基于微電流和電脈沖的智能繃帶的設計與實現

王奕 徐偉 廖華超 鄧慧琴 宋俊杰 李楊陽

摘要：基于微電流和電脈沖，運用“EMS”微電流和電脈沖技術，設計了一款智能繃帶。詳細闡述了設計原理，重點分析了微電流模塊、電脈沖模塊和給藥模塊的設計方法，最后給出了具體外觀設計方案。該款繃帶實現了“微電流和電脈沖的雙功能刺激器”給電刺激加速傷口愈合和給藥藥量的智能調控。

關鍵詞：微電流；電脈沖；智能繃帶；設計

中圖分類號：TP311? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）36-0009-04

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

0 引言

傳統醫療繃帶只能進行簡單的傷口包扎，無法很好地實時感知傷口狀態和愈合情況等，給傷口處理帶來很大不便。據市場調查了解，目前市面上很少有感知傷口狀態和促進愈合情況的智能繃帶，并且在現有市場類似產品中，在“EMS”微電流和電脈沖技術相關智能繃帶這方面涉及較少。本文基于微電流和電脈沖，設計了一款智能繃帶。利用智能化的數控設計實現全自動實時遠程調控，同時顛覆性地創新了傳統藥物替換式敷藥的給藥方式，搭載的柔性電子材料可實現傷口自動化愈合，同時通過核心芯片的運轉實現傷口創面美化功能。

1 設計原理

1.1 微電流模塊設計原理

通過發送微弱的電流信號，刺激皮膚組織，促進皮膚細胞的代謝和修復，從而加速傷口愈合過程。微電流的刺激還可以減少疼痛感，加強細胞的修復和美化疤痕。微電流模塊的設計需要考慮電流的強度、頻率和波形等因素，以確保安全、舒適和有效的刺激效果。

1.2 電脈沖模塊設計原理

通過產生電脈沖信號，刺激皮膚細胞，促進血液循環和細胞代謝，從而加速傷口愈合。與微電流模塊不同，電脈沖的刺激信號更強，可以穿透更深的皮膚組織，達到更好的刺激效果。電脈沖模塊的設計需要考慮脈沖的幅度、頻率和波形等因素，以確保安全、舒適和有效的刺激效果。

1.3 給藥模塊設計原理

通過智能化的給藥方式，實現給藥的自動化和智能化，提高了給藥的效率和安全性。給藥模塊的設計需要考慮藥物的種類、濃度、給藥方式等因素，以確保藥物的有效性和安全性。同時，給藥模塊還需要與微電流和電脈沖模塊進行配合，實現藥物和電刺激的協同作用。

如圖 1 所示，三個模塊功能的實現可以有效地加速傷口愈合、減少疼痛感和感染風險、提高處理效率和舒適度等優點。

2 微電流模塊設計

2.1 微電流醫學原理

通過發送低頻溫和的電波，透過皮膚組織，導入到人體體內，直達真皮層，刺激人體的電磁場，促進ATP（ATP是腺嘌呤核苷三磷酸的簡稱，是一種不穩定的高能化合物，由1分子腺嘌呤，1分子核糖和3分子磷酸基團組成，水解時釋放出大量能量，是生物體內最直接的能量來源）產生，從而促進膠原蛋白生成，對皮膚組織起到美容的作用，加強了細胞修復[3]。

2.2 微電流控制原理

通過脈沖寬度調制控制改變其可控電阻阻值大小，實現不同低頻電流的輸出。脈沖寬度調制（PWM）是一種模擬控制方式，其主要作用是根據對應載荷的變化來調制晶體管基極或MOS管柵極的偏置，從而實現晶體管或MOS管導通時間的改變，最終達到調控開關穩壓電源輸出的目的[2]。

如圖 2所示，UBE0=UBE1+IE1Re，所以IC1≈IE1=（UBE0-UBE1）/Re，式中的UBE0-UBE1只有幾十毫伏，所以只要幾千歐的Re，就可以得到幾十微安的IC1。

