新型穿戴式加压冷疗系统的设计与应用

朱 莎 许新建

骨科损伤与术后的护理原则主要包括休息、冷疗、加压包扎、抬高患肢等，其中冷疗在骨科患者的治疗中发挥着重要作用，如急性软组织损伤、消除水肿及减轻疼痛，为后续治疗提供良好基础；关节骨折手术前，迅速消除肿胀疼痛，缩短等待手术时间等；关节镜术后和各种骨折内外固定术后，消除肿胀，提前康复等[1]。

传统的冷疗法主要有冰袋、乙醇拭浴法及温水拭浴法，其为确保冷疗效果，需定期更换冰袋或者定期拭擦乙醇和温水。现有的加压冷疗系统是在冷疗桶内部加入冰袋，再通过气泵加压输送到冷却袖带上，进而达到冷疗效果。当患者在冷疗过程中需要做其他事情或者有些患者想在散步过程中冷疗和户外冷疗，冰袋、乙醇拭浴法、温水拭浴法等方法维持时间太短，传统的加压冷疗系统由于结构和供电原因，无法便携式冷疗[2]。基于此，本研究设计一种新型穿戴式加压冷疗系统，采用蓄电池供电和背带式结构，并具有温度监测系统和压力监测系统，用于告知患者冷疗过程中的温度值和压力值，提示其及时调整冷疗措施，满足患者的移动冷却治疗[3]。

1 新型穿戴式加压冷疗系统的设计

新型穿戴式加压冷疗系统由单片机控制模块、蓄电池充电模块、气泵加压模块、温度监测模块、压力监测模块、冰水存储桶、加压冷却系统背带以及各种冷却袖带等组成。气泵加压模块将冰水桶的冰水通过水管加压到各种冷却袖带，便于患者的冷却治疗[4]。系统结构如图1所示。

图1 中央加压冷疗系统结构框图

1.1 冷疗系统硬件设计

冷疗系统硬件由电源模块和单片机控制模块组成：①电源模块包括蓄电池充电电路和系统供电线路；②单片机控制模块采用的主芯片为AT89S52，主要包括按键电路，用于控制冷疗时间、开启中央制冷和中央气泵加压等；③显示电路用于显示制冷温度、加压压力、治疗时间及报错信息等；④报警电路用于提示治疗时间已到及各种报错信息，设有电源电路、复位电路、晶振电路等[5]。控制电路系统如图2所示。

图2 控制电路系统框图

1.1.1 电源电路设计

新型穿戴式加压冷疗系统不仅可以采用市电供电，也可以采用蓄电池供电。为实现可穿戴式和长时间供电，本系统采用的蓄电池为锂聚合物电池，容量为2000 mAh，额定输入为5 V，整个电池模块重量轻，电池容量大，适合穿戴式加压系统的携带[6]。电源供电电路和电池充电电路如图3所示。

图3 电源供电和电池充电电路图

图3 显示，220 V电压经过D1、D2、D3及D4桥式整流后得到300 V的直流电，再经过C1、C2及L1滤波后加到变压器的初级绕组L2，变压器的次级绕组L3感应到的电压经过D7、C5、C4及R4进行半波整流和稳压输出直接电压5 V，可以直接给加压冷疗系统供电，并可给蓄电池供电。当加压冷疗系统无市电供电时，蓄电池E1经过C4和R4后给系统供电。电路中F1为过流保险丝，绕组L4感应输出电压的变化进而调节稳压电路，D5、D6及C3为稳压电路，R2、R3及C6组成尖峰吸收电路[7-8]。

1.1.2 气泵控制电路设计

为实现加压冷疗，本系统采用气泵加压，通过气泵给冷疗桶加压，冷却水通过冷却水管到冷却袖带，实现患者的冷却加压治疗。本系统控制的主芯片采用AT89S52，其端口P0.0通过R6限流和开关管Q2来控制气泵是否工作，当P0.0输出高电平，Q2导通，气泵开始工作[9]。端口XTAL1和XTAL2连接电容C7、C8和晶振Y1组成晶振电路，用于系统定时作用；端口RST连接系统复位电路，整个复位电路由R5、C9、R8及K1组成，但系统出现异常时，通过按下K1后3 s复位，其电路如图4所示。

