便携式微型医用负压治疗仪研制

朱燕艺，赵澎，陈超敏

1.南方医科大学生物医学工程学院，广东 广州 510515；2.广州润虹医药科技有限公司，广东 广州 510515

前言

负压治疗是促进伤口愈合的前沿技术，近年来在临床中得到应用和发展［1］。负压伤口治疗技术可以有效地防止污染和交叉感染，改善局部供血，减轻组织水肿，减少细菌数量，促进肉芽组织生长，减轻病人痛苦，降低治疗费用［2］。1993年，德国外科医师Fleischmann 等［3］最先提出封闭负压引流（Vacuum Sealing Drainage,VSD），并用于四肢感染性创面的治疗。1997年，美国Argenta 等［4］和Morykwas 等［5］首创负压辅助闭合伤口（Vacuum-Assisted Closure,VAC），可以增加局部血供和促进创面的肉芽生长，对创面的修复有显著疗效［6］。VSD 和VAC 两项关键技术近年广泛应用于严重软组织损伤、骨筋膜室综合征、骨髓炎、急性重症胰腺炎、严重腹部创伤、腹腔内感染、体表脓肿、陈旧性血肿、皮肤溃疡、压疮等治疗。VSD 用于体腔引流和体表伤口引流，需要在低压下持续吸引［7］；而VAC 应用于体表创面，特别是慢性创面，需要先持续吸引一段时间后再间断地循环吸引［8］。

目前临床使用的医用负压治疗仪体积偏大，患者使用起来不便利，日常使用活动会受到限制，而且负压不稳定，耗电多，噪声大，操作繁琐，工作模式单一。为了使负压伤口治疗技术可以得到更好的发展，本研究在常规负压治疗仪的基础上实现操作简单、负压稳定、多种工作模式、可调节压力、安全性能好、高智能化、质量轻、体积小的便携式微型医用负压治疗仪。同时适用于烧伤皮肤表面引流、慢性疾病、伤口治疗时间长的患者，可随意携机离床或外出，不受日常行为活动限制，增加病人在治疗期间使用舒适度，可携机提前出院，缩短住院时间，降低患者费用，以弥补目前临床上使用负压治疗仪的缺陷。

1 材料与方法

1.1 便携式微型医用负压治疗仪电路设计

便携式微型医用负压治疗仪由电源模块、中央控制模块、负压驱动模块、引流瓶模块、报警模块、显示模块和负压力传感模块组成，如图1所示。根据患者的创面实际情况选择不同的治疗模式［9］，将敷料覆盖于患者的创面区域，连接引流瓶模块。其中硬件框架由主机和引流瓶两部分组成，其中主机由电源系统、控制执行模块、单片机［10］（型号STM32F103VET6）、传感器［11］（型号MPXV5050V）、电路报警模块、液晶显示组成。基于MPXV5050V传感器模块，以单片机（STM32F103VET6）为核心的微控制器、控制模块、传感器模块和报警模块［12］。系统微处理器采用具有低功率、低电压32 位STM32F103VET6 ARM，是整个便携式微型医用负压治疗仪的控制核心。STM32F103VET6具有72 MHz CPU 的速度和高达1 MB 的闪存；包含电动机控制外围设备以及CAN 和USB 全速接口；结合实时功能的极佳性能，有更好的编码密度，更快反应中断操作。该型号单片机具有64kSRAM、512Kflash、3 个数模转换数（ADC）、最大耗散功率为434 mW、4个通用定时器、2 个高级定时器、2 个基本定时器、80 个GPIO、12位DAC两路共有2 个通道、操作电压为2.0～3.6 V。

图1 便携式微型医用负压治疗仪结构组成示意图Figure 1 Structure composition of portable miniaturenegative pressure therapy apparatus

单片机的ADC 是12 位 的逐次逼近型的模数转换器［13］。它有18 个通道，可测量16 个外部和2 个内部信号源。各通道的A/D 转换可以单次、连续扫描或间断模式执行。ADC 的结果可以左对齐或右对齐方式存储在16 位数据寄存器中。模拟看门狗［14］特性允许应用程序检测输入电压是否超出用户定义的高/低阈值。ADC 最大转换速率为1 MHz，也就是转换时间为1 μs，采样周期为1.5 个ADC 时钟下得到。系统电路结构组成如图2所示。其中负压传感器为此仪器的核心运行和反馈环节，采集来自于真空泵输出的负压数值，经负压传感器将压力值转换成一定的电流输出到滤波电路，再从AD 采样的电路输出端输出到单片机。传感器使用的是型号为MPXV5050V 的耐高温高精度集成式硅压力传感器，片内信号调理、温度补偿和校准，0 ℃～85 ℃内的误差率为2.5%，温度补偿为-40oC～+125oC。

图2 便携式微型医用负压治疗仪电路组成示意图Figure 2 Circuit composition of portable miniature negative pressure therapy apparatus

