具有非接触控制的可穿戴屏障系统、设备和方法
相关申请
本申请要求于2016年1月7日提交的美国临时专利申请No.62/275,995的权益，其内容通过引用整体上并入本文。
技术领域
本发明的实施例一般而言涉及用在危险环境(包括医疗、手术和现场环境)中的屏障设备、过滤设备和个人保护系统。某些实施例保护医疗专业人员免于暴露于空气传播的污染物和体液，并且还保护患者、医疗专业人员和观察者在外科手术期间免于交叉污染。某些实施例更特别地涉及头盔、头罩、口罩、护面罩、长袍(toga)或其它可穿戴装置，用于保护医疗保健专业人员、患者或观察者在手术、其它医疗过程、急救医学、现场受害者的治疗等期间免于暴露于生物危害性材料。
背景技术
屏障设备和个人保护系统用在医疗和外科手术过程中，以在外科手术人员和患者之间提供无菌屏障。在这种过程期间(并且尤其是在整形外科手术期间)，钻头或动力锯常常从患者的外科手术伤口向外科医生生成喷雾、飞溅和气溶胶。这使外科医生暴露于感染的风险中。传统的外科手术口罩和杯子不能完全保持外科手术伤口的无菌性。在一些情况下，来自外科手术团队的身体物质(例如，汗液、头发、头皮屑或甚至唾液)可能感染患者。由于这些原因，尤其是在整形外科手术中，外科手术头盔已经使用了很多年。常规的外科手术头盔可以包括用于空气循环的电池供电的风扇和覆盖头盔的无菌罩，并且具有透明的眼罩、镜头或其它视觉元件。
在美国专利No.5,054,480中公开了一种这样的系统，该专利的内容通过引用并入本文，该专利公开了这种系统的基本结构。具体而言，传统系统包括支撑长袍的头盔，也称为盖布或罩。(术语“长袍”、“盖布”和“罩”在本文中可互换使用，并且旨在具有相同的含义。)这个组合由想要建立无菌屏障的医务人员穿戴。罩包括透明的护面罩。头盔包括通风单元，其包括风扇。通风单元通过罩吸入空气，使空气在穿戴者周围循环。这样可以减少锁在长袍/罩内的热量和在这个空间中积聚的二氧化碳(CO2)。还已知将灯安装到头盔。被指引通过护面罩的光照明外科手术部位。
穿戴罩会在操作人员的头部周围形成闭合的腔室，其表示加热元件(通过辐射和/或对流)以及热且潮湿的呼吸空气源两者，其中CO2浓度高达40,000ppm。在腔室与周围环境之间没有空气交换的情况下，产生所谓的“桑拿效应”，从而导致在腔室内温度高达32℃，湿度高达85％(相对湿度)，CO2浓度高达40,000ppm。为了避免这种效应，现有技术的外科手术保护系统包括具有过滤元件的罩，其支持空气交换并且提供透气性。这通常使用将空气移入腔室并使腔室内的空气循环的风扇来实现。
在Diaz等人的美国专利No.6,481,019、VanDerWoude等人的美国专利No.9,173,437以及Giorgio Rosati等人提交的美国专利申请No.13/984,908中公开了其它个人保护系统，其中每个的内容通过引用整体上并入本文。例如，VanDerWoude等人描述了一种具有罩、风扇、灯和头盔的系统，其带有用户可以用手致动的控制开关。
待解决的问题
本发明人已经认识到并识别出用于医疗保健专业人员的常规过滤服装系统的多个缺点。
一些系统在操作人员的头部腔室和主风扇的进气漏斗之间建立旁路，这允许来自操作人员头部腔室内的废气被抽回到腔室中，由此降低新鲜空气交换率，尤其是对于具有低透气性(即，高细菌过滤效率)的过滤器。因此，由主进气风扇输送的大部分空气是废气而不是新鲜的环境空气。这种效应随着过滤材料的透气性降低而增加。
另一个缺点涉及穿戴困难。在戴上头盔、调整头盔并将头盔的电源线连接到电池组之后，常规罩的用户通过以下三个步骤穿戴设备：(1)展开罩，(2)将视觉元件附连到头盔，以及(3)将织物拉到头盔上。