3 電脈沖模塊設計

3.1 電脈沖醫學原理

電脈沖治療疾病的原理在于人體內含有不能導電的電介質和能夠導電的電解質，使得人體同時具有電阻和電容的性質。當施加脈沖電流時，肌體會產生一系列生理化學反應，影響組織和器官的功能，從而提高新陳代謝速度、增強免疫能力、促進受損組織修復和再生。低頻電流可以改變細胞的膜電位，使其興奮并發生收縮；低頻調制的中頻電流可以促進粗纖維興奮，抑制細纖維沖動的傳導，具有良好的鎮痛作用。高頻電流治療疾病時通過作用于機體組織產生的熱效應和非熱效應來實現[3]。同種電流在不同大小和使用方式下對人體的影響也不同。此外，不同組織和器官對電流的反應也有差異，不同的疾病狀況對電流的反應也不相同。

3.2 脈沖控制原理

通過脈沖寬度調制控制改變其高低電平在同一周期中的占比，實現不同脈沖的輸出。通過PWM調節，可以獲得所需電脈沖。

如圖3所示，通過控制CTL1和CTL2兩者的不同電平來輸出不同的電脈沖。

4 給藥模塊設計

4.1 給藥結構設計

4.1.1 中控系統

中控系統整體處于繃帶中層的U型PCB板上。中控系統包括中心數據分析處理器CPU、各類傳感器、柔性電子電路。通過傳感器采集傷口信息，柔性電子層電路傳導，CPU進行數據分析，基于實驗所得的傷口信息-最佳給藥量關系，針對傷口實時信息控制擊穿特制藥盒的擊穿電壓和霧化裝置的可編程電阻，從而控制藥液流速；同時控制電脈沖部分的電流，實現智能化電脈沖療法。

4.1.2 儲藥裝置

儲藥裝置位于繃帶中層U型電路板中央，采用可替換直插式結構。藥盒內部為單元結構，使用絕緣材料分隔，各單元裝載基于實驗所得的最佳單位藥物承載量；與傳感電路接觸面可被特定電壓擊穿。使用時，通過處理器計算過的特定電壓，擊穿所需數量的單元，從而控制給藥總量；藥液通過特殊結構流向給藥通道，實現藥物傳遞（如圖4所示）。

4.1.3 載藥通道與敷面裝置

載藥通道位于U型電路板與藥盒之間，采用疏水性材料制成，上方與藥盒中的渠道結構終端相接，下層與內部接觸層的敷料相接。藥液通過通道進入下層緩釋材料。緩釋材料采用霧化裝置配合可編程電阻構成。液體在通過網狀結構時會受到阻力，此阻力與液體的速度成正比。基于此原理，通過控制可變電阻，控制霧化器的出霧量大小，進行藥物緩釋。與皮膚接觸的敷料層采用水凝膠材料制成的載藥敷面[6]。

4.2 材料應用

中控系統采用柔性U型PCB板，使用柔性FPC材料，實現元器件裝配和導線連接的一體化。儲藥裝置中特制藥盒采用高可塑性環保材料；電路接觸層采用電信號敏感材料。霧化裝置組成主要包括霧化網片和壓電陶瓷兩部分。霧化片采用醫用級Mesh微孔超聲霧化片。壓電陶瓷采用東方金榮公司所產壓電陶瓷。可編程電阻AD5272，是一款msop 10管腳封裝的芯片（如圖5所示）。包括有工作電源、地線、與MCU連接的i2c接口，以及可變電阻的兩端（A-W）。此外，還有一些輔助設置管腳。敷面裝置采用人工合成的復合水凝膠材料。

5 外觀設計

5.1 外觀結構

本智能繃帶主要包含以下8個部分：上外殼、PCB電路、下外殼、柔性電路、給藥結構、擊穿電極層、彈力帶、防護結構（如圖6所示）。

5.2 外觀材料

外部防護層采用聚酯纖維材料。由有機二元酸與二元醇縮聚而成的聚酯經紡絲合成所得的高分子化合物，具有良好的抗皺性和保形性[8]。采用DWR涂層技術，利用納米級涂層材料的微觀結構，在紡織品表面形成一層致密薄膜，有效防止水、油、污垢等污染物滲透及灰塵、沙子等雜質附著。

