基于温湿度传感器的特护失禁内裤的研发

黄 锐， 肖爱民

(新疆大学 纺织与服装学院, 新疆 乌鲁木齐 830046)

失禁是指大小便排泄器官功能完全或者部分丧失，从而导致尿液或粪便失去控制而不自主的排泄[1]。导致失禁问题的原因很多，除先天因素外，后天因素如急危重症、偏瘫患者、高龄失能者、精神障碍、植物人等，患者常因各种机能障碍导致括约肌松弛或丧失出现失禁，每天排泄多达数次，尿液为液体，大便时常有稀糊便或水样便，每次排泄量多少不定且没有时间规律可循[2]。近年来，随着人口老龄化的加剧，护工看护量也随之增加，但个体看护效率呈现降低的趋势，这让原本不充足的专业医护人员资源更加紧缺。长期或反复暴露于尿液和粪便中的皮肤容易引发失禁性皮炎的发生，如潮湿浸渍损伤、会阴部皮炎、刺激性皮炎等，给患者带来痛苦，也给护理增加了难度[3],因此，准确地监测失禁问题不仅可提高护理效率，还可降低患者的并发症风险。

目前市面常见的具备提示作用的失禁产品大致可分为基于材料和基于传感器的产品[4]。传感型产品如具有报警系统的智能成人失禁裤，利用了导电纱线制作柔性传感器。其工作原理是当传感器浸湿时回路闭合，报警系统就会被引发。由于警示方为患者，需患者主动寻呼，该产品缺点在于对护理人员的提示较弱，其警报系统会打扰患者休息。香港启通科技公司推出的CAREase是全球首款尿湿护理系统，患者穿上专门的感应纸尿裤，通过无线感应器可在接收器端显示纸尿裤的尿湿程度，护工可根据接收器的提示对患者进行护理，极大地提高了护理效率，但其功能的实现必须要配备同品牌的纸尿裤，且接收器较大不便于携带，价格也相对较贵。材料型产品主要是通过使用新材料改善芯体完整性加大其吸收力度，防止侧漏，并在底部设置润湿变色条，护工可根据变色程度判断是否需要更换[5]。

目前具有提示作用的失禁裤多为一体式纸尿裤，存在着更换和监测方式不够便捷，价格昂贵，不易拆卸等缺点，本文设计了一款经济高效的特护失禁内裤，在明确设计思路后，首先将功能模块设计按照硬件模块设计、传感器改造、运行程序设计和APP开发的顺序进行开发；然后通过对款式、面辅料和失禁内裤结构等分析，结合功能模块制作出特护失禁内裤；最后将该产品进行试验验证，通过实际穿着评价法和编程模拟试验法来验证该产品的有效性。

1 设计思路

需要特殊护理的失禁患者大都处于卧床状态，解决其排泄问题主要有4种：纸尿裤、接尿器、便盆、医用护理器[6]。纸尿裤是市面上使用最为广泛的产品，护理人员在选择产品时通常比较困难，迫切需要一款价格低廉且具有良好功能兼容性的产品，因此，本文整合硬件技术、服装结构、上位机开发，设计制作一款具有可拆卸、易更换、远近端提醒的智能失禁内裤，其设计可承载任意半体型纸尿片，监护设备可与任意手机绑定，价格低廉，是一款可拆卸水洗的失禁患者辅助内裤。

首先对失禁患者下体失禁环境进行分析，依据环境特点分析内裤设计的要点，而后根据设计要点，分别从载体和功能2方面出发进行内裤的设计。其载体设计为结构和面料2个方面；功能设计分为温湿度硬件检测端开发和远程APP监测端开发。在完成失禁内裤设计与制作后，分别对新款失禁内裤的功能性、有效性和舒适性进行测试，以评判其是否达到预期目标。

2 功能模块设计

通过研究对比，本文所设计的失禁内裤是通过检测下体的温湿度，根据预设程序，将信息实时反馈到手机端，当温湿度超出其预设值时从远端和近端同时提示护工及时更换纸尿片。

目前适用于此项功能的芯片主要有3种：STM32、51单片机和Arduino。Arduino是封装好的一系列元件，开发方式简单且效率相对较高，其社区开源的特性让很多非专业人士可在短期内实现与其他单片机同等的功能。由于其封装的特性也会使得其体积较大,同时，价格也相对较高[7]。51单片机的开发历史较长，价格低廉，材料易得且相关资料丰富，适合用于简易功能的开发和批量生产。STM32相比51单片机在内核、地址空间、存储器和外设都有极大提升，外围接口丰富，可控制的部件更多，但开发起来有一定的难度[8]。

