一種中央加壓冷療系統的設計與應用

毛坤劍

廈門市第五醫院 （福建廈門 361101）

冷療法是將低于人體溫度的物質作用于人體表面，通過神經傳導引起皮膚和內臟器官血管的收縮，以改變患者身體各系統體液循環和新陳代謝，達到治療的目的[1]。冷療是處理急性閉合性軟組織損傷的早期關鍵措施，低溫可以使血管收縮，改變細胞通透性，減少局部滲出及出血，減輕局部炎癥水腫；低溫可以使神經興奮性下降、傳導速度減慢，從而緩解疼痛；低溫還可以使肌肉興奮性及收縮力減低，起到緩解痙攣的作用。傳統的冷療法主要有使用冰袋、乙醇拭浴法、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，而且冷療過程中溫度無法控制，使用起來比較麻煩并且冷療效果不佳。現有的加壓冷療系統也是在冷療桶內部加入冰袋，再通過氣泵加壓到冷卻袖帶上，其冷療溫度無法控制。國內外最新的全自動冷療儀可以實現冷療溫度和冷療壓力控制，但是其均只有一個輸出通道，當患者需要多部位冷療或者同一病房多例患者需要冷療時，需要多臺全自動冷療儀才能滿足使用，使用起來比較麻煩[2]。

基于上述情況，設計一種中央加壓冷療系統，通過中央制冷系統將水冷卻到治療所需溫度，再通過中央水泵對冷卻水進行加壓，并通過多條管道將冷卻水傳送到不同的冷卻袖帶上，同時滿足患者多部位的冷卻治療，或者多例患者的冷卻治療。本系統已獲得實用新型專利，專利號為ZL201820839612.3。

1 系統整體結構

本系統主要由單片機控制模塊、中央制冷模塊、中央水泵加壓模塊、溫度控制與監測模塊、壓力控制與監測模塊、各種冷卻袖帶等組成，中央制冷模塊將內置水箱內的水冷卻到治療溫度后，再通過中央水泵加壓模塊將冷卻水傳送到各類冷卻袖帶上，各類冷卻袖帶包括肩部袖帶、腳關節袖帶、膝關節袖帶、冰帽、冰痰等，其系統結構示意見圖1。

1.1 硬件設計

本系統的單片機控制模塊采用的主控制芯片為STM32，主要包括按鍵電路（控制冷療時間、開啟中央制冷和中央氣泵加壓等）、顯示電路（顯示制冷溫度、加壓壓力、治療時間、報錯信息等）、報警電路[提示治療時間已到、各種報錯信息（包括斷電報警、壓力錯誤報警、溫度錯誤報警等）]，這些信息以液晶顯示的方式顯示在屏幕上，還有電源電路、復位電路、晶振電路等[3]，其系統示意見圖2。

圖1 中央加壓冷療系統結構示意圖

圖2 控制電路系統框圖

1.2 中央制冷模塊設計

本系統的中央制冷模塊主要是實現整個中央冷療系統內置水箱的水冷卻作用，便于患者所需的冷療作用[4]。本系統采用的中央制冷模塊為壓縮式制冷系統，其主要由蒸發器、壓縮機、冷凝器和節流閥組成，其結構示意見圖3。在水制冷過程中，制冷劑由壓縮機排出，此時壓縮機為高溫高壓氣體，經過冷凝器變化為高溫高壓液體，再通過節流裝置將制冷劑變化為低溫低壓液體，再經過蒸發器蒸發，即可使整個水箱的箱體溫度下降，進而達到冷卻水的目的。

圖3 中央制冷模塊結構圖

中央制冷模塊的控制電路圖見圖4。當主控制芯片PD0腳輸出低電平時，三極管Q1導通，進而導致繼電器J1吸合，壓縮機M1就得電進行開啟模式，圖中R1、R2為偏置電阻，C1為啟動電容。

圖4 中央制冷模塊控制電路圖

1.3 中央加壓模塊設計

本系統為能夠改善和增強治療效果，將冷療與加壓相結合，因此該系統具有中央加壓模塊[5]。本系統共有6個通道輸出，相應的每個通道均采用24 V的直流水泵的加壓水泵，冷卻水與冷卻袖帶之間采用水流電磁閥控制，其電路控制見圖5。例如，當第一通道進行冷療時，STM32的PD1腳輸出低電平時，開關管Q2、Q3均導通，一方面繼電器J2吸合，直流加壓電機M2正常工作，另一方面水流電磁閥K1打開，這樣水箱的冷卻水就可以通過氣泵和電磁閥直接流向冷卻袖帶上；當第二通道進行冷療時，STM32的PD2腳輸出低電平時，相應的電磁閥和加壓水泵進行工作，其他通道以此類推。