已知的穿戴概念需要在手术室中至少一个无菌或非无菌支持个人的帮助，以避免穿戴期间违反(手术衣的所有外表面)的无菌性。常规的罩使用头盔上的固定位置视觉元件框架。在将罩或长袍附连到面部前方的期间，由于织物的不透明性质，可视性大大降低。这禁止用户执行下一步—由他或她自己将织物拉到头盔上，因为织物外部与非无菌身体部分接触的可能性太高。因此，需要无菌穿着的支持个人来执行织物拉动步骤(3)。可替代地，非无菌穿着的支持个人也可以执行步骤(3)，其限制是仅接触织物的内部或仅接触随后被无菌手术服覆盖的织物的部分。
另一个缺点涉及风扇速度控制的困难。除其它因素外，所需的空气交换率取决于环境空气温度和湿度、外科手术过程期间的身体活动、人体的具体热量输出和精神压力水平，以及个人对空气条件和空气质量的偏好。一些常规的手术保护系统提供风扇速度的用户可调节性，以增加或减少空气输入。更高或更低的空气输入导致更高或更低的空气循环，这可以改善外科医生的舒适度。所需的空气循环量可以根据外科医生的个人偏好或者他或她在手术的不同阶段期间的身体活动而变化，其在各种时刻可以更轻或更重。
常规的外科手术头盔通过放置在头盔上某处的按钮或开关来调节风扇速度。为了调整风扇速度，外科医生必须按下机械按钮或激活位于无菌屏障(罩或长袍)下方的触摸开关，因此必须触摸屏障。这既不安全也不方便。在手术期间，头盔常常被无菌盖布覆盖，并且外科医生必须戴外科手术手套。激活开关常常是困难且不方便的，因为外科医生既不能看到也不容易感觉到开关的位置。这是不安全的，因为按钮或开关在某些情况下可能被污染，例如，通过与灯、同事或未消毒部分的未注意到的接触。通过触摸不再无菌的开关，外科医生可以污染他的手、其他人和其它表面。
发明内容
本公开的实施例通过采用以下特性中的一个或多个的个人保护系统和设备来解决这些问题并提供其它益处：具有增强的新鲜空气循环的进气风道；易于穿戴的罩-头盔界面；自由流动的主风道；自动气流控制；以及非接触式用户界面。
在一个实施例中，本发明是屏障系统。该系统包括：头部单元(例如，708)，被成形为待被戴在穿戴者的头上；罩(例如，704)，位于头部单元上方并形成腔室(例如，212)；一个或多个传感器(例如，1902)，位于腔室内并被配置为产生一个或多个传感器输出信号；以及控制器(例如，1904)，连接到一个或多个传感器，并且被配置为基于一个或多个传感器输出信号产生一个或多个控制器输出信号。
在另一个实施例中，本发明是控制屏障系统内的设备的方法，该屏障系统包括头部单元(例如，708)、罩(例如，704)、一个或多个传感器(例如，1902)、以及控制器(例如，1904)。该方法包括：(a)感测一个或多个特征；(b)基于感测到的一个或多个特征产生一个或多个传感器信号；(c)转换和/或处理一个或多个传感器信号以产生一个或多个控制器输出信号；以及(d)基于一个或多个控制器输出信号控制设备。
在另一个实施例中，本发明是屏障设备。该屏障设备包括：头部单元(例如，708)，被成形为待被戴在穿戴者的头上；罩(例如，704)，位于头部单元上方并形成腔室(例如，212)；一个或多个传感器(例如，1902)，位于腔室内并被配置为产生一个或多个传感器输出信号；以及控制器(例如，1904)，连接到一个或多个传感器，并且被配置为基于一个或多个传感器输出信号产生一个或多个控制器输出信号。
在另一个实施例中，本发明是用于控制屏障系统内的设备的装置，该屏障系统包括头部单元(例如，708)、罩(例如，704)、一个或多个传感器(例如，1902)、以及控制器(例如，1904)。该装置包括：(a)用于感测一个或多个特征的元件；(b)用于基于感测到的一个或多个特征产生一个或多个传感器信号的元件；(c)用于转换和/或处理一个或多个传感器信号以产生一个或多个控制器输出信号的元件；以及(d)用于基于一个或多个控制器输出信号控制设备的元件。
附图说明
当结合附图考虑时，通过参考以下详细描述，将容易认识到并更好地理解本发明的其它优点，其中：
图1是本公开的实施例中的示例性外科手术头盔的透视图。
图2是图1中所示的外科手术头盔的俯视图。
