新型穿戴式加壓冷療系統(tǒng)的設計與應用

朱 莎 許新建

骨科損傷與術后的護理原則主要包括休息、冷療、加壓包扎、抬高患肢等，其中冷療在骨科患者的治療中發(fā)揮著重要作用，如急性軟組織損傷、消除水腫及減輕疼痛，為后續(xù)治療提供良好基礎；關節(jié)骨折手術前，迅速消除腫脹疼痛，縮短等待手術時間等；關節(jié)鏡術后和各種骨折內外固定術后，消除腫脹，提前康復等[1]。

傳統(tǒng)的冷療法主要有冰袋、乙醇拭浴法及溫水拭浴法，其為確保冷療效果，需定期更換冰袋或者定期拭擦乙醇和溫水。現(xiàn)有的加壓冷療系統(tǒng)是在冷療桶內部加入冰袋，再通過氣泵加壓輸送到冷卻袖帶上，進而達到冷療效果。當患者在冷療過程中需要做其他事情或者有些患者想在散步過程中冷療和戶外冷療，冰袋、乙醇拭浴法、溫水拭浴法等方法維持時間太短，傳統(tǒng)的加壓冷療系統(tǒng)由于結構和供電原因，無法便攜式冷療[2]。基于此，本研究設計一種新型穿戴式加壓冷療系統(tǒng)，采用蓄電池供電和背帶式結構，并具有溫度監(jiān)測系統(tǒng)和壓力監(jiān)測系統(tǒng)，用于告知患者冷療過程中的溫度值和壓力值，提示其及時調整冷療措施，滿足患者的移動冷卻治療[3]。

1 新型穿戴式加壓冷療系統(tǒng)的設計

新型穿戴式加壓冷療系統(tǒng)由單片機控制模塊、蓄電池充電模塊、氣泵加壓模塊、溫度監(jiān)測模塊、壓力監(jiān)測模塊、冰水存儲桶、加壓冷卻系統(tǒng)背帶以及各種冷卻袖帶等組成。氣泵加壓模塊將冰水桶的冰水通過水管加壓到各種冷卻袖帶，便于患者的冷卻治療[4]。系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 中央加壓冷療系統(tǒng)結構框圖

1.1 冷療系統(tǒng)硬件設計

冷療系統(tǒng)硬件由電源模塊和單片機控制模塊組成：①電源模塊包括蓄電池充電電路和系統(tǒng)供電線路；②單片機控制模塊采用的主芯片為AT89S52，主要包括按鍵電路，用于控制冷療時間、開啟中央制冷和中央氣泵加壓等；③顯示電路用于顯示制冷溫度、加壓壓力、治療時間及報錯信息等；④報警電路用于提示治療時間已到及各種報錯信息，設有電源電路、復位電路、晶振電路等[5]。控制電路系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 控制電路系統(tǒng)框圖

1.1.1 電源電路設計

新型穿戴式加壓冷療系統(tǒng)不僅可以采用市電供電，也可以采用蓄電池供電。為實現(xiàn)可穿戴式和長時間供電，本系統(tǒng)采用的蓄電池為鋰聚合物電池，容量為2000 mAh，額定輸入為5 V，整個電池模塊重量輕，電池容量大，適合穿戴式加壓系統(tǒng)的攜帶[6]。電源供電電路和電池充電電路如圖3所示。

圖3 電源供電和電池充電電路圖

圖3 顯示，220 V電壓經(jīng)過D1、D2、D3及D4橋式整流后得到300 V的直流電，再經(jīng)過C1、C2及L1濾波后加到變壓器的初級繞組L2，變壓器的次級繞組L3感應到的電壓經(jīng)過D7、C5、C4及R4進行半波整流和穩(wěn)壓輸出直接電壓5 V，可以直接給加壓冷療系統(tǒng)供電，并可給蓄電池供電。當加壓冷療系統(tǒng)無市電供電時，蓄電池E1經(jīng)過C4和R4后給系統(tǒng)供電。電路中F1為過流保險絲，繞組L4感應輸出電壓的變化進而調節(jié)穩(wěn)壓電路，D5、D6及C3為穩(wěn)壓電路，R2、R3及C6組成尖峰吸收電路[7-8]。

1.1.2 氣泵控制電路設計

為實現(xiàn)加壓冷療，本系統(tǒng)采用氣泵加壓，通過氣泵給冷療桶加壓，冷卻水通過冷卻水管到冷卻袖帶，實現(xiàn)患者的冷卻加壓治療。本系統(tǒng)控制的主芯片采用AT89S52，其端口P0.0通過R6限流和開關管Q2來控制氣泵是否工作，當P0.0輸出高電平，Q2導通，氣泵開始工作[9]。端口XTAL1和XTAL2連接電容C7、C8和晶振Y1組成晶振電路，用于系統(tǒng)定時作用；端口RST連接系統(tǒng)復位電路，整個復位電路由R5、C9、R8及K1組成，但系統(tǒng)出現(xiàn)異常時，通過按下K1后3 s復位，其電路如圖4所示。

