便携式多功能压力止血带的研制

孙振兴，卢 明，王书馨

在处突和灾害救援现场，往往伴随着肢体伤、烧伤等急性出血患者[1]，压力止血带作为最常用的止血工具，挽救了很多患者的生命，但传统止血带也存在局限性，容易造成感染、止血带后远端组织缺血性损伤等不良反应，造成不可逆性损伤，甚至可能导致截肢，危及生命。目前，临床上使用的止血带主要有橡皮管式、充气式和布带式等[2]，它们具有压力无法实时显示、无法自动控制、用途单一等缺点。于是，解放军总医院等部分单位开发出若干全自动压力止血带，但由于设计压力低、模式单一等原因，还无法满足现实需要[3-5]。另外，压力止血带的压力标准设置还存在争议，止血时间最优化、解压方式对微循环的影响等问题也急需研究解决。

1 系统设计要求

（1）适合野外使用。要求设计形式为便携式、续航能力强，总体重量≤600 g，蓄电池供电续航时间≥5 h，防水能力不低于IPX3。（2）多种模式可调。要求压力可控，可定时，可实现手动、自动和梯度减压模式。压力范围 0～90 kPa，时间0～999 min可调。（3）多功能设计。袖带增加敷料、冰袋等，用于烧伤、挤压伤等患者。可通过调整气压袖带规格进行动物实验研究。

2 系统的设计与实现

2.1 硬件设计 硬件主要包括电源模块、主控模块、微型气泵和压力传感器模块、控制键盘、显示模块和气压袖带（图1）。电源模块使用220 V工频供电和12 V锂电池供电，并通过适当调理提供相关元器件的工作电压。主控模块选择低功耗、I/O口较多且自带A/D转换的MSP430F149芯片，实现输入、输出、压力、定时等功能的控制。通过压力传感器、微型气泵、电磁阀等部件，实现压力的智能控制。通过键盘输入工作模式、设置时间和压力等参数。通过蜂鸣器、发光二极管（light emitting diode，LED）实现声光报警。通过12864液晶屏，显示压力、时间、模式等信息。

2.1.1 电源模块 电源模块是实现压力止血带便携功能及长时间通过电池工作的关键。为方便在日常和野外使用，电源设计采用220 V工频和12 V锂电池两种模式供电。为确保能够在野外长时间使用，配备了12 V 6 800 mA高品质大容量锂电池供电，重量≤320 g，并选择使用一些低功耗元器件，如主控芯片MSP430F149的正常工作模式电流为280 μA，待机模式电流为1.6 μA，同步整流降压芯片PL5900A在无负载情况下静态电流为14 μA等。电源分为12 V、5 V和3.3 V，分别对相应元器件供电，以达到降低功耗的目的。使用12 V直流电对气压泵供电，并通过7805等降压芯片、π型滤波等方式实现纹波较小的5 V电压，用于压力传感器等部分元器件的供电，再通过PL5900A同步整流降压芯片，实现3.3 V电源对MSP430F149主控芯片供电。

采用220 V工频电源供电时，使用12 V开关电源实现整机的供电，并通过充电电路对锂电池充电。

2.1.2 主控芯片 考虑到压力止血带的低功耗设计要求，本设计采用了美国德州仪器（TI）MSP430™系列中的MSP430F149芯片，该芯片广泛应用于便携式医疗设备，具有超低功耗的特点和5种省电模式，在频率为1 MHz和电压为2.2 V时，电流仅为280 μA，待机模式仅为1.6 μA；工作电压范围1.8～3.6 V，自带12位A/D转换器，反应速度较快，从待机模式到唤醒的时间≤6 μs[6]。因它有丰富的接口资源，可以完成压力止血带的输入控制、压力控制、显示控制、报警控制等功能。

图1 便携式多功能压力止血带硬件总体框图

2.1.3 压力传感器和微型气泵模块 压力传感器选用飞思卡尔半导体公司的MPX5100GP，它是一款采用离子注入工艺生产的高精度压阻式传感器，使用温度范围为-40～125 ℃，压力范围为0～100 kPa，适合在野外极端环境中使用。灵敏度45 mV/kPa，精度±2.5%，内置运算放大器，输出电压0.2～4.7 V，排除了外置运放可能带来的误差，可以直接接入主控芯片的A/D口，具有温度补偿功能。输出电压、压力值的换算关系为：VOUT2 = VS（P×0.009+0.04）±（Pressure Error×Temp.Mult.×0.009×VS）。其中Vs为传感器供电电压5 V，Pressure Error为压力误差±2.5%，Temp. Mult.为温度补偿系数，在 0～80 ℃时，Temp. Mult.=1，在-40～0 ℃和 80～125 ℃时，Temp. Mult.=3。

微型气泵选用隔膜直流无刷电机真空气泵Kamoer kvp04，其额定工作电压为12 V，最高压力可达90 kPa，流量≥1.1 L/min，重量仅为40 g，且可采用PWM调节的直流电机，符合低功耗及便携式设计要求。

