处理电路模组包括：单点式触觉传感器采集电路、分布式传感器件采集电路和主控电路板。

8、进一步，所述单点式触觉传感器采集电路，支持至少4个碰撞传感器信号的采集、转换，并将转换后的数据实时向数据接口传输。

9、进一步，所述分布式传感器件采集电路，通过模拟开关的切换完成对阵列中每个传感点的轮询检测，每个传感点的模拟信号通过滤波放大后进行模数转换，转换所得的数字信号按照一定顺序进行存储，并将存储数据发送至上位机，上位机经过数据解析，在上位机界面对数据进行排序显示，完成对阵列传感器所受冲击信号的重现，分布式传感器件采集电路支持至少256个点的冲击信号采集、转换，且在0.2s内至少完成整个阵列传感区域所有受压状态检测。

10、进一步，所述主控电路板包括：控制器、驱动电路、运算放大电路、模数转换电路和数据接口电路；

11、所述控制器通过信号线发送控制信号到驱动电路，驱动电路执行相应动作，运算放大电路接收来自传感器输出模拟信号源，进行放大处理后，输出模拟信号；模数转换电路接收运算放大电路模拟信号源的输出，将模拟信号转换为数字信号后，输出到控制器的数字输入端口，控制器通过数据接口电路与外部设备或上位机进行数据通信，实现数据的输入和输出；

12、所述控制器负责采集电路的时序控制，驱动电路参考源的设定，运算放大电路的数模转换以及进行数据接口的串并连转换；

13、所述驱动电路包括：可控参考电压输出和电压跟随电路，所述参考电压控制范围为0至3.3v，控制精度不低于满量程的1‰，所述跟随电路将da输出接口和传感器接口隔离；

14、所述运算放大电路包括：反向比例放大电路，驱动电压经过传感器后转换为电流信号，所述电流信号通过跨阻转换为电压信号，电压信号送入ad模块进行数字量化，数字信号通过数据接口传输至上位机进行处理并显示；

15、所述模数转换电路包括：低通滤波电路和高速模数转换器，运算放大电路的输出依次连接一阶rc低通滤波和高速模数转换器；

16、所述数据接口电路包括：串行接口控制器电路、隔离驱动缓冲器和保护电路，所述串行接口控制器完成数据的并串转换，按照协议商定的数据速率进行数据的收发以及数据校验；所述隔离驱动缓冲器完成单端串行信号至差分信号的转换，并完成基于rs485电气接口电平的匹配及兼容；所述保护电路完成对接口部分的物理保护。

17、第二方面，提供了一种肺冲击伤精准评估方法，该方法包括以下步骤：

18、在冲击伤模型中，通过穿戴可穿戴式高密度阵列的力学影像采集设备实时获取冲击波力学动态影像；

19、将获取的冲击波力学动态影像进行数据处理与特征提取；

20、利用bp神经网络对提取的特征进行深度学习，基于深度学习结果，构建bp神经网络模式识别模型，基于所述bp神经网络模式识别模型，构建冲击波对生物体表界面的力学动态影像软件与致伤评估模型；

21、通过穿戴式高密度阵列的力学影像采集设备实时获取冲击波力学动态影像，将影像数据导入构建的冲击波对生物体表界面的力学动态影像软件与致伤评估模型中，通过对肺脏整体和不同组织区域生物力学数据的分析处理，得到肺脏三维度伤情的精准评估结果。

22、进一步，所述特征提取是采用张量分解的特征提取方法，抽取动态力学影像大数据含有的本质特征，并利用数据特征选择方法和数据流增流学习方法对所述本质特征进行处理。

23、由上述技术方案可知，本发明的有益技术效果如下：

24、1.本发明鉴于肺脏复杂的组织结构、生理特点、脏器毗邻以及肺脏对冲击波非线性瞬态力学响应，肺脏冲击波暴露时对生物力学参数进行网格化时空动态解析，捕获肺脏不同区域的冲击力学动态数据阵列，建立了基于三维时空的动态生物力学-区域组织解剖-整体生理功能的逻辑关系。

25、2.本发明基于爆炸冲击力学分布式阵列思想，网格化动态监测胸壁冲击波压力，捕获防护装具与胸壁的力学过程，即分布式动态力学成像，旨在为肺冲击伤精准评估和防护评价提供核心技术支撑。

26、3.本发明基于生物体表分布式动态力学影像分析系统建立与应用，挖掘该动态力学影像分析系统在肺冲击伤及防具设计相关研究领域的应用价值。本发明中基于碳纳米材料的新型柔性传感器件，具有柔性、轻薄、精度高、可靠性好、可共面形贴附等优势；利用“分布式柔性薄膜智能传感技术”开发出穿戴式高密度阵列的力学影像采集设备，解决了传统单点式测量数据少、空间精度低等技术瓶颈，便于冲击波作用于胸壁界面时，利用分布式压力传感器与采集分析系统三维实时成像，对肺冲击伤实现精准评估。

27、4.本发明能够动态采集爆炸冲击条件下肺脏不同区域冲击波压力峰值和正压作用时间，满足动态实时高精度伤情评估的需求，尤其对不同爆炸当量、不同体位、距离爆心不同位置冲击波暴露的伤员，在尚未出现临床可见病理影像学病变之前，即可对伤员肺脏三维结构伤情对应的的致伤参数、病情迁延和转归提供生物力学表征，为有效实现肺脏冲击伤伤员早期防治、功能康复和远期作业能力评估提供数据支撑。并且设备可穿戴、与体表贴合性好，使用方便，体积小，便于与织物功能整合的优点，无疑是爆炸冲击高危作业环境中精准评估肺冲击伤伤情的一种理想选择，具有良好的应用前景。