1.2 便携式微型医用负压治疗仪装置外形结构设计

便携式微型医用负压治疗仪设计整体重量控制在1 kg 内且可充电，设计具有收集瓶卡扣，使收集瓶可外挂，重量和体积始终方便医护人员或患者单手携带。设计产品尺寸为16 cm×8 cm×8 cm（长×宽×高），尺寸误差为±1 cm。产品外壳利用硬度适合的ABS 材质，单手按压不容易弯曲变形［15］。引流瓶利用硬质PVC，瓶盖材质为橡胶材质，保证产品气密性，瓶塞边缘应平滑。收集瓶瓶体的容量为500 mL，瓶身上有与负压机外壳卡位相匹配的卡位，增加收集瓶卡扣，可以另外挂更大的收集瓶，即使用时瓶身直接横放固定在负压机外壳背面（显示屏一面为正面）。引流连接管采用口径为3 mm×5 mm 的医用硅胶管，透明度高、环保、无味，对人体组织不会产生危害，具有低收缩率、回弹性好的优点，经反复测试可耐受60 kPa 压力而不发生形变，保证吸引力的有效传递［16］。便携式微型医用负压治疗仪的设计三视图如图3所示。

图3 便携式微型医用负压治疗仪的CAD设计三视图Figure 3 Three views of the CAD design of portable miniature negative pressure therapy apparatus

1.3 便携式微型医用负压治疗仪负压控制系统设计

通过机械装置使泵内部的隔膜做往复式运动，从而对固定容积泵腔内的空气进行压缩、拉伸形成真空（负压），在泵抽气口处与外界大气压产生压力差，在压力差的作用下，将气体压（吸）入泵腔，再从排气口排出。在产品主面板设定治疗的参数，这些控制参数输入到单片机中，单片机根据输入的参数控制脉波整形电路，输出占空比可调的波形，此脉冲序列经单片机的PWM［17］口输出，经过驱动门U9，再经过光电耦合，使场效应管导通，对电流进行整形放大后控制真空泵马达的转速，进而控制真空泵产生气压的大小［18］，系统原理图如图4所示。其中真空泵的检测以及保护电路如图5所示、充电指示电路如图6所示，其他电源电路、充电保护电路、控时电路、声光报警电路等由于篇幅所限不一一列出。

图4 便携式微型医用负压治疗仪负压控制系统示意图Figure 4 Diagram of negative pressure control system of portable miniature negative pressure therapy apparatus

图5 真空泵的检测以及保护电路示意图Figure 5 Diagram of detection and protection circuit of vacuum pump

图6 充电指示电路示意图Figure 6 Diagram of charging indicator

1.4 便携式微型医用负压治疗仪负压控制系统软件设计

系统上电后，单片机首先初始化系统内部的寄存器、定时器及其他软元件；操作者根据需求设定系统运行参数，包括运行时间和运行模式（也可利用默认参数）；按下触摸屏启动按钮，系统启动，开始运行。系统运行期间，可暂停系统的运行，当再次启动时，系统将按暂停前的模式继续运行，框架图如图7所示。

图7 负压控制系统框架示意图Figure 7 Diagram of negative pressure control system

采用易优MT506L 触摸屏，其功能强大，使用方便，除了具有传统人机界面所有的指示灯、开关、数据显示与输入和异常报警等功能之外，还具有很多特有功能［19］。利用EasyBuilder 500 组态软件设计的控制界面，主要有参数设定、参数显示、系统控制、报警4部分。界面简单易懂，方便操作，而且在原有的系统上面容易扩展。系统界面及显示设计：具有电量显示、时间显示、编号、负压值显示、工作模式显示、设定工作时间、剩余工作时间、系统设置、负压值设置、工作模式设置、增减模式、数据回顾等模块，主界面的布局如图8所示。在负压值设置界面：参数设置中的压强设定界面可显示输入框及数字键盘，可正常输入相应负压数值。工作模式设置界面：进入界面后，点击相应的模式，如图9所示。工作时间设置界面：进入界面后，点击对话框即可输入相应的数据。数据回顾设置界面：进入界面后，即可看到按编号顺序排列的数据，看完后点击退出即可。

图8 主界面布局示意图Figure 8 Layout of the main interface

图9 工作模式设置界面示意图Figure 9 Working mode setup interface

2 结果

2.1 功能实现测试

系统样机设计完成后，首先进行各部分功能测试实验，测试内容及测试结果如表1所示。

表1 便携式微型医用负压治疗仪功能测试及结果Table 1 Functional tests and results of portable miniature negative pressure therapy apparatus

2.2 性能实验测试

对便携式微型医用负压治疗仪的各项性能指标展开测试实验，其测试结果如表2所示。

表2 便携式微型医用负压治疗仪实验测试结果Table 2 Results of the experiment test on portable miniature negative pressure therapy apparatus

3 结论

负压伤口治疗技术可以有效防止污染和交叉感染，改善局部供血，减轻组织水肿、减少细菌数量、促进肉芽组织生长，减轻病人痛苦和降低治疗费用，在临床应用中受到重视和欢迎。本文研制的便携式微型医用负压治疗仪的硬件设计功能强，抗干扰能力强，用STM32F103VET6 单片机为核心使得系统控制精度高、安全性强。经过性能监测，设备运行稳定，具有良好的控制性能和实用性，达到操作简单、负压稳定、多种工作模式、压力调节、安全性好、智能化、质量轻、体积小的设计要求。