图3是本公开的实施例中具有顶部安装的风扇的第一示例性头部单元的剖视图。
图4是图3中所示的头部单元的一部分的剖视放大图。
图5和6示出了本公开的实施例中具有底部安装的风扇的第二示例性头部单元。
图7-15示出了本公开的实施例中的示例性易穿戴罩-头盔界面。
图16是本公开的实施例中具有两个灯的示例性外科手术头盔的透视图。
图17和18示出了本公开的实施例中的示例性头部单元中的示例性风道。
图19示出了本公开的实施例中的示例性非接触控制系统的框图。
图20-22示出了示例性非接触控制序列和移动。
图23示出了基于温度的示例性用户可调节风扇速度的曲线图。
具体实施方式
本公开的实施例通过采用以下特性中的一个或多个来解决这些问题并提供其它益处：具有增强的新鲜空气循环的进气风道；易于穿戴的罩-头盔界面；自由流动的主风道；自动气流控制；以及非接触式用户界面。
参考图1，本发明的实施例中的示例性外科手术头盔100包括：头部单元102、安装在头部单元102上的镜头框架(lensframe)104，以及用于将头部单元102固定在用户的头部上的可调节头带106。
参考图2，头部单元102包括被配置为引导进气气流204的风扇进气风道202(形成区1)、安装板206、安装在安装板206的下侧的进气风扇208、被指引进入位于头部单元102的一部分内的主风道212的风扇出口210，以及密封边缘214。
具有增强的新鲜空气循环的进气风道
本公开的实施例可包括进气风道，其适于提供增强的新鲜空气循环。图2和3示出了本公开的一个实施例中的示例性进气风道202。
参考图2，头部单元102包括进气风道202，其与进气风扇208和产生气室306(区1)的过滤材料302(例如，由罩的织物形成)组合，这在图3中示出。在操作期间，新鲜的环境空气304被风扇208通过过滤器302吸进气室306(区1)(并进一步通过风扇208进入操作人员的头部腔室306。风扇进气风道202靠过滤材料302和风扇208被密封，从而产生低压的局部区域，由此迫使空气仅通过过滤材料302被吸入。这种布置确保操作人员的头部腔室306和风扇进气风道202之间不产生旁路。
由于进气风道202(区1)中的局部低压，风扇进气风道202和过滤材料302之间的密封被流体动力促进。这种效应有助于产生密封，即使在过滤器材料302松散地放置在风扇进气风道202上而没有附加的固定元件的情况下，如图3所示。密封边缘214可靠地密封，因为由于负压，其维度使得过滤器是凹的(相对于密封边缘214的大致平面的角度x°>0)。
密封边缘214还通过过滤材料302在周围表面上方的突出而可靠地密封。此外，提供风扇208和风扇进气风道202之间的可靠密封。
图5和6示出了本公开的另一个实施例中的另一个示例性进气风道502。与图3中所示的实施例类似，风扇组件500包括具有密封边缘502的进气风道504，以及具有风扇进口508和风扇出口510的风扇506。但是，风扇组件500被配置为使得风扇凹入进气风道506的上表面下方，并且被底部安装在风扇出口510内，而不是顶部安装在升高的安装板206上。相比之下，图4中所示的实施例不需要升高的安装板。
本发明人已经通过实验确定，在一个实施例中，由风扇208产生的负压在具有下边界真空压力和上边界真空压力的预定负压范围内。下边界真空压力是过滤材料302被拉低到它干扰进气气流202的压力。在下边界真空压力下，过滤材料使进气气流减少到使得气流不足以进行足够的通风，这使得头盔无法使用。上边界真空压力是过滤材料302不能在密封边缘214处提供足够密封的压力。上边界和下边界真空压力取决于过滤材料302的特征。
本发明人还通过实验进一步确定进气气流是非线性函数，其在最佳真空压力下具有拐点，该最佳真空压力取决于过滤材料的类型而变化。假设风扇在初始环境压力下开始操作，负压的量值最初随着风扇速度的增加而增加。随着负压增加，进气气流相应地依照负压的正函数增加，并且最终在最佳真空压力下达到最大气流量。