圖5 中央加壓模塊控制電路圖

1.4 溫度控制與檢測模塊設計

在患者不同康復過程中，為了達到最好的效果，采用的冷療溫度有一定的差別。本系統具有溫度控制模塊，可以控制冷卻溫度為5～20 ℃，用于滿足患者冷療溫度的選擇。本系統采用的溫度傳感器為LM35,其是一種輸出電壓與溫度成正比例的溫度傳感器，其靈敏度為10 mV/℃，工作溫度為0～100 ℃，工作電壓為4～30 V，最大線性誤差為±0.5 ℃，靜態電流為80 μ A[6]。該傳感器最大的特點是使用時無需外圍元件，也無需調試和校準，其電路圖見圖6。從圖6可知，傳感器LM35放置于冷卻水箱的內部，用于檢測冷卻水的溫度，其采集的電信號經過R9和C2電容使采集到的與溫度成比例的電信號更加穩定，再經過放大器Q4進行放大送給模數轉換器ADC0804進行模數轉換，最后送給主芯片STM32，通過顯示模塊顯示出來。

圖6 溫度傳感器電路圖

1.5 氣壓控制與檢測模塊設計

該系統可以根據患者的個體差異選擇需要治療壓力的大小，因此系統具有壓力控制與檢測模塊，可以控制加壓壓力為20～60 mmHg（1 mmHg=0.133 kPa），用于不同患者的壓力選擇。該系統在6個通道加壓上采用6個加壓水泵，實現每個通道壓力的獨立控制。

本系統采用電阻應變式壓力傳感器采集壓力信號并轉換為電信號，在經過運放放大器放大電信號和模數轉換器轉化為數字信號給主控制芯片STM32，其電路圖見圖7。從圖7可知，壓力傳感器K2放置在各通道管路上，采集各通道的冷卻水壓力，其采集的電壓信號通過R12、R13到運放放大器Q5放大后傳輸到主芯片進行處理[7]。

圖7 壓力傳感器信號采集電路

2 軟件設計

該中央加壓冷療系統開機后自動進行系統初始化，醫務人員在確定治療方案過程中，必須確定冷療通道（共6個通道）、治療時間、治療溫度和治療壓力。在治療過程中，液晶屏一直顯示治療時間、治療溫度、治療壓力等數據信息，當治療時間到時，報警電路報警，提示患者治療結束，其主程序見圖8。

圖8 中央加壓冷療系統主程序框圖

3 臨床測試

中央加壓冷療系統通過中央加壓冷療系統主機進行統一的治療溫度、治療壓力、治療時間設計，其前端有6個輸出通道，能實現6個通道壓力的獨立控制，這樣可以同時滿足6例患者的單部位冷卻治療或者單例患者的多部位冷卻治療，其中央加壓冷卻系統主機的外觀結構見圖9。

本系統設計的中央加壓冷療系統可以實現冷療配合局部加壓的治療方案，進一步提高患者的冷療效果。本系統可以根據患者的個體差異、冷療部位、冷療病種等要求，自由的選擇不同的冷療溫度和冷療加壓壓力，滿足患者的各種冷療需求。在臨床運用過程中，一次能夠冷療多例患者膝關節術后、關節炎急性期、偏頭痛與神經痛、高熱中暑等情況，冷療效果更加明顯[8]。整個中央加壓系統有6個通道輸出接口，根據患者的要求，選擇對應的通道連接上肢袖帶、下肢袖帶、腰椎袖帶等不同部位的袖帶，同時滿足多例患者的冷療需求或者單例患者多個部位的冷療使用，進一步滿足患者冷療的需求。其整個系統與傳統的加壓冷療系統具有明顯的優勢，其與同類對比結果，見表1。

4 結語

圖9 中央加壓系統主機

表1 中央加壓冷療系統與傳統冷療設備分析比較

冷療在患者消炎、鎮痛、緩解痙攣、手術康復等過程中起到了重要作用[1]。本系統針對傳統冷療方法的不足和缺陷，設計一種中央加壓冷療系統，通過設定不同的冷療溫度、冷療壓力、冷療時間等參數，并選擇不同部位的袖帶，不僅可以提高患者的冷療效果，而且可以滿足患者多部位的冷療使用。整個系統采用不可移動使用，或者固定在病房上，安裝方便，使用簡單，對于提高醫療質量、方便患者治療具有較大的意義[9]。

本系統由于采用中央加壓和中央冷卻，導致其中央加壓冷卻系統主機過于龐大，占用病房比較大的空間，下一步研究方法是采用更加高效且體積較小的冷卻方式，使整個系統便于便攜式使用。本系統采用中央冷卻系統，所以6個通道的冷卻袖帶溫度相同，為了實現患者不同部位需要不同溫度的需求，進一步研究方向是各通道設計獨立的冷卻系統。