毛坤劍

廈門(mén)市第五醫(yī)院 （福建廈門(mén) 361101）

冷療法是將低于人體溫度的物質(zhì)作用于人體表面，通過(guò)神經(jīng)傳導(dǎo)引起皮膚和內(nèi)臟器官血管的收縮，以改變患者身體各系統(tǒng)體液循環(huán)和新陳代謝，達(dá)到治療的目的[1]。冷療是處理急性閉合性軟組織損傷的早期關(guān)鍵措施，低溫可以使血管收縮，改變細(xì)胞通透性，減少局部滲出及出血，減輕局部炎癥水腫；低溫可以使神經(jīng)興奮性下降、傳導(dǎo)速度減慢，從而緩解疼痛；低溫還可以使肌肉興奮性及收縮力減低，起到緩解痙攣的作用。傳統(tǒng)的冷療法主要有使用冰袋、乙醇拭浴法、溫水拭浴法，其為確保冷療效果，需定期更換冰袋或者定期拭擦乙醇和溫水，而且冷療過(guò)程中溫度無(wú)法控制，使用起來(lái)比較麻煩并且冷療效果不佳?，F(xiàn)有的加壓冷療系統(tǒng)也是在冷療桶內(nèi)部加入冰袋，再通過(guò)氣泵加壓到冷卻袖帶上，其冷療溫度無(wú)法控制。國(guó)內(nèi)外最新的全自動(dòng)冷療儀可以實(shí)現(xiàn)冷療溫度和冷療壓力控制，但是其均只有一個(gè)輸出通道，當(dāng)患者需要多部位冷療或者同一病房多例患者需要冷療時(shí)，需要多臺(tái)全自動(dòng)冷療儀才能滿足使用，使用起來(lái)比較麻煩[2]。

基于上述情況，設(shè)計(jì)一種中央加壓冷療系統(tǒng)，通過(guò)中央制冷系統(tǒng)將水冷卻到治療所需溫度，再通過(guò)中央水泵對(duì)冷卻水進(jìn)行加壓，并通過(guò)多條管道將冷卻水傳送到不同的冷卻袖帶上，同時(shí)滿足患者多部位的冷卻治療，或者多例患者的冷卻治療。本系統(tǒng)已獲得實(shí)用新型專利，專利號(hào)為ZL201820839612.3。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)主要由單片機(jī)控制模塊、中央制冷模塊、中央水泵加壓模塊、溫度控制與監(jiān)測(cè)模塊、壓力控制與監(jiān)測(cè)模塊、各種冷卻袖帶等組成，中央制冷模塊將內(nèi)置水箱內(nèi)的水冷卻到治療溫度后，再通過(guò)中央水泵加壓模塊將冷卻水傳送到各類冷卻袖帶上，各類冷卻袖帶包括肩部袖帶、腳關(guān)節(jié)袖帶、膝關(guān)節(jié)袖帶、冰帽、冰痰等，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖1。

1.1 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的單片機(jī)控制模塊采用的主控制芯片為STM32，主要包括按鍵電路（控制冷療時(shí)間、開(kāi)啟中央制冷和中央氣泵加壓等）、顯示電路（顯示制冷溫度、加壓壓力、治療時(shí)間、報(bào)錯(cuò)信息等）、報(bào)警電路[提示治療時(shí)間已到、各種報(bào)錯(cuò)信息（包括斷電報(bào)警、壓力錯(cuò)誤報(bào)警、溫度錯(cuò)誤報(bào)警等）]，這些信息以液晶顯示的方式顯示在屏幕上，還有電源電路、復(fù)位電路、晶振電路等[3]，其系統(tǒng)示意見(jiàn)圖2。

圖1 中央加壓冷療系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 控制電路系統(tǒng)框圖

1.2 中央制冷模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的中央制冷模塊主要是實(shí)現(xiàn)整個(gè)中央冷療系統(tǒng)內(nèi)置水箱的水冷卻作用，便于患者所需的冷療作用[4]。本系統(tǒng)采用的中央制冷模塊為壓縮式制冷系統(tǒng)，其主要由蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器和節(jié)流閥組成，其結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖3。在水制冷過(guò)程中，制冷劑由壓縮機(jī)排出，此時(shí)壓縮機(jī)為高溫高壓氣體，經(jīng)過(guò)冷凝器變化為高溫高壓液體，再通過(guò)節(jié)流裝置將制冷劑變化為低溫低壓液體，再經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器蒸發(fā)，即可使整個(gè)水箱的箱體溫度下降，進(jìn)而達(dá)到冷卻水的目的。