令人惊讶的是，本发明人发现，如果负压继续增加超过最佳压力，那么气流开始减小，而不是像通常预期的那样增加。因此，当负压的量值大于最佳真空压力时，进气气流是负压的负函数。这些结果违反直觉并且是意外的。
发明人还发现，即使对于给定的风扇，风扇的安装方式和进气风道202的形状可能导致更多的气流或更少的气流，这取决于施加在过滤材料302上的负压的量值以及对于给定过滤材料的最佳真空压力。他们还发现，当某些风扇顶部安装在头部单元102内时，如图3中所示，它们施加较小的真空压力，而当那些风扇底部安装时(如图4中所示，如下所述)，它们施加更大的真空压力。发明人还发现，在某些情况下，由这种风扇产生的真空压力可以超过最佳真空压力(即，经过拐点的压力)，使得通过顶部安装风扇降低真空压力产生更大的气流，而不是更小的气流。
因而，发明人已经发现并识别出某些底部安装的风扇产生不充分的通风的问题，并且通过提供图3中所示的升高的安装板解决了该问题，这允许风扇被顶部安装，并由此降低真空压力及增加气流。另外，当这种风扇是顶部安装而不是底部安装时，由于更大的气流，风扇尺寸可以减小，由此实现了效率的意外增加和节省成本，这使得头盔在市场上更具竞争力。
易穿戴的罩-头盔界面
本公开的实施例可以包括易穿戴的罩-头盔界面。图7-16示出了本公开的一个实施例中的示例性易穿戴的罩-头盔界面。在这个实施例中，视觉元件框架706(下文中称为镜头框架706)适于绕枢轴点或沿着头部单元708上的槽孔链节(slotted link)转动，由此允许用户在穿戴期间完全可见，这减少了无意接触手术衣的可能性。颜色编码的带子702(在这个示例中为灰色(702b)和白色(702a))允许用户将罩704拉过他或她自己的头部，从而维持与罩704本身的外表面的安全距离。
在与本公开的一个实施例一致的示例性穿戴顺序中执行以下步骤：
如图7所示，步骤1涉及拆开和展开罩704的外保护衣。罩704从里向外折叠以减少污染的风险。颜色编码的带子702a、702b指示在何处抓住罩704以完成穿戴。穿戴后，这些带子将停留在外科手术衣的下面。
现在转向图8，步骤2涉及将折叠的罩704附连在镜头框架706上，处于打开位置。通过位于镜头框架706的下部中心(在那里镜头框架折叠到打开位置很容易看到)的定心钩(centering hook)(如图16中所示)以及沿着透镜框架706的数个钩环紧固件或磁铁提供几何引导。
图9至11示出了步骤3的子步骤3a、3b和3c，其涉及使用颜色编码的带子702将罩正面704a(示为灰色阴影)和背面704b(示为白色)拉过头盔710(由镜头框架706和头部单元708形成)和用户的头部。由于镜头框架706被折叠到打开位置，因此带子容易看到。选择带子702的长度，以避免与罩704的外表面无意接触。在将正面704a(灰色)拉向用户的胸部并将后面704b向上拉到用户的头部上方的过程中，镜头框架将自动折叠到操作位置，其中罩正面704a的透明窗口部分1002(下文中称为镜头1002)定位在镜头框架706上方。
图12示出了示例性的枢轴点型转动机制，并且图13示出了示例性的槽孔链节型转动机构。这些机制中的一个或两个可以用在本公开的实施例中。镜头框架706的转动动作是绕枢轴点1202(图12中以断线示出)的旋转或沿着由头部单元708和镜头框架706的垂挂物(tab)1304中的槽1302(图13中以断线示出)形成的槽孔链节的滑动运动。
现在参考图14，相对于垂直线，镜头框架706(以及因此还有镜头1002)朝着下巴区域倾斜(以x°的角度)。这个角度促进用户鼻子和嘴周围新鲜空气流的集中、最大化朝着患者的视场，并在前额处在罩内产生空间用于最佳的空气动力学和配件(诸如LED灯(如图16中所示)和相机(未示出))。
图15示出了利用围绕头部的垂直中心线的上半径R1和围绕相同中心线的下半径R2，作为视觉元件的镜头1002被设计为围绕用户的面部区域的曲线。在一些个实施例中，两个半径是相同的。
