朱燕藝，趙澎，陳超敏

1.南方醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，廣東 廣州 510515；2.廣州潤(rùn)虹醫(yī)藥科技有限公司，廣東 廣州 510515

前言

負(fù)壓治療是促進(jìn)傷口愈合的前沿技術(shù)，近年來(lái)在臨床中得到應(yīng)用和發(fā)展［1］。負(fù)壓傷口治療技術(shù)可以有效地防止污染和交叉感染，改善局部供血，減輕組織水腫，減少細(xì)菌數(shù)量，促進(jìn)肉芽組織生長(zhǎng)，減輕病人痛苦，降低治療費(fèi)用［2］。1993年，德國(guó)外科醫(yī)師Fleischmann 等［3］最先提出封閉負(fù)壓引流（Vacuum Sealing Drainage,VSD），并用于四肢感染性創(chuàng)面的治療。1997年，美國(guó)Argenta 等［4］和Morykwas 等［5］首創(chuàng)負(fù)壓輔助閉合傷口（Vacuum-Assisted Closure,VAC），可以增加局部血供和促進(jìn)創(chuàng)面的肉芽生長(zhǎng)，對(duì)創(chuàng)面的修復(fù)有顯著療效［6］。VSD 和VAC 兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)近年廣泛應(yīng)用于嚴(yán)重軟組織損傷、骨筋膜室綜合征、骨髓炎、急性重癥胰腺炎、嚴(yán)重腹部創(chuàng)傷、腹腔內(nèi)感染、體表膿腫、陳舊性血腫、皮膚潰瘍、壓瘡等治療。VSD 用于體腔引流和體表傷口引流，需要在低壓下持續(xù)吸引［7］；而VAC 應(yīng)用于體表創(chuàng)面，特別是慢性創(chuàng)面，需要先持續(xù)吸引一段時(shí)間后再間斷地循環(huán)吸引［8］。

目前臨床使用的醫(yī)用負(fù)壓治療儀體積偏大，患者使用起來(lái)不便利，日常使用活動(dòng)會(huì)受到限制，而且負(fù)壓不穩(wěn)定，耗電多，噪聲大，操作繁瑣，工作模式單一。為了使負(fù)壓傷口治療技術(shù)可以得到更好的發(fā)展，本研究在常規(guī)負(fù)壓治療儀的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)操作簡(jiǎn)單、負(fù)壓穩(wěn)定、多種工作模式、可調(diào)節(jié)壓力、安全性能好、高智能化、質(zhì)量輕、體積小的便攜式微型醫(yī)用負(fù)壓治療儀。同時(shí)適用于燒傷皮膚表面引流、慢性疾病、傷口治療時(shí)間長(zhǎng)的患者，可隨意攜機(jī)離床或外出，不受日常行為活動(dòng)限制，增加病人在治療期間使用舒適度，可攜機(jī)提前出院，縮短住院時(shí)間，降低患者費(fèi)用，以彌補(bǔ)目前臨床上使用負(fù)壓治療儀的缺陷。

1 材料與方法

1.1 便攜式微型醫(yī)用負(fù)壓治療儀電路設(shè)計(jì)

便攜式微型醫(yī)用負(fù)壓治療儀由電源模塊、中央控制模塊、負(fù)壓驅(qū)動(dòng)模塊、引流瓶模塊、報(bào)警模塊、顯示模塊和負(fù)壓力傳感模塊組成，如圖1所示。根據(jù)患者的創(chuàng)面實(shí)際情況選擇不同的治療模式［9］，將敷料覆蓋于患者的創(chuàng)面區(qū)域，連接引流瓶模塊。其中硬件框架由主機(jī)和引流瓶?jī)刹糠纸M成，其中主機(jī)由電源系統(tǒng)、控制執(zhí)行模塊、單片機(jī)［10］（型號(hào)STM32F103VET6）、傳感器［11］（型號(hào)MPXV5050V）、電路報(bào)警模塊、液晶顯示組成?；贛PXV5050V傳感器模塊，以單片機(jī)（STM32F103VET6）為核心的微控制器、控制模塊、傳感器模塊和報(bào)警模塊［12］。系統(tǒng)微處理器采用具有低功率、低電壓32 位STM32F103VET6 ARM，是整個(gè)便攜式微型醫(yī)用負(fù)壓治療儀的控制核心。STM32F103VET6具有72 MHz CPU 的速度和高達(dá)1 MB 的閃存；包含電動(dòng)機(jī)控制外圍設(shè)備以及CAN 和USB 全速接口；結(jié)合實(shí)時(shí)功能的極佳性能，有更好的編碼密度，更快反應(yīng)中斷操作。該型號(hào)單片機(jī)具有64kSRAM、512Kflash、3 個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換數(shù)（ADC）、最大耗散功率為434 mW、4個(gè)通用定時(shí)器、2 個(gè)高級(jí)定時(shí)器、2 個(gè)基本定時(shí)器、80 個(gè)GPIO、12位DAC兩路共有2 個(gè)通道、操作電壓為2.0～3.6 V。

