可穿戴式創傷光子治療裝置的研制

張凱，陳林凱，柯天立，麥毅源，Lothar Lilge，曾懷萱，何澤月

1.北京理工大學珠海學院 光電成像技術與系統教育部重點實驗室，廣東 珠海 519088；2.University Health Network/University of Toronto，加拿大 多倫多 M5G1L7

引言

利用可穿戴式創傷光子治療裝置可以隨時隨地治療各種創傷，是醫療儀器的一項創新。微電子技術的高速發展也為該技術的開發提供了必要的條件[1-3]。這類裝置的大眾化可以很好地提高人們的生活質量，具有重大意義。自21世紀以來，人們的生活水平不斷提高，國家也越來越重視體育文化建設。因此人們對于運動越來越重視并積極參與其中，但是有些劇烈運動難免會對人造成意外而受傷，例如跑步摔倒擦傷，打籃球扭傷腳是司空見慣的事。再如病人所需要的手術，都會對皮膚細胞造成不同程度創傷。由此可見，對于創傷治療顯得異常重要[4-8]。目前國內關于創傷治療的常用方法是藥物外用和內服兩種傳統方法，其中外用藥物以敷為主，傷者需要隨身攜帶藥物或到藥品存放處取用，且傷口恢復周期長。而內服藥物中成分復雜，盡管使用普遍且效果明顯，但針對性不強，有的對人體其他組織器官會產生一定的副作用，若長期使用甚至會造成潛在威脅[9-10]。目前現有技術均為大型臺式結構或落地式結構，體積較大，重量較重，不便于隨身使用[11]。且不是所有的醫院都有，需要專門的治療空間和工具，操作步驟繁瑣，不能滿足大眾自我治療的需求，因此開發一種新型有效的人體創傷治療裝置是非常必要的。

陳志勇等[12]使用的是低能量紅光對人表皮細胞株等進行刺激，對人皮膚有一系列良性反應，因此可將其用于人體皮膚一般傷口進行輔助治療。車明海等[13]使用的是藍紅光結合對創傷性傷口進行治療，由于藍紅光一起照射時會相互影響，其效果并不能達到一加一大于等于二，因此本研究將紅光與藍光分離，舍去藍光而保留紅光治療皮膚創傷。張瑾等[14]介紹了真皮與創面再生或瘢痕愈合的關系，通過紅光照射可以促進創面再生和瘢痕愈合，達到美容的效果而沒有副作用。王海濤等[15]介紹了皮膚創傷愈合的一般生理機制，紅光照射起到的作用是刺激皮膚創傷愈合的生理機制，使傷口更快愈合。康春福等[16]深入介紹了缺氧誘導因子對創傷愈合的影響，為本研究的使用方法提供了很好的方向。

本研究所描述的創傷治療系統從治療的角度出發，針對上述所提到的各種問題，提供了一種可穿戴式的解決方案。該裝置由可充電鋰電池供電，非常便攜。該裝置的技術采用紅光LED陣列與微處理器結合，能在短時間內促使病變組織蛋白質固化，改善局部血液循環，增強免疫功能，促進局部組織的新陳代謝并產生一系列良性反應，促使新的鱗狀上皮細胞生成，加速對滲出物的吸收，減弱肌張力，從而達到消腫，消炎，鎮痛，根除糜爛組織，加速傷口愈合以致去病的目的。病人可根據自身創傷程度來設定紅光LED照射時間。本裝置制作在柔性電路板上，可佩戴于人體不同部位。本治療裝置由STM32芯片控制，并采用低功耗的OLED作為系統的顯示界面。

1 系統設計

本創傷治療系統的結構組成，見圖1。單片計算機：采用STM32單片機，對不斷輸出的紅光LED進行強度與時間的控制；可充電鋰電池：3.7 V聚合物鋰電池，90 mAh；充電管理電路：采用TP4056芯片，具有保護電路功能，可為鋰電池充電；OLED顯示屏：顯示紅光LED照射強度與時間等信息；LED驅動電路：恒流電源，保證LED發光強度恒定；紅光LED：波長為650 nm左右，刺激皮膚膠原蛋白再生，促進新陳代謝，加速傷口愈合；蜂鳴器：當設定的照射時間結束時自動報警提醒；按鍵：手動按鍵，通過按鍵控制紅外陣列照射時間。