图4 气泵加压控制电路图

1.1.3 压力监测电路设计

冷疗系统的压力监测电路采用的高精度传感器为MPX2100，其监测压力范围为0～100 kPa，其转换精度高，灵敏度高，具有极好的线性度，适合冷疗系统的压力监测[10](如图5所示)。

图5 压力监测电路图

在压力监测电路中A1和A2构成同相比例运算放大器，其同相端连接MPX2100传感器的输出端，A3组成一个差分比例运算电路，将双端输入信号变为单端的输出信号给AT89S52进行信号处理。电路增益由R9调整，A4组成的电压跟随器用作零压力调整，在输入压力为零时，调整R19可使输出为零。电路中采用的运算放大器为MC33079，C11通过自身的充放电使电路更稳定[11]。

1.1.4 温度监测电路设计

新型穿戴式加压冷疗系统采用的温度传感器为DS18B20，其测量范围为-55～125 ℃，在-10～85 ℃范围内，精度为(±0.5)℃，可以满足系统的精确温度监测。其电路如图6所示。

图6 温度传感器信号采集电路图

在温度采集数据上，DS18B20的DQ端通过数据线连接到AT89S52的P1.1端进行温度数据采集，温度传感器的供电电压为5 V，采用上拉电阻R21连接温度传感器的VCC脚和DQ脚[12-13]。

1.2 冷疗系统软件设计

新型穿戴式加压冷疗系统开机后首先进行系统的初始化，然后进行按键扫描后系统进行正常的设置状态。医务人员在给患者确定冷疗方案中，可以设定冷疗压力和冷疗时间。患者在冷疗过程中，系统的液晶显示器一直显示冷疗时间、冷疗压力和冷疗温度等参数信息，当治疗时间到时报警系统启动，提示患者冷疗结束[14]。其主程序如图7所示。

图7 中央加压冷疗系统主程序框图

2 新型穿戴式加压冷疗系统的应用效果

2.1 冷疗系统的应用

冷疗通过低于人体温度的物质作用于体表皮肤，通过神经传导引起皮肤和内脏器官的血管收缩，从而改变机体各系统体液循环和新陈代谢等活动，达到局部和全身冷疗的一种治疗方法。冷疗一方面对皮下肿胀机制和疼痛的机制改善有良好的效果，但同时也伴随着继发效应；另一方面冷疗效果的好坏与冷疗系统的冷疗时间、冷疗温度以及冷疗压力有很大的关系。

2.2 冷疗系统的应用效果

(1)新型穿戴式加压冷疗系统采用的冷媒为冰袋，由气泵给冷却袖带加压，采用蓄电池供电，进而满足患者移动式冷却治疗。整个加压冷疗系统具有温度监测、压力监测和时间计时作用，患者在治疗过程中可以时时关注冷疗时间、冷疗温度和冷疗压力，并可及时调整冷疗方案，达到较好的冷疗效果。本系统在急性软组织损伤、退行性骨关节疾病、关节镜术后、各种骨折内外固定术后、韧带重建术后等病种进行临床冷疗作用中冷疗效果良好[15]。冷疗效果见表1。(2)新型穿戴式加压冷疗系统不仅可以满足患者卧床冷疗，还可以满足患者的移动冷疗。整个系统与传统冷疗系统设备相比，具有较低功耗，实现较长时间的移动冷疗；具有温度监测、压力监测和时间计时功能，便于患者和医务人员时时关注冷疗状态。其新型穿戴式加压冷疗系统与传统的加压冷疗系统具有明显的优势，见表2。

表1 新型穿戴式加压冷疗系统冷疗效果

表2 新型穿戴式加压冷疗系统与传统冷疗设备分析对比

3 结论

持续加压冷疗对骨科术前和术后各种疾病的消除肿胀、减轻疼痛、加快康复等方面起到了重要作用。采取合适的冷疗时间、冷疗温度及冷疗深度对患者会有更好的冷疗效果。本系统针对传统冷疗方法的不足和缺陷，设计一种新型穿戴式加压冷疗系统，患者和医务人员可以时时关注冷疗时间、冷疗温度及冷疗压力等参数，及时调整冷疗方案[16]。整个系统不仅可以采用蓄电池供电，也可以采用市电供电，不仅可以满足患者固定环境下的冷疗，还可以满足患者的移动冷疗。