图16示出了本公开的一个实施例中的外科手术头盔1600的实施例，其包括双头灯1602、1604和镜头对准夹1606。常规的外科手术头盔通常仅包括一个头灯。通过用户反馈，发明人发现一个头灯是不令人满意的，因为它提供了窄聚焦的光束，其对于外科手术目的而言常常太暗。发明人通过提供两个头灯解决了这个问题。
自由流动的主风道
本公开的实施例可以包括自由流动的主风道。图17和18示出了本公开的一个实施例中的示例性自由流动的主风道。
由于人体工程学原因(重量平衡)，主进气风扇(例如，风扇208)通常位于头的后部。这需要通过风道将新鲜空气向前朝位于前额附近的喷嘴引导。因此，头部的上部(发际线上方)应当在使用期间用新鲜凉爽的空气冲洗。此外，为了系统的积极人体工程学配合，头盔组件应当具有相对较轻的重量和较低的重心。
如图17和18中所示，头部单元708包括风道组件，该风道组件包括一个上表面1302、两个侧边界表面(例如，1704)和至少一个底部开口(例如，1802)，布置成使得第四边界表面(或屏障)1706部分地由颅骨本身的上部形成。这种配置允许减轻重量，同时保持在发际线上方的头部冲洗。
自动气流控制
本公开的实施例可以包括自动气流控制。现在参考图19，示出了本公开的一个实施例中的示例性自动气流控制系统1900。
自动气流控制自动补偿变化因素(诸如外科手术过程期间的身体活动或精神压力水平)的微气候效应，由此减少在使用期间手动调节风扇速度的需要。这导致越来越关注手头的外科手术任务，以及减少手和罩/长袍之间的故意接触的量，这些本质上是潜在的污染源。
如图19中所示，一个或多个传感器1902测量无菌罩内的直接或间接微气候条件。传感器1902可以位于罩702内的任何位置。在一个实施例中，传感器1902定位在安装在头部单元408上的电子板(未示出)上。
传感器1902连接到控制器1904，控制器1904被配置为接收一个或多个传感器信号并基于此生成风扇速度控制输出信号。在一个实施例中，控制器1904包括风扇速度调节(FSA)算法，该算法将一个或多个传感器信号转换成变化率信号并进一步(例如，经由放大器、电平移位器、模数转换器、数模转换器或与这些设备对应的算法)将其转化为输出信号，该输出信号被发送到风扇速度控制单元1906。控制器的输出信号包括例如风扇速度(RPM)随时间的期望变化率和变化方向(增加或减少)的具体信息。最后，变速风扇1908以由风扇速度控制单元的输出信号确定并与其对应的速度操作。
在一个实施例中，控制器1904是具有软件的数字处理器，该软件基于用户的具体个人需要或者手术室或现场条件(包括例如环境温度和环境阳光)来配置。数字处理器可以是通用微处理器、数字信号处理器或数字微控制器。
根据控制电路领域的普通技术人员已知的技术，控制器1904和风扇速度控制单元1906各自可以包括模拟控制电路、数字处理器、信号处理器或其任意组合。控制器1904和风扇速度控制单元1906还可以连接到音频或视觉信令设备(未示出)，以向用户指示所选择的风扇速度。
本公开的实施例可以包括以下传感器特性中的一个或多个：
1.绝对和/或差异温度测量，使用两个温度传感器，测量进气温度和罩内的空气温度(排气温度)；
2.湿度感测，使用湿度传感器，测量罩内空气的相对湿度；
3.CO2感测，测量绝对CO2水平，例如，通过使用非色散红外检测器(NDIR)；
4.运动感测，测量头部的静态和动态加速度，作为物理活动(以及因此加热性能)的表示，例如，经由一个或多个加速度计；
5.位置或倾斜感测，例如，经由位置传感器或倾角仪；
6.语音感测，例如，经由麦克风；
7.语音识别传感器，例如，经由通过有线或无线接口连接到控制器1904的基于微处理器的便携式计算机或智能电话；以及
8.接近感测，例如，通过电容、红外或光电传感器。