6 實現

智能繃帶主要分為兩個部分：載體繃帶＋智能芯片結構。整體外觀上為嵌套式外形，便于產品進行局部替換，延長產品使用壽命，從而實現產品的多次循環使用。繃帶由傳感器、芯片、電池、導電纖維、PB分子和布料制成，易于制造和獲取。使用大量柔性電子材料，具有可彎曲、可延展、輕薄、便捷且易于收納攜帶的特點。繃帶兩側是彈性可延伸布料，可根據病發部位調整長度。內側附嵌兩塊魔力貼，對傷痛部位進行加固。智能繃帶的立體示意圖和側面示意圖如圖7、圖8所示。

智能芯片的結構主要包括三個部分：外部防護層（放置藥品保護設備）+中間電路層（給電信號傳輸）+ 內部接觸層（信號采集部位）。外部防護層主要采用聚酯纖維，用來隔絕外部物理因素對設備的影響，延長設備使用壽命；中間電路層采用柔性U型PCB板，用來放置主控芯片及各種元器件；內部接觸層主要采用了水凝膠類敷料，防止體外微生物感染和體液散失，可傳輸氧氣，促進傷口愈合，擴散給藥以及放置傳感器引腳并采集數據。外部防護層、中間電路層和內部接觸層這三層之間存在一條水凝生物通道，方便藥物從防護層沿生物通道直接抵達內部接觸層，并與傷口產生藥理反應；電路層傳感器由相應數據采集引腳連通至內部接觸層；智能芯片內部結構展示如圖9所示。

以PIC16LF1936作為本產品的主控芯片；選用BS812A-1壓力傳感器芯片，主要用于檢測傷口外部對傷口產生的壓迫力，并由ADDA通道將所采集的信息傳送給主控芯片；通過裝載NCD4437S1芯片的心率血氧傳感器，采集智能繃帶穿戴人士的相關健康數據，便于患者更加清楚直觀地了解自身的身體狀況。采用“皮膚貼片”傳感器，通過化學傳感和血壓檢測對傷口愈合情況以及對人體健康信息進行更加仔細完善的采集處理；通信模塊利用藍牙通信方式，采用CC2640R2FRHBR藍牙芯片；基于“EMS微電流”，通過發送低頻溫和的電波，透過皮膚組織，導入人體體內，直達真皮層，刺激人體的電磁場，促進ATP產生，從而促進膠原蛋白生成，對皮膚組織起到美容作用，加強細胞修復。基于“電脈沖療法”，通過對皮膚實施短而強的電流刺激，增加血管通透性，幫助血管將白細胞和氧氣輸送到傷口，加快傷口愈合。同時，電流大小可根據局部傷口的發展狀況動態化調節。智能給藥系統通過傳感器收集傷口數據，由主控芯片進行分析后，對霧化裝置的可編程電阻進行調節控制電阻網絡從而控制藥液流速，對傷口進行給藥。

7 結束語

本文基于微電流和電脈沖的設計并實現了一款智能繃帶。通過刺激皮膚組織，促進膠原蛋白生成，加速傷口愈合，同時具有美容作用。該款智能繃帶創新給藥方式，實現給藥藥量的智能調控，降低傷口感染風險，有效延長產品的使用周期，具有智能化、自動化和便捷化的特點，具有較高的實際應用價值。

參考文獻：

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[4] 本刊綜合.智能電子繃帶或可加快糖尿病傷口愈合[J].人人健康，2023（7）：17.

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[7] 張夢然.智能繃帶促傷口無痕修復[J].老同志之友（下半月），2023（3）：47.

[8] 蔣澤鋒，劉穎.淺析草木染在不同面料上的運用[J].山東紡織經濟，2019（9）：42-44.

【通聯編輯：李雅琪】