本文设计选择使用51单片机中的STC89C52单片机进行开发，首先本款产品的功能需求不高，该控制器完全可满足本款设计的开发目的[9]；其次，其材料成本低廉，对元件的开发程度更自由，可以极大地降低开发成本，后续产品价格也会更具普适性。选用DHT11温湿度传感器进行产品开发[10]，能够较为精确地测量温湿度变化，传感器大小仅为1.2 cm×1.5 cm×0.5 cm，竖直放置于股沟处几乎没有异物感。

2.1 硬件模块设计

智能特护失禁内裤的基本工作原理是，将延长的温湿度传感器置于肛门处，并在内裤上安装可拆卸的导线接口,如图1所示。将主板置于病人床头或病床外侧并配置指示灯和WI-FI模块，通过开发的手机APP可实时监控患者的体温和湿度数据。

当病人失禁后，其温湿度会发生变化，当实际数值大于预设值时判定为失禁，控制器的报警灯会亮起，同时远程端的手机APP也会显示异常，提醒护工及时更换纸尿片。失禁内裤电路硬件连接图见图1(a),失禁内裤电路系统逻辑设计见图1(b)，其中，ESP-OlS WI-FI模块为ESP8266 WI-FI模块的细化型号。

图1 特护失禁内裤的硬件模块设计

2.2 传感器改造与灵敏度测试

图2示出特护失禁内裤的传感器改造流程。由于下体本身具有一定湿度，而传感器非常灵敏，故在传感器内芯外部用膨体聚四氟乙烯(ePTFE)疏水膜进行包裹。该膜具有强烈的疏水性，气体过滤精度为0.01 μm，效率可达99.9%，具备极高的孔隙率，低气阻、高通量，保证传感器内芯在浸湿状态下也能正常工作，可感应空气湿度而不至于被尿液腐蚀损坏[11]。本文所设计的特护失禁内裤，主要是将传感器进行了外置延伸，其外接延长线采用防水杜邦线，传感器接口处用延长线内置铜丝缠绕，并于外层涂抹绝缘液体胶后，再在其外使用高固含量的室温固化硅橡胶进行绝缘加固处理。相比传统的热缩管，硅橡胶可以做到对精密部位的无死角防护，且固化后的外壳具有极佳的强度和弹性，良好的性能使人体舒适度更高。改造过后的传感器湿度感应平均比未改造版的湿度感应曲线大约延迟5 s，这是由于疏水膜阻挡了部分水分子的进入。在高饱水状态下的湿度显示为95%，故建议设置的预警湿度为90%。

图2 特护失禁内裤的传感器改造流程

2.3 运行程序设计

本文系统控制器在Keil软件中进行编译，其控制语言为C语言，通过主控制芯片实现对各硬件部分的控制。如图3所示，主程序逻辑设计主要由3个子程序组成，分别是温湿度读取子程序代码、用if…else语句添加报警功能代码以及串口发送数据的代码。首先根据温湿度读取的子程序，要根据DHT11的官方说明定义传输数据，在校验数据的有效性后根据DHT11的时序图得出读取传感器的步骤。然后添加报警功能的子程序，先定义一个用于LED湿度过高的指示灯引脚，再定义一个温湿度上下限的报警值，最后用if…else语句设定一个判断程序用以判定是否需要亮起指示灯。温湿度读取完毕后，再通过串口将数据发送出去，设置为每隔5 s读取数据然后发送。

图3 主程序逻辑设计

2.4 APP开发

2.4.1 APP开发环境以及基本信息

开发工具为Android Studio，运行环境为JDK1.8，系统版本兼容Android Q4.0到Android9.0系统，Gradle版本为6.1.1，程序主要有主页面、设置页面和历史记录页面，布局方式基本用相对布局和线性布局。

2.4.2 页面介绍

如图4所示APP界面，主页面包含控件TextView(展示温度和湿度)、LineChart(绘制温度和湿度的折线图)。历史页面包含一个ListView列表，设置页面包含TextView(显示文本)、EditText(输入框)、Button(按钮)。首先在APP项目中初始化各类控件，获取网络权限、振动器权限、以及内存读写权限，定义好和单片机通信的协议常量，使之与单片机匹配达成通信标准，并且初始化SQLite数据库并创建数据表，用来储存数据，数据表设计了4个字段分别是ID(自增ID)、时间(time)、温度(temp)、湿度(humidity)；设置页面主要是设置温度和湿度的上下限，设置成功后保存到手机本地，用于主程序识别时判断是否报警。主页面主要是通过局域网络连接单片机Wi-Fi模块，手机端建立1个ServerSocket，负责接收ESP8266发送的数据，端口为5000，在定时线程中APP不断地循环接收单片机传来的温度和湿度数据。由于单片机传过来的是16进制数，所以主页面还需将16进制数转化为十进制，转化成功后将数据展示到主页面上，并刷新相应的折线统计图。在刷新视图的过程中，还需要判断是否超过设置的上下限，如果超过则改变字体的颜色做出相应的报警反馈，控制振动器实现震动。在以上的刷新过程中，程序每隔1 min获取1次结果并保存到本地SQLite数据库中，用于保存历史记录，历史记录页面读取数据表中的数据保存到数组队列中，通过适配器将数据设置到列表中展示出来，以供查看。