圖1 便攜式微型醫(yī)用負(fù)壓治療儀結(jié)構(gòu)組成示意圖Figure 1 Structure composition of portable miniaturenegative pressure therapy apparatus

單片機(jī)的ADC 是12 位 的逐次逼近型的模數(shù)轉(zhuǎn)換器［13］。它有18 個(gè)通道，可測(cè)量16 個(gè)外部和2 個(gè)內(nèi)部信號(hào)源。各通道的A/D 轉(zhuǎn)換可以單次、連續(xù)掃描或間斷模式執(zhí)行。ADC 的結(jié)果可以左對(duì)齊或右對(duì)齊方式存儲(chǔ)在16 位數(shù)據(jù)寄存器中。模擬看門(mén)狗［14］特性允許應(yīng)用程序檢測(cè)輸入電壓是否超出用戶(hù)定義的高/低閾值。ADC 最大轉(zhuǎn)換速率為1 MHz，也就是轉(zhuǎn)換時(shí)間為1 μs，采樣周期為1.5 個(gè)ADC 時(shí)鐘下得到。系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。其中負(fù)壓傳感器為此儀器的核心運(yùn)行和反饋環(huán)節(jié)，采集來(lái)自于真空泵輸出的負(fù)壓數(shù)值，經(jīng)負(fù)壓傳感器將壓力值轉(zhuǎn)換成一定的電流輸出到濾波電路，再?gòu)腁D 采樣的電路輸出端輸出到單片機(jī)。傳感器使用的是型號(hào)為MPXV5050V 的耐高溫高精度集成式硅壓力傳感器，片內(nèi)信號(hào)調(diào)理、溫度補(bǔ)償和校準(zhǔn)，0 ℃～85 ℃內(nèi)的誤差率為2.5%，溫度補(bǔ)償為-40oC～+125oC。

圖2 便攜式微型醫(yī)用負(fù)壓治療儀電路組成示意圖Figure 2 Circuit composition of portable miniature negative pressure therapy apparatus

1.2 便攜式微型醫(yī)用負(fù)壓治療儀裝置外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

便攜式微型醫(yī)用負(fù)壓治療儀設(shè)計(jì)整體重量控制在1 kg 內(nèi)且可充電，設(shè)計(jì)具有收集瓶卡扣，使收集瓶可外掛，重量和體積始終方便醫(yī)護(hù)人員或患者單手?jǐn)y帶。設(shè)計(jì)產(chǎn)品尺寸為16 cm×8 cm×8 cm（長(zhǎng)×寬×高），尺寸誤差為±1 cm。產(chǎn)品外殼利用硬度適合的ABS 材質(zhì)，單手按壓不容易彎曲變形［15］。引流瓶利用硬質(zhì)PVC，瓶蓋材質(zhì)為橡膠材質(zhì)，保證產(chǎn)品氣密性，瓶塞邊緣應(yīng)平滑。收集瓶瓶體的容量為500 mL，瓶身上有與負(fù)壓機(jī)外殼卡位相匹配的卡位，增加收集瓶卡扣，可以另外掛更大的收集瓶，即使用時(shí)瓶身直接橫放固定在負(fù)壓機(jī)外殼背面（顯示屏一面為正面）。引流連接管采用口徑為3 mm×5 mm 的醫(yī)用硅膠管，透明度高、環(huán)保、無(wú)味，對(duì)人體組織不會(huì)產(chǎn)生危害，具有低收縮率、回彈性好的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)反復(fù)測(cè)試可耐受60 kPa 壓力而不發(fā)生形變，保證吸引力的有效傳遞［16］。便攜式微型醫(yī)用負(fù)壓治療儀的設(shè)計(jì)三視圖如圖3所示。

圖3 便攜式微型醫(yī)用負(fù)壓治療儀的CAD設(shè)計(jì)三視圖Figure 3 Three views of the CAD design of portable miniature negative pressure therapy apparatus

1.3 便攜式微型醫(yī)用負(fù)壓治療儀負(fù)壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過(guò)機(jī)械裝置使泵內(nèi)部的隔膜做往復(fù)式運(yùn)動(dòng)，從而對(duì)固定容積泵腔內(nèi)的空氣進(jìn)行壓縮、拉伸形成真空（負(fù)壓），在泵抽氣口處與外界大氣壓產(chǎn)生壓力差，在壓力差的作用下，將氣體壓（吸）入泵腔，再?gòu)呐艢饪谂懦?。在產(chǎn)品主面板設(shè)定治療的參數(shù)，這些控制參數(shù)輸入到單片機(jī)中，單片機(jī)根據(jù)輸入的參數(shù)控制脈波整形電路，輸出占空比可調(diào)的波形，此脈沖序列經(jīng)單片機(jī)的PWM［17］口輸出，經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)門(mén)U9，再經(jīng)過(guò)光電耦合，使場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，對(duì)電流進(jìn)行整形放大后控制真空泵馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制真空泵產(chǎn)生氣壓的大?。?8］，系統(tǒng)原理圖如圖4所示。其中真空泵的檢測(cè)以及保護(hù)電路如圖5所示、充電指示電路如圖6所示，其他電源電路、充電保護(hù)電路、控時(shí)電路、聲光報(bào)警電路等由于篇幅所限不一一列出。