圖4 氣泵加壓控制電路圖

1.1.3 壓力監(jiān)測電路設計

冷療系統(tǒng)的壓力監(jiān)測電路采用的高精度傳感器為MPX2100，其監(jiān)測壓力范圍為0～100 kPa，其轉換精度高，靈敏度高，具有極好的線性度，適合冷療系統(tǒng)的壓力監(jiān)測[10](如圖5所示)。

圖5 壓力監(jiān)測電路圖

在壓力監(jiān)測電路中A1和A2構成同相比例運算放大器，其同相端連接MPX2100傳感器的輸出端，A3組成一個差分比例運算電路，將雙端輸入信號變?yōu)閱味说妮敵鲂盘柦oAT89S52進行信號處理。電路增益由R9調整，A4組成的電壓跟隨器用作零壓力調整，在輸入壓力為零時，調整R19可使輸出為零。電路中采用的運算放大器為MC33079，C11通過自身的充放電使電路更穩(wěn)定[11]。

1.1.4 溫度監(jiān)測電路設計

新型穿戴式加壓冷療系統(tǒng)采用的溫度傳感器為DS18B20，其測量范圍為-55～125 ℃，在-10～85 ℃范圍內，精度為(±0.5)℃，可以滿足系統(tǒng)的精確溫度監(jiān)測。其電路如圖6所示。

圖6 溫度傳感器信號采集電路圖

在溫度采集數(shù)據(jù)上，DS18B20的DQ端通過數(shù)據(jù)線連接到AT89S52的P1.1端進行溫度數(shù)據(jù)采集，溫度傳感器的供電電壓為5 V，采用上拉電阻R21連接溫度傳感器的VCC腳和DQ腳[12-13]。

1.2 冷療系統(tǒng)軟件設計

新型穿戴式加壓冷療系統(tǒng)開機后首先進行系統(tǒng)的初始化，然后進行按鍵掃描后系統(tǒng)進行正常的設置狀態(tài)。醫(yī)務人員在給患者確定冷療方案中，可以設定冷療壓力和冷療時間。患者在冷療過程中，系統(tǒng)的液晶顯示器一直顯示冷療時間、冷療壓力和冷療溫度等參數(shù)信息，當治療時間到時報警系統(tǒng)啟動，提示患者冷療結束[14]。其主程序如圖7所示。

圖7 中央加壓冷療系統(tǒng)主程序框圖

2 新型穿戴式加壓冷療系統(tǒng)的應用效果

2.1 冷療系統(tǒng)的應用

冷療通過低于人體溫度的物質作用于體表皮膚，通過神經(jīng)傳導引起皮膚和內臟器官的血管收縮，從而改變機體各系統(tǒng)體液循環(huán)和新陳代謝等活動，達到局部和全身冷療的一種治療方法。冷療一方面對皮下腫脹機制和疼痛的機制改善有良好的效果，但同時也伴隨著繼發(fā)效應；另一方面冷療效果的好壞與冷療系統(tǒng)的冷療時間、冷療溫度以及冷療壓力有很大的關系。

2.2 冷療系統(tǒng)的應用效果

(1)新型穿戴式加壓冷療系統(tǒng)采用的冷媒為冰袋，由氣泵給冷卻袖帶加壓，采用蓄電池供電，進而滿足患者移動式冷卻治療。整個加壓冷療系統(tǒng)具有溫度監(jiān)測、壓力監(jiān)測和時間計時作用，患者在治療過程中可以時時關注冷療時間、冷療溫度和冷療壓力，并可及時調整冷療方案，達到較好的冷療效果。本系統(tǒng)在急性軟組織損傷、退行性骨關節(jié)疾病、關節(jié)鏡術后、各種骨折內外固定術后、韌帶重建術后等病種進行臨床冷療作用中冷療效果良好[15]。冷療效果見表1。(2)新型穿戴式加壓冷療系統(tǒng)不僅可以滿足患者臥床冷療，還可以滿足患者的移動冷療。整個系統(tǒng)與傳統(tǒng)冷療系統(tǒng)設備相比，具有較低功耗，實現(xiàn)較長時間的移動冷療；具有溫度監(jiān)測、壓力監(jiān)測和時間計時功能，便于患者和醫(yī)務人員時時關注冷療狀態(tài)。其新型穿戴式加壓冷療系統(tǒng)與傳統(tǒng)的加壓冷療系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢，見表2。

表1 新型穿戴式加壓冷療系統(tǒng)冷療效果

表2 新型穿戴式加壓冷療系統(tǒng)與傳統(tǒng)冷療設備分析對比

3 結論

持續(xù)加壓冷療對骨科術前和術后各種疾病的消除腫脹、減輕疼痛、加快康復等方面起到了重要作用。采取合適的冷療時間、冷療溫度及冷療深度對患者會有更好的冷療效果。本系統(tǒng)針對傳統(tǒng)冷療方法的不足和缺陷，設計一種新型穿戴式加壓冷療系統(tǒng)，患者和醫(yī)務人員可以時時關注冷療時間、冷療溫度及冷療壓力等參數(shù)，及時調整冷療方案[16]。整個系統(tǒng)不僅可以采用蓄電池供電，也可以采用市電供電，不僅可以滿足患者固定環(huán)境下的冷療，還可以滿足患者的移動冷療。