图4 APP界面

3 失禁内裤设计方案

3.1 款式设计

特护失禁人群长期处于卧床状态，护工在更换纸尿裤时通常是先把患者两腿叉开，将纸尿裤前片卷至下体，然后把患者身体移至一侧，抽出旧纸尿裤，擦拭后，再更换新纸尿裤。更换过程中由于患者一侧压床，护工固定好纸尿裤非受力侧后把患者移至正位，再把纸尿裤另一侧开口从身下掏出黏合，最后整体调整完成全过程。对此，经调查发现90%以上的失禁内裤的开合部位都与纸尿裤一样位于胯部两侧，此类设计相当于纸尿裤的外壳化，能够在一定程度上方便患者的纸尿片的更换，但依然存在一些问题，如更换时失禁内裤前片不宜对位、裆部压力仅依靠松紧带调节腰部压力不好调整。本文根据这个特点，设计了一款三开身可调节的失禁内裤。

此款内裤可结合任意一款纸尿片组合成一款新的纸尿裤，其三开的设计使护工在二次更换时无须打开受力侧侧缝就可完成整套更换流程，同时为了更好地适应不同体态的患者，在腰部设置了可调节的松紧带，可根据患者的需要进行调节。在内裤与纸尿片的结合方式上，除了纸尿片自身携带的黏胶外，可拆卸的内裤浪底还可根据体态和纸尿片的不同进行松紧调节，起到很好的托举作用。尽管在此款设计中，纸尿片主要承担了防侧漏和芯吸的功能，但还是在内裤后、侧方设置了TPU防水层，以防护工更换不及时造成的侧漏问题。经调查，纸尿片的价格约为纸尿裤的一半，且此款设计是洗可穿的，这在一定程度上也能节约后续成本。特护失禁内裤实物图如图5所示。

图5 特护失禁内裤正、侧、背面实物图

3.2 面辅料的选择

整体上采用石墨烯针织面料，其具有抑菌、透气、远红外、弹性适度等特点，为了防止其侧漏问题，在易侧漏的区域进行TPU防水膜处理，里层面料采用薄型针织粘胶纤维布进行覆盖处理。为适应不同体型和围度，选用宝宝用魔术贴进行松紧调整。特护失禁内裤的辅料覆盖范围及平面展开图如图6所示。

图6 特护失禁内裤的辅料分布及平面展开图

3.3 传感器位置的优选

在对失禁问题的研究过程中，采用遇水变色试纸，在纸尿裤上进行2×2的矩阵排列，正常成人每次排尿量为250～300 mL，模拟失禁患者300 mL的排尿量时在仰卧、左侧卧和右侧卧时的失禁区域问题。在试验观察中发现，患者的尿液大都会根据重力向下流淌，仰卧时后方的浸湿面积明显大于前方，侧卧时根据尿量不同前后方均有浸湿，而排便主要位于肛门处，也处于浸湿范围内。故可以认为，不论是尿失禁还是大便失禁，其排泄物都会经过肛周皮肤，故应将传感器探头置于肛门处为宜，其导线可引至外侧，通过内裤外侧开设的接口固定，以防掉落或位移。失禁的浸润实验图如图7所示。

图7 不同姿势下的失禁区域图

4 试验验证

4.1 服装舒适性测试

4.1.1 舒适度主观评价

由于常见失禁人群为老年群体，招募了6位年龄在70～80岁之间的女性受试者参与舒适性主观评价试验。测试内容为受试者平卧于病床上由护工为其穿戴3款市面常见的失禁内裤和此款特护失禁内裤，完成测试后进行主观问卷调查。

本文试验规定受试者采用十分制评分量表来量化她们感受的程度，分值越小表示对该选项的感受程度越低，分数越高表示对该选项的认同程度越高，评估结果如图8所示。

图8 主观评价图

4.1.2 舒适度客观评价

除了主观测试，本文研究还设置了客观评价环节，让6名专业护工在为受试者实际更换了3款市面常见的失禁内裤和本文设计失禁内裤后从专业人员的角度填写问卷。评估结果如图9所示。

