一种家用式缺血预适应训练仪的设计与实现

周文静，张盛昭，李光星，简冬生，张爱，梁振

1. 安徽医科大学 生物医学工程学院，安徽 合肥 230022；2. 浙江达美生物技术有限公司， 浙江 绍兴 312000

引言

缺血预适应训练是一种近年来广泛研究的预防和治疗方式，它通过短时间内对组织进行多次反复的缺血和再灌注刺激，诱导细胞产生保护性物质，产生内源性保护作用，使细胞对缺血、缺氧等刺激的耐受性提高[1-3]。缺血预适应训练能够使心脏[4]、脑[5-7]、肺[8]、肾[5]和下肢血管[9-10]等产生相应的保护效应，在脑卒中和脑梗死的预防治疗和恢复、心肌缺血损伤的预防、肾脏手术缺血损伤的预防等方面都有广泛的实验研究，并得到了初步的验证。

多种方式可以实现缺血预适应训练，如通过一定强度的运动[11]、冠状动脉血管阻断[12]、肢体血管阻断[13-14]、腺苷受体激动类药物[15]、亚低温[16-17]等方式。其中对肢体进行血管阻断是较为简单易行的方式，它能使远端的器官产生缺血保护性效应，具体的实施方式是将袖带套入上肢或下肢，通过周期性反复充气加压和泄气泄压，对肢体血管间歇性阻断，诱导肢体的缺血和再灌注[18]。

目前专用于缺血预适应训练的仪器较少，截至2021年，很多关于肢体阻断方式的缺血预适应训练的研究仍然是采用水银血压计或电子血压计袖带开展的[19-20]。血压计不具备按照训练需求设置加压和泄压的周期、压力值、时长等参数，并针对不同的疾病和病情设置不同的训练参数[21]等功能，给相关的实验研究工作带来不便。此外，缺血预适应训练是长期且多次的治疗过程，持续时间可能是数月甚至数年[22]，它需要对训练周期、加压强度、每次训练时长进行科学而规范的规划，这些都对缺血预适应训练诊疗数据的归集和管理提出需求。

本文设计了一种家用式缺血预适应训练仪，通过控制气泵和电磁阀实现袖带的加压与泄压，使袖带在一段时间内维持在一定的压力区间，实现缺血预适应训练。本训练仪提供4种不同训练时间和训练压力区间的训练模式，用户根据自身情况选择训练模式，同时开发与缺血预适应训练仪配套的缺血预适应训练管理（Ischemic Preconditioning Training Management，IPTM）软件，可以控制缺血预适应训练仪进行训练，实现用户信息的管理、训练数据的存储、显示缺血预适应训练仪状态信息等功能。

1 系统整体设计

本系统由安卓终端、主臂带机和从臂带机构成（图1）。两个臂带机的主体均为袖带式加压阻断装置，可实现缺血预适应训练功能。主臂带机提供按键和屏幕，供用户启动训练和查询训练信息，从臂带机不提供按键和屏幕。安卓终端为市售的运行安卓操作系统的平板电脑或手机，它安装有自行编写的IPTM软件，该软件可以控制主臂带机和从臂带机进行缺血训练，对训练数据进行存储和读取，管理用户信息。安卓终端、主臂带机、从臂带机之间通过蓝牙通讯，传递控制信息、训练数据和状态信息。

图1 系统整体设计图

1.1 主臂带机硬件设计

主臂带机主体为袖带加压阻断装置，具有缺血预适应训练功能和测量功能，提供按键和屏幕，实现人机交互。训练功能：训练功能主要通过控制器对气泵和电磁阀的控制，使袖带维持在一定的压力区间，达到对上肢加压阻断的目的，实现缺血预适应训练。根据压力维持时长和压力区间的不同，臂带机提供4种不同的训练模式。主臂带机在启动时，通过蓝牙通讯模块向从臂带机发出指令，使从臂带机同步进入到相应的训练模式。测量功能：实现舒张压、收缩压和心率的测量。

1.1.1 主臂带机的电路设计

主臂带机电路主要由主控制器、血压测量模块、蓝牙模块、电源管理模块、电池、显示屏、电磁阀、气泵、按键和电量指示灯构成，其电路设计框图如图2所示。电源管理模块给整个主臂带机供电，完成充电、电平转换、电量显示功能。主臂带机主控制器控制血压测量模块、气泵和电磁阀实现压力控制和血压测量，将实时压力值和测量结果显示到显示屏上；通过蓝牙模块实现主臂带机与从臂带机、主臂带机与安卓平板的数据传输。用户通过按键实现主臂带机的开关机、训练模式的选择和切换等。