图20示出了其中传感器1902包括安装在头部单元708上的运动传感器的实施例。在方框2002中，运动传感器检测一个或多个头部移动。在方框2004中，控制器1904中的FSA算法基于检测到的一个或多个头部移动来确定用户活动的质量和数量。在方框2006中，风扇速度控制单元基于所确定的用户活动自动调节风扇速度。例如，在高活动期间，控制器1904产生使风扇速度控制单元1906增加风扇速度的输出信号。相反，在低活动期间，控制器1904产生使风扇速度控制单元1906降低风扇速度的输出信号。
在使用系统期间的任何时间，用户可以手动增加或降低风扇速度，以将微气候调节到他或她的实际个人偏好。期望使用非接触用户界面来执行这种手动调节，这在下面描述。
非接触用户界面
本公开的实施例可以包括非接触用户界面。图21示出了在本公开的一个实施例中用户采用非接触用户界面的示例性方法。如图所示，用户的前臂、手腕和/或手接近他或她的下巴区域直到距离镜头框架在3cm和10cm之间的距离，并且更优选地在4cm和7cm之间，并且最优选地是5cm，从而通过与他或她的手的视觉接触，始终控制他或她的手臂位置和到无菌罩702的距离。接近传感器(例如，图19中的1902)检测接近并向信号处理器(例如，图19中的控制器1904)发送控制信号。系统利用可听和/或视觉反馈向用户确认信号输入。
在这个实施例中，电容性或光电传感器被用作接近传感器。现有技术的光电传感器是有利的，因为它们能够测量传感器和传感器目标之间的距离。这允许传感器区分手势并降低用户意外输入的风险。
此外，光电传感器可以补偿掩蔽传感器区域的透明材料。在这个实施例中，这种补偿是相关的，因为传感器位于罩704的透明无菌镜头的后面。一旦传感器输入符合预设参数(例如，用户的手和传感器之间的距离)，传感器发送信号到信号处理单元(例如，控制器1904)。以上在“自动气流控制”标题下描述了进一步的处理。
图22示出了本公开的实施例中用户采用非接触用户界面的另一个示例性方法。在这个实施例中，运动传感器安装在头部单元708上。控制器1904被配置为监视用户头部的移动并将用户头部的一个或多个预定移动(例如，如图像2202中所示的不自然的向后头部倾斜)解释为具体的用户输入或命令。控制器1904还被配置为基于用户的命令控制风扇或其它附件(诸如灯或其它设备)和/或在手动风扇控制模式与自动风扇控制模式之间切换。在一个实施例中，控制器1904还被配置为通过生成可听声音或视觉信号来响应命令。
因此，在方框2204中，控制器1904确定用户的运动与预定的用户输入对应。在方框2206中，响应于用户输入，控制器1904产生确认声音。并且在方框2208中，控制器1904产生对应的输出信号，例如，与自动风扇速度模式控制设置、具体的手动风扇速度和/或光控制设置对应。
在一个实施例中，控制器1904被配置为提供用户可调节的自动风扇控制模式，其结合自动风扇速度控制和手动风扇速度控制。控制器1904中的FSA算法自动选择作为温度梯度的函数的风扇速度设定点，但是它还允许用户根据用户的需要将自动选择的设定点调节到更高或更低的点。
图23是示出由FSA算法在不同温度梯度下自动选择的风扇速度的曲线图。在一个实施例中，FSA算法采用五个级别的用户可调性(级别1到5)，如下表所示：
本文对“一个实施例”或“实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性可以包括在本公开的至少一个实施例中。在说明书中各处出现的短语“在一个实施例中”不一定都指相同的实施例，也不一定是与其它实施例互斥的单独或替代实施例。
虽然已经依据本文描述并在附图中图示的示例性实施例阐述了本公开，但是应当理解的是，这种公开纯粹是说明性的而不应当被解释为限制性的。因此，在阅读本公开之后，可以向本领域技术人员建议各种更改、修改和/或替代实施例及应用。因而，意图将本公开解释为涵盖落入本公开的真实精神和范围内的所有更改、修改或替代实施例及应用。