圖1 創傷治療系統框圖

整個系統由可充電電池供電，電壓不高于5 V，因此對于人體是絕對安全的。各個組成電路的原理圖，見圖2。

其中，紅光LED陣列用恒流源驅動，以保證LED的發光功率穩定輸出。并且，紅光LED陣列使用柔性電路板制作，易于彎曲，適用于各個部位照射，見圖3。定時設置可通過按鍵設置并顯示在OLED顯示屏上，按下確定鍵后，OLED顯示屏開始計時，每過一秒LED指示燈就閃爍一次，同時STM32單片機控制恒流源驅動紅光LED陣列開始發光，當設定時間一到，紅光LED陣列停止照射，同時啟動聲音報警。整個治療裝置，見圖4。

圖2 創傷治療系統各個組成電路原理圖

圖3 柔性LED電路板

圖4 實物圖

2 結果及討論

整個系統設計完成后，裝配在一片30 mm×30 mm的雙面印刷電路板上，并配用3D打印技術完成的柔性機殼。紅光LED陣列照射功率檢測準確性的標定，采用美國Newport公司生產的843-R型激光功率計測量，該功率計是根據美國國家標準局的要求標定的。由于該創傷裝置主要是用來治療傷口的，因此使用創可貼及紗布等作為阻礙物。經實驗測得，紅光LED陣列在無任何阻礙物及有阻礙物照射時的光功率，見表1～2。

表1 紅光LED陣列透過不同創可貼后的光功率讀數

表2 紅光LED陣列在透過不同層數的白紗布后的光功率讀數

根據表1，經過實測，光衰弱最高的云南白藥創可貼光密度值為1.067 ，對應的光功率為9 mW/cm2。因此，即使在傷口處有包扎或使用創口貼等情況下，該創傷光子治療裝置依然有效。云南白藥創可貼與邦迪苯扎氯銨貼是含有藥物的加厚創可貼，由于創可貼本身阻礙作用再加上藥物吸收部分紅光或產生漫反射導致光功率衰弱較大，因此在使用本裝置的情況下建議使用普通創可貼療效更佳，或適當延長紅光LED陣列照射時間即可。根據表2可知，光功率是隨紗布層數增加而遞減的，一般而言病人是根據不同傷口程度進行不同層數包扎的，包扎層數過多對創傷部位的傷口愈合不利，一般不超過6層，該層數依然比一般創可貼效果要好，因為紗布有許多小孔，有助于更多的紅光照射到傷口。另外，即使在光功率最強的情形下，也沒有超過國際激光安全標準IEC60825-1-2007所規定的皮膚表面照射功率密度200 mW/cm2的閾值。每次的光照時間是用戶可調節的，就是說當使用的紗布層數少而透過的光功率密度較大時，可以適當減小照射時間。

關于本光子治療裝置的功能，本系統采用紅光LED陣列，產生紅光波段，其光生物作用主要是光化學作用。由于紅光的刺激可以使纖維細胞數目增加，增加膠元蛋白的形成，故可以加強細胞的新生，并可以促進肉芽組織生長，增強細胞的新陳代謝，促進細胞合成，從而加速傷口愈合。對于手術后傷口愈合也有很好的促進作用。

3 結語

針對體表創傷這個巨大的應用空間，本文所描述的可穿戴式創傷光子治療裝置，利用了光子對組織的消炎、止痛、促進傷口愈合的作用，與現有的大型紅光治療儀器相比，具有便攜、靈活、可隨時隨地使用等明顯優點。所采用的紅光LED陣列可配合創可貼或其他傷口敷料使用，可用于使用者身體表面的任意部位而無任何負面影響。而且也適合于在戰場上對傷員的包扎處理。

近年來LED生產工藝有了很多改進，柔性電路板的價格也在逐漸下降，下一步的工作可以研究采用柔性的OLED發光體取代表面貼片式的剛性LED芯片，在發光驅動模式方面，可以研究脈沖式方式，通過提高峰值光輻射功率來加大光子穿透深度，從而提高傷口愈合速度。隨著現代半導體技術的發展，預計這項技術將會很快普及，造福人類。

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