圖4 便攜式微型醫(yī)用負(fù)壓治療儀負(fù)壓控制系統(tǒng)示意圖Figure 4 Diagram of negative pressure control system of portable miniature negative pressure therapy apparatus

圖5 真空泵的檢測(cè)以及保護(hù)電路示意圖Figure 5 Diagram of detection and protection circuit of vacuum pump

圖6 充電指示電路示意圖Figure 6 Diagram of charging indicator

1.4 便攜式微型醫(yī)用負(fù)壓治療儀負(fù)壓控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后，單片機(jī)首先初始化系統(tǒng)內(nèi)部的寄存器、定時(shí)器及其他軟元件；操作者根據(jù)需求設(shè)定系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，包括運(yùn)行時(shí)間和運(yùn)行模式（也可利用默認(rèn)參數(shù)）；按下觸摸屏啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)啟動(dòng)，開(kāi)始運(yùn)行。系統(tǒng)運(yùn)行期間，可暫停系統(tǒng)的運(yùn)行，當(dāng)再次啟動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)將按暫停前的模式繼續(xù)運(yùn)行，框架圖如圖7所示。

圖7 負(fù)壓控制系統(tǒng)框架示意圖Figure 7 Diagram of negative pressure control system

采用易優(yōu)MT506L 觸摸屏，其功能強(qiáng)大，使用方便，除了具有傳統(tǒng)人機(jī)界面所有的指示燈、開(kāi)關(guān)、數(shù)據(jù)顯示與輸入和異常報(bào)警等功能之外，還具有很多特有功能［19］。利用EasyBuilder 500 組態(tài)軟件設(shè)計(jì)的控制界面，主要有參數(shù)設(shè)定、參數(shù)顯示、系統(tǒng)控制、報(bào)警4部分。界面簡(jiǎn)單易懂，方便操作，而且在原有的系統(tǒng)上面容易擴(kuò)展。系統(tǒng)界面及顯示設(shè)計(jì)：具有電量顯示、時(shí)間顯示、編號(hào)、負(fù)壓值顯示、工作模式顯示、設(shè)定工作時(shí)間、剩余工作時(shí)間、系統(tǒng)設(shè)置、負(fù)壓值設(shè)置、工作模式設(shè)置、增減模式、數(shù)據(jù)回顧等模塊，主界面的布局如圖8所示。在負(fù)壓值設(shè)置界面：參數(shù)設(shè)置中的壓強(qiáng)設(shè)定界面可顯示輸入框及數(shù)字鍵盤(pán)，可正常輸入相應(yīng)負(fù)壓數(shù)值。工作模式設(shè)置界面：進(jìn)入界面后，點(diǎn)擊相應(yīng)的模式，如圖9所示。工作時(shí)間設(shè)置界面：進(jìn)入界面后，點(diǎn)擊對(duì)話(huà)框即可輸入相應(yīng)的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)回顧設(shè)置界面：進(jìn)入界面后，即可看到按編號(hào)順序排列的數(shù)據(jù)，看完后點(diǎn)擊退出即可。

圖8 主界面布局示意圖Figure 8 Layout of the main interface

圖9 工作模式設(shè)置界面示意圖Figure 9 Working mode setup interface

2 結(jié)果

2.1 功能實(shí)現(xiàn)測(cè)試

系統(tǒng)樣機(jī)設(shè)計(jì)完成后，首先進(jìn)行各部分功能測(cè)試實(shí)驗(yàn)，測(cè)試內(nèi)容及測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 便攜式微型醫(yī)用負(fù)壓治療儀功能測(cè)試及結(jié)果Table 1 Functional tests and results of portable miniature negative pressure therapy apparatus

2.2 性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試

對(duì)便攜式微型醫(yī)用負(fù)壓治療儀的各項(xiàng)性能指標(biāo)展開(kāi)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，其測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 便攜式微型醫(yī)用負(fù)壓治療儀實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果Table 2 Results of the experiment test on portable miniature negative pressure therapy apparatus

3 結(jié)論

負(fù)壓傷口治療技術(shù)可以有效防止污染和交叉感染，改善局部供血，減輕組織水腫、減少細(xì)菌數(shù)量、促進(jìn)肉芽組織生長(zhǎng)，減輕病人痛苦和降低治療費(fèi)用，在臨床應(yīng)用中受到重視和歡迎。本文研制的便攜式微型醫(yī)用負(fù)壓治療儀的硬件設(shè)計(jì)功能強(qiáng)，抗干擾能力強(qiáng)，用STM32F103VET6 單片機(jī)為核心使得系統(tǒng)控制精度高、安全性強(qiáng)。經(jīng)過(guò)性能監(jiān)測(cè)，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，具有良好的控制性能和實(shí)用性，達(dá)到操作簡(jiǎn)單、負(fù)壓穩(wěn)定、多種工作模式、壓力調(diào)節(jié)、安全性好、智能化、質(zhì)量輕、體積小的設(shè)計(jì)要求。