圖3 中央制冷模塊結(jié)構(gòu)圖

中央制冷模塊的控制電路圖見(jiàn)圖4。當(dāng)主控制芯片PD0腳輸出低電平時(shí)，三極管Q1導(dǎo)通，進(jìn)而導(dǎo)致繼電器J1吸合，壓縮機(jī)M1就得電進(jìn)行開(kāi)啟模式，圖中R1、R2為偏置電阻，C1為啟動(dòng)電容。

圖4 中央制冷模塊控制電路圖

1.3 中央加壓模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)為能夠改善和增強(qiáng)治療效果，將冷療與加壓相結(jié)合，因此該系統(tǒng)具有中央加壓模塊[5]。本系統(tǒng)共有6個(gè)通道輸出，相應(yīng)的每個(gè)通道均采用24 V 的直流水泵的加壓水泵，冷卻水與冷卻袖帶之間采用水流電磁閥控制，其電路控制見(jiàn)圖5。例如，當(dāng)?shù)谝煌ǖ肋M(jìn)行冷療時(shí)，STM32的PD1腳輸出低電平時(shí)，開(kāi)關(guān)管Q2、Q3均導(dǎo)通，一方面繼電器J2吸合，直流加壓電機(jī)M2正常工作，另一方面水流電磁閥K1打開(kāi)，這樣水箱的冷卻水就可以通過(guò)氣泵和電磁閥直接流向冷卻袖帶上；當(dāng)?shù)诙ǖ肋M(jìn)行冷療時(shí)，STM32的PD2腳輸出低電平時(shí)，相應(yīng)的電磁閥和加壓水泵進(jìn)行工作，其他通道以此類推。

圖5 中央加壓模塊控制電路圖

1.4 溫度控制與檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

在患者不同康復(fù)過(guò)程中，為了達(dá)到最好的效果，采用的冷療溫度有一定的差別。本系統(tǒng)具有溫度控制模塊，可以控制冷卻溫度為5～20 ℃，用于滿足患者冷療溫度的選擇。本系統(tǒng)采用的溫度傳感器為L(zhǎng)M35,其是一種輸出電壓與溫度成正比例的溫度傳感器，其靈敏度為10 mV/℃，工作溫度為0～100 ℃，工作電壓為4～30 V，最大線性誤差為±0.5 ℃，靜態(tài)電流為80 μA[6]。該傳感器最大的特點(diǎn)是使用時(shí)無(wú)需外圍元件，也無(wú)需調(diào)試和校準(zhǔn)，其電路圖見(jiàn)圖6。從圖6可知，傳感器LM35放置于冷卻水箱的內(nèi)部，用于檢測(cè)冷卻水的溫度，其采集的電信號(hào)經(jīng)過(guò)R9和C2電容使采集到的與溫度成比例的電信號(hào)更加穩(wěn)定，再經(jīng)過(guò)放大器Q4進(jìn)行放大送給模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0804進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后送給主芯片STM32，通過(guò)顯示模塊顯示出來(lái)。

圖6 溫度傳感器電路圖

1.5 氣壓控制與檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)可以根據(jù)患者的個(gè)體差異選擇需要治療壓力的大小，因此系統(tǒng)具有壓力控制與檢測(cè)模塊，可以控制加壓壓力為20～60 mmHg（1 mmHg=0.133 kPa），用于不同患者的壓力選擇。該系統(tǒng)在6個(gè)通道加壓上采用6個(gè)加壓水泵，實(shí)現(xiàn)每個(gè)通道壓力的獨(dú)立控制。

本系統(tǒng)采用電阻應(yīng)變式壓力傳感器采集壓力信號(hào)并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，在經(jīng)過(guò)運(yùn)放放大器放大電信號(hào)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)給主控制芯片STM32，其電路圖見(jiàn)圖7。從圖7可知，壓力傳感器K2放置在各通道管路上，采集各通道的冷卻水壓力，其采集的電壓信號(hào)通過(guò)R12、R13到運(yùn)放放大器Q5放大后傳輸?shù)街餍酒M(jìn)行處理[7]。