2.1.4 键盘、显示、报警模块 键盘：贴膜式全键盘，可手动输入时间、压力等信息。显示屏：采用12864液晶屏，界面友好，可以实时显示压力、时间、模式等信息。报警系统：蜂鸣器鸣叫、红色LED灯闪烁报警。

2.1.5 气压袖带 气压袖带采用传统止血带大、中、小3个规格。在止血带内层添加一个敷料层，用于填充部分敷料（图2）。

2.2 软件设计 软件总体设计分为三种模式：手动模式、自动模式、梯度减压模式。结合临床使用经验，手动模式和梯度减压模式下加压满60 min时，系统会启动声光报警装置，且需手动消除报警，确保患者安全。软件流程如图3。

图2 便携式多功能压力止血带气压袖带

2.2.1 手动模式 手动模式主要用于评估止血压力大小或用于科研。使用的步骤是：开机后选择手动模式，长按“加压”键，系统开始加压，长按“减压”键，系统开始减压，松手后气压保持，屏幕显示实时压力。按“结束”键后，系统解压，停止工作，进入待机模式。

2.2.2 自动模式 自动模式为常规使用方法。主要使用步骤是：开机后设置压力值P、加压时间T0和解压时间T1（3 min≤T1≤18 min），按开始键。系统开始加压至预设压力P并保持，系统计时达到时间T0后，报警并自动放气，解压时间达到T1，再次自动加压至预设压力P并保持，到时间T0后再次减压，依次循环。自动模式压力值P的获取可以通过手动模式评估后获得，也可以根据医护人员的经验获得。T0、T1值需根据患者出血状况进行适当设置。

图3 便携式多功能压力止血带软件流程

2.2.3 梯度减压模式 梯度减压模式是一种创新模式，主要用于科研。主要使用步骤是：开机后设置压力值Pt，按开始键，系统开始加压到Pt并保持。任意时间按梯度设置键，可以设置3次递减压力值（P1、P2、P3）及压力保持时间（t1、t2、t3），系统会根据设置值依次减压至（Pt-P1），压力保持t1时间，再减压至（Pt-P1-P2），压力保持t2时间，然后再减压至（Pt-P1-P2-P3），压力保持t3时间，最后自动解压，系统停止工作。

3 讨 论

从1718年Petit研制出螺旋止血带到第二次世界大战橡皮管止血带的广泛应用，止血带在挽救众多生命的同时也因不当使用导致很多不良反应。被称为“有时可以救命的魔鬼装备”[7]。随着现代电子传感技术的发展，电子压力止血带逐渐取代了传统的橡皮管止血带，但现有的电子压力止血带往往功能比较单一，便携性、续航性较差，常在手术室使用，不适合野外及灾害现场使用，部分单位针对野外环境开发出了几款全自动压力止血带，但研究重点大都放在了完善报警系统上，在低功耗、便携性等方面未进行深入研究，主要表现在主控芯片、气泵的选用上，导致最终产品重量较大，功耗过高，无法真正满足野外需要[3-5]。这使得野外及灾害现场使用的止血带仍停留在手动、机械等传统止血带阶段。而本系统设计的压力止血带便携式、续航能力强，更有利于将抢救地点前移，有利于医护人员争夺抢救患者的黄金时间，做到省时救援，高效救援。

有研究表明，外界环境温度低或局部降温可减轻挤压综合征继发炎症性损伤，使挤压综合征病情相对减轻，受此启发，笔者团队对气压袖带进行了适当改进，实现了敷料添加功能[8]。目前，止血材料、抗感染敷料等高分子敷料产品技术发展迅猛，在临床使用中也展现了较好治疗效果，通过改进袖带，可以通过在气压袖带中添加不同的敷料，开展对现代战争及野外救援过程中常出现的挤压伤、烧伤、感染等复合伤的救治和研究。

本系统设计的便携式多功能压力止血带具有可编程的梯度解压模式，适合用于科研。目前，普通的压力止血带虽然已被广泛使用，但是在压力大小、减压方式等方面仍存在诸多问题。如压力值的设置虽已达成“根据个体不同进行个性化设置”的共识，但在实际使用过程中，压力值设置的大小却千差万别。以下肢手术压力设置为例，常见的压力大小设置标准有三种，一是选择固定压力数值[9]，即成年人下肢为53～80 kPa，医师常设置在70 kPa左右[10]；二是选择患者收缩压计算止血带压力值，即在术前收缩压基础上增加30%作为止血带压力[11]，成人下肢压力设置值约为30 kPa；第三种方法是采用超声多普勒观察血流情况进行设置，成人下肢压力值约为60 kPa[10]。三种方法设置的压力值差异较大，需要进一步研究。另外，不同的解压方式也可能产生不同的反应，有研究表明，对手术患者采用间隔释放压力或梯度减压的方法可显著减轻血压、心率的变化，减少休克的发生[12-17]。类似的研究在近几年发展缓慢，其重要原因就在于缺少一个合适的用于科研的数字化止血带，而该便携式多功能压力止血带可促进此类研究进展。

总之，本系统设计的压力止血带适合野外环境和多模式智能控制，为应急救援研究提供了方便的手段，为开展平战结合和相关科学研究提供了平台。