图2 主臂带机电路设计框图

1.1.2 主臂带机的结构设计

主臂带机组件包括电路板、气泵、电磁阀、电池、管路和袖带。管路连接气泵、电磁阀和袖带，气泵在电路的控制下对袖带抽气完成加压，加压完成后电磁阀在电路板的控制下开阀放气，使臂带机完成加压训练。主臂带机结构设计如图3所示。

图3 主臂带机结构示意图

本装置管路由五通和软管构成，五通的五个口分别和气泵、快速放气阀、慢速放气阀、压力传感器和袖带通过软管相连。五通相连的5个部件的压力维持一致，当训练开始时，气泵开始加压，快速放气阀和慢速放气阀保持关闭，袖带收缩，压力传感器检测实时压力，当压力达到设定压力区间时，气泵停止加压，气路内压力维持压力值，当压力传感器检测到的压力值低于设定压力区间时，气泵继续加压，直至压力达到设定压力区间，如此过程持续至训练结束；训练结束时，快速放气阀和慢速放气阀打开进行泄压，达到泄压规定压力值后关闭，完成训练。

1.2 从臂带机硬件设计

1.2.1 从臂带机的电路设计

从臂带机电路主要由主控制器、蓝牙模块、压力传感与测量电路、电源管理模块、电池、电磁阀和气泵构成，其电路设计框图如图4所示。从机主控制器通过控制压力传感与测量电路实现压力控制；通过控制蓝牙模块实现与主臂带机之间的数据传输。

图4 从臂带机电路设计框图

1.2.2 从臂带机的结构设计

从臂带机组件包括电路板、气泵、电磁阀、电池、管路和袖带。管路连接气泵、电磁阀和袖带，气泵在电路板的控制下对袖带抽气完成加压，加压完成后电磁阀在电路板的控制下开阀放气，使臂带机完成加压训练。从臂带机结构设计与主臂带机相同。

2 软件设计

2.1 臂带机软件设计

根据主控制器采用的STC15W4K48S4芯片，本系统臂带机软件采用C语言编程，开发软件为Keil uVsion4。STC平台提供了大量的开源库，使用者可以很方便地移植自己所需要的例程。臂带机软件实现主臂带机和从臂带机的开关机、训练模式的选择、血压测量、训练数据的传送、设置训练仪内置时间和电量显示等功能。

用户可以通过按键的切换来选择进入训练模式或测量模式：① 训练模式：进入训练模式后可通过选择键进行训练模式的选择，本训练仪根据个体不同的血流动力参数以及缺血预适应训练对于脑卒中的防治制定了不同训练模式的袖带压力区间和持续时间[23-25]，提供了4种不同的训练模式，4种训练模式具体压力区间设定及训练时间如表1所示。患者根据自身血压和病情，选择训练模式，对于脑卒中潜在患者的预防使用和血压正常患者的日常预防治疗，可选择设定压力值较低、训练时间较短的训练模式1；对于脑卒中患者的治疗使用和高血压患者的预防脑卒中使用，可根据训练前测得的血压值选择压力值设定较高和训练时间较长的训练模式2～4。训练模式工作流程如图5所示。② 测量模式：进入测量模式后训练仪将会进行血压和心率的测量，测量结果将呈现在主臂带机的显示屏上。

图5 训练模式流程图

表1 训练模式数据

2.2 IPTM软件设计

本训练仪设计了运行在安卓平台下的操作软件，即IPTM软件。IPTM软件具有控制臂带机训练和测量、臂带机电量查询、存储及查询用户信息和训练数据、用户训练数据分析等功能，IPTM软件各界面如图6所示。

图6 IPTM软件界面展示

用户在IPTM软件选择训练模式，IPTM软件将指令通过蓝牙发送至主臂带机，主臂带机接收指令并通过蓝牙发送指令至从臂带机，主臂带机和从臂带机共同完成缺血训练。训练完成后，主臂带机将训练数据发送至IPTM软件，IPTM软件对训练数据进行显示和存储。

3 设计结果及关键性能指标测试

3.1 设计结果

根据前文的硬件电路设计、结构设计和软件设计，制作的家用式缺血预适应训练仪原理样机如图7所示。经测量，本装置单个臂带机机体部分长12.58 cm、宽9.47 cm、高2.47 cm，仅重435 g，由于本装置臂带机的硬件及结构部分高度集成于袖带之上，且体积小、重量轻，具有便携性，使用户在使用时，无需固定的位置进行训练，同时训练过程中可进行大范围的活动，适用于家庭及户外使用。