圖7 壓力傳感器信號(hào)采集電路

2 軟件設(shè)計(jì)

該中央加壓冷療系統(tǒng)開(kāi)機(jī)后自動(dòng)進(jìn)行系統(tǒng)初始化，醫(yī)務(wù)人員在確定治療方案過(guò)程中，必須確定冷療通道（共6個(gè)通道）、治療時(shí)間、治療溫度和治療壓力。在治療過(guò)程中，液晶屏一直顯示治療時(shí)間、治療溫度、治療壓力等數(shù)據(jù)信息，當(dāng)治療時(shí)間到時(shí)，報(bào)警電路報(bào)警，提示患者治療結(jié)束，其主程序見(jiàn)圖8。

圖8 中央加壓冷療系統(tǒng)主程序框圖

3 臨床測(cè)試

中央加壓冷療系統(tǒng)通過(guò)中央加壓冷療系統(tǒng)主機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一的治療溫度、治療壓力、治療時(shí)間設(shè)計(jì)，其前端有6個(gè)輸出通道，能實(shí)現(xiàn)6個(gè)通道壓力的獨(dú)立控制，這樣可以同時(shí)滿足6例患者的單部位冷卻治療或者單例患者的多部位冷卻治療，其中央加壓冷卻系統(tǒng)主機(jī)的外觀結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖9。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的中央加壓冷療系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)冷療配合局部加壓的治療方案，進(jìn)一步提高患者的冷療效果。本系統(tǒng)可以根據(jù)患者的個(gè)體差異、冷療部位、冷療病種等要求，自由的選擇不同的冷療溫度和冷療加壓壓力，滿足患者的各種冷療需求。在臨床運(yùn)用過(guò)程中，一次能夠冷療多例患者膝關(guān)節(jié)術(shù)后、關(guān)節(jié)炎急性期、偏頭痛與神經(jīng)痛、高熱中暑等情況，冷療效果更加明顯[8]。整個(gè)中央加壓系統(tǒng)有6個(gè)通道輸出接口，根據(jù)患者的要求，選擇對(duì)應(yīng)的通道連接上肢袖帶、下肢袖帶、腰椎袖帶等不同部位的袖帶，同時(shí)滿足多例患者的冷療需求或者單例患者多個(gè)部位的冷療使用，進(jìn)一步滿足患者冷療的需求。其整個(gè)系統(tǒng)與傳統(tǒng)的加壓冷療系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，其與同類對(duì)比結(jié)果，見(jiàn)表1。

4 結(jié)語(yǔ)

圖9 中央加壓系統(tǒng)主機(jī)

表1 中央加壓冷療系統(tǒng)與傳統(tǒng)冷療設(shè)備分析比較

冷療在患者消炎、鎮(zhèn)痛、緩解痙攣、手術(shù)康復(fù)等過(guò)程中起到了重要作用[1]。本系統(tǒng)針對(duì)傳統(tǒng)冷療方法的不足和缺陷，設(shè)計(jì)一種中央加壓冷療系統(tǒng)，通過(guò)設(shè)定不同的冷療溫度、冷療壓力、冷療時(shí)間等參數(shù)，并選擇不同部位的袖帶，不僅可以提高患者的冷療效果，而且可以滿足患者多部位的冷療使用。整個(gè)系統(tǒng)采用不可移動(dòng)使用，或者固定在病房上，安裝方便，使用簡(jiǎn)單，對(duì)于提高醫(yī)療質(zhì)量、方便患者治療具有較大的意義[9]。

本系統(tǒng)由于采用中央加壓和中央冷卻，導(dǎo)致其中央加壓冷卻系統(tǒng)主機(jī)過(guò)于龐大，占用病房比較大的空間，下一步研究方法是采用更加高效且體積較小的冷卻方式，使整個(gè)系統(tǒng)便于便攜式使用。本系統(tǒng)采用中央冷卻系統(tǒng)，所以6個(gè)通道的冷卻袖帶溫度相同，為了實(shí)現(xiàn)患者不同部位需要不同溫度的需求，進(jìn)一步研究方向是各通道設(shè)計(jì)獨(dú)立的冷卻系統(tǒng)。