图9 客观评价图

由图8、9可知，在主客观评价的前5个相同的选项中，此款特护失禁内裤的穿戴困难度和舒适度与其余3款失禁内裤基本持平，更换便携度、喜爱度和性价比均高于其他3款，可以认为这是一款性价比高、穿戴较为舒适方便、更换高效且易被喜爱的产品。从主观评价的后3个选项可看出，由于是可调节的设计，并不会对穿戴者产生压迫，其接合处不会对体表产生刮擦感，传感器的放置可能会产生异物感但并不明显。从客观评价的后3个选项可看出，从护工的客观角度来说，此款失禁内裤可提升看护效率，其防护性能和适用度均受到了好评。

4.2 警示功能测试

4.2.1 编程模拟试验法

表1 对照组模拟试验

4.2.2 实际操作法

由6位职业护工分别为6位受试者更换3款市面上常见的普通失禁内裤和此款特护失禁裤，共测试4款，每款更换5次，于第5次取下，以模拟次数为横坐标，结果如图10所示。由图中每款的更换时间折线对比可知，特护失禁内裤在初次更换时所用时间稍长，在其后的更换效率上优于其他款式。

图10 4款失禁内裤的对比折线图

4.3 测试结果

表1示出模拟试验结果，无提示组在5次模拟当中的每日平均排泄未看护时长为2.38 h，平均巡视次数为16次，有效护理次数5次，有效护理效率为31.25%。有提示组在5次模拟当中的每日平均排泄未看护时长为1.44 h，平均巡视次数与护理次数一致，有效护理效率为100%。由图10可知，在4款失禁内裤的实际操作中，首次更换所需的时间对比为：纸尿裤<失禁内裤1≈失禁内裤2<特护失禁内裤。这是由于失禁内裤1和失禁内裤2都需要在纸尿裤的安装基础上加装纸尿片，而特护失禁内裤还需要在首次穿戴时安装传感器，故时间耗时最久，但总耗时差别不大。在第2、3、4次更换过程中，所用耗时对比为特护失禁内裤≤失禁内裤2<纸尿裤<失禁内裤3，这是由于失禁内裤3的纸尿片需要置于夹层处，安装费时，且在仅有1条内裤的情况下需要将内裤完全解下再更换，耗时较长。失禁内裤2相比纸尿裤，外壳无需更换，只需更换纸尿片，更换过程更为省力，但病患压床侧需要解开，在后续整理上和传统纸尿裤无区别。特护失禁内裤由于其三开的设计，病患受力侧无需对其解开，仅需打开其下侧和一侧开口即可完成整套流程，且后续调整过程更加方便快捷。在第5次取下过程中，用时对比为纸尿裤≈失禁内裤1≈失禁内裤2<特护失禁内裤，这主要是由于传感器的拆卸比其他3款多耗时10～15 s。分析可知，特护失禁内裤在穿脱时耗时相对较久，但在二次更换效率上优于其他3款常用失禁内裤，适用于需要长期穿戴失禁内裤的卧床患者。

如图11所示模拟试验结果可知，有提示组的排泄未看护时长总体低于无提示组，对应2组的看护效率系数有提示组优于无提示组，可认为在看护效率上，使用特护失禁内裤的试验组可提高护工的看护准确性，护工的看护效率更高，且排泄未看护时长也变得更低。未提示对照组的护工在不知是否排泄的情况下进行了多次无效查询，效率低下。结果表明穿着特护失禁内裤有利于提高护工的看护效率和准确性。

图11 模拟试验的不同结果

结果表明,特护失禁内裤在一定程度上提高了护工的看护效率，并对患者来说是舒适安全的。

5 结束语

本文从失禁人群的实际问题出发，通过市场调研和临床考察，对特护失禁患者的内裤进行舒适性和功能性的改善与设计。针对其舒适性，主要从服装结构和面料性能入手，在改善其舒适性的同时，通过结构设计，优化了二次看护的后整理步骤，使得护工在二次看护上效率有所提升，其功能设计主要包括2个方面，其一是针对失禁的浸湿问题，对传感器进行了防水延长改造和最佳定位优选。其二是对下体温湿度进行监测与反馈，利用DHT11温湿度传感器、STC89C52控制平台和APP开发平台实现该功能。经测评，该失禁内裤的舒适性较好，温湿度的监测和警示功能良好，在多次更换效率上有显著提高。

同时，本文设计也存在一定的不足之处。由于外置控制器相对较大，会对需要出行的患者在一定程度上造成不便，但可针对需要出行的失禁人群专门设计一款微型控制器。电子产品在日常使用时会有一定损耗，其使用寿命暂时无法测定。

未来对失禁患者的内裤设计与研究应在改善其舒适性的同时，注重其功能性的开发。如将传感器柔性化处理、改善数据的传输方式以及对材料的进一步研究提高其功效。