图7 家用式缺血预适应训练仪原理样机示意图

3.2 压力控制稳定度测试

测试本训练仪压力控制的稳定度，实验人员身体保持静止并且两袖带保持在同一高度。臂带机袖带通过三通导管连接到压力测量设备，在训练时间内，每隔10 s同时记录臂带机袖带压力测量值（通过电脑串口显示臂带机袖带当前压力），以测量结果和设定的压力区间来判断压力测量的稳定度。对4个训练模式分别进行10次测试，将每个时间点所测数据求平均值作为所测时间点压力值，取训练开始前5 min的压力值绘制时间——压力值曲线图。如图8所示，每个训练模式的设定压力值上限用红线标出、设定压力值下限用蓝线标出。由图8可以看出，本训练仪4种训练模式的初始加压时间都在25 s左右，达到设定压力值后，压力基本能保持在设定压力区间范围内，4种训练模式的整个训练训练过程中的压力值的最大偏差和最小偏差如表2所示，由此可以看出，本训练仪压力控制的稳定度良好。

图8 臂带机压力控制曲线图

表2 4种训练模式压力维持阶段最大及最小偏差

3.3 血压心率测量准确度测试

测试本训练仪血压、心率测量的准确性，将本训练仪与欧姆龙血压计所测的舒张压、收缩压和心率进行对照。欧姆龙血压计是目前行业内测量血压和心率准确度较高的品牌，故本训练仪测试数据与其对照具有可行性。

为了保证实验的准确性，选年龄为20～30岁、身体健康的5名男性和5名女性作为实验对象，对10位实验对象分别使用本训练仪和欧姆龙血压计各进行10次舒张压、收缩压和心率3个指标的测量，每位实验对象在测量前都至少静坐5 min，测量时实验对象须保持手臂放松且与心脏位置在相似高度，并且将本装置和欧姆龙血压计先后对实验对象同一手臂的同一位置进行测量，经调研，重复测量血压时有无间隔时间对血压值的影响可忽略[26]。本训练仪所测舒张压、收缩压和心率数据与欧姆龙所测舒张压、收缩压和心率数据的对比如图9所示，图中横坐标表示实验对象编号，纵坐标表示实验对象10次测量平均值。对10位实验对象用两设备所测得舒张压、收缩压、心率数据分别使用S-W检验（Shapiro—Wilk Test）验证其正态性，检验结果显示测量数据均服从正态分布。为了判断本训练仪所测舒张压、收缩压和心率与欧姆龙所测是否有差异，使用配对检验检测这两个设备所测数据的差异。由于本次实验采集的数据服从正态分布，因此采用配对样本t检验，检验结果表明：本训练仪所测舒张压、收缩压和心率与欧姆龙所测结果进行对比，差异均无统计学意义（P＞0.05）（表3），故本装置血压心率测量的准确性良好。

表3 测量数据配对t检验结果（±s）

表3 测量数据配对t检验结果（±s）

组别 舒张压/mmHg 收缩压/mmHg 心率/（次/min）本训练仪 67.104.97 113.603.86 72.501.00欧姆龙 67.604.69 114.303.95 72.401.00 t值 -0.520 -0.540 -0.170 P值 0.610 0.600 0.870

图9 本训练仪和欧姆龙舒张压、收缩压、心率对比图

4 讨论

本文设计研发了一种适用于缺血性脑卒中患者和高危人群进行康复和预防训练的家用式缺血预适应训练仪。它是由2个独立的加压袖带装置和装有IPTM软件的安卓终端构成，可以实现缺血训练和血压、心率测量功能。本装置通过控制气泵和电磁阀实现袖带的加压、压力维持及泄压，根据个体不同的血液动力参数设定了4种训练模式不同的压力区间和训练时间，用户可根据自身情况选择适合的训练模式；同时开发了与缺血预适应训练仪配套的IPTM软件，可以控制缺血预适应训练仪进行训练，实现用户信息的管理、训练数据的存储、显示缺血预适应训练仪状态信息等功能。经压力控制稳定度测试和血压、心率测量准确度测试，本装置压力维持性能良好，对于血压、心率测量的准确性较高。由于本装置臂带机的硬件及结构部分高度集成于袖带之上，且体积小、重量轻，具有优秀的便携性，使用户在使用时，无需固定的位置进行训练，且训练过程中可进行大范围的活动，适用于家庭及户外使用。

缺血预适应训练对与脑卒中防治的优秀效果已经得到广泛认可[2,27]，目前，市场上现存的缺血预适应训练仪训练模式单一、不具智能性且训练体位固定，不具便携性，本文设计的家用式缺血预适应训练仪解决了市场上缺血预适应训练仪训练体位固定的问题，使患者可以更加灵活地进行训练，同时多种训练模式能满足更多用户的训练需求，设计的IPTM软件能更加有效智能地实现缺血训练和管理训练数据。现阶段本训练仪的功能较为单一，没有设计对于除血压、心率外其他生理指标的检测，未来将进一步优化升级该缺血预适应训练仪，加入血氧饱和度检测等功能，同时也会朝着更加智能化的方向发展。