一種中央加壓冷療系統(tǒng)的設計與應用

毛坤劍

廈門市第五醫(yī)院 （福建廈門 361101）

冷療法是將低于人體溫度的物質作用于人體表面，通過神經(jīng)傳導引起皮膚和內臟器官血管的收縮，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鍵措施，低溫可以使血管收縮，改變細胞通透性，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，而且冷療過程中溫度無法控制，使用起來比較麻煩并且冷療效果不佳。現(xiàn)有的加壓冷療系統(tǒng)也是在冷療桶內部加入冰袋，再通過氣泵加壓到冷卻袖帶上，其冷療溫度無法控制。國內外最新的全自動冷療儀可以實現(xiàn)冷療溫度和冷療壓力控制，但是其均只有一個輸出通道，當患者需要多部位冷療或者同一病房多例患者需要冷療時，需要多臺全自動冷療儀才能滿足使用，使用起來比較麻煩[2]。

基于上述情況，設計一種中央加壓冷療系統(tǒng)，通過中央制冷系統(tǒng)將水冷卻到治療所需溫度，再通過中央水泵對冷卻水進行加壓，并通過多條管道將冷卻水傳送到不同的冷卻袖帶上，同時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)已獲得實用新型專利，專利號為ZL201820839612.3。

1 系統(tǒng)整體結構

本系統(tǒng)主要由單片機控制模塊、中央制冷模塊、中央水泵加壓模塊、溫度控制與監(jiān)測模塊、壓力控制與監(jiān)測模塊、各種冷卻袖帶等組成，中央制冷模塊將內置水箱內的水冷卻到治療溫度后，再通過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、腳關節(jié)袖帶、膝關節(jié)袖帶、冰帽、冰痰等，其系統(tǒng)結構示意見圖1。

1.1 硬件設計

本系統(tǒng)的單片機控制模塊采用的主控制芯片為STM32，主要包括按鍵電路（控制冷療時間、開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、治療時間、報錯信息等）、報警電路[提示治療時間已到、各種報錯信息（包括斷電報警、壓力錯誤報警、溫度錯誤報警等）]，這些信息以液晶顯示的方式顯示在屏幕上，還有電源電路、復位電路、晶振電路等[3]，其系統(tǒng)示意見圖2。

圖1 中央加壓冷療系統(tǒng)結構示意圖

圖2 控制電路系統(tǒng)框圖

1.2 中央制冷模塊設計

本系統(tǒng)的中央制冷模塊主要是實現(xiàn)整個中央冷療系統(tǒng)內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、冷凝器和節(jié)流閥組成，其結構示意見圖3。在水制冷過程中，制冷劑由壓縮機排出，此時壓縮機為高溫高壓氣體，經(jīng)過冷凝器變化為高溫高壓液體，再通過節(jié)流裝置將制冷劑變化為低溫低壓液體，再經(jīng)過蒸發(fā)器蒸發(fā)，即可使整個水箱的箱體溫度下降，進而達到冷卻水的目的。

圖3 中央制冷模塊結構圖

中央制冷模塊的控制電路圖見圖4。當主控制芯片PD0腳輸出低電平時，三極管Q1導通，進而導致繼電器J1吸合，壓縮機M1就得電進行開啟模式，圖中R1、R2為偏置電阻，C1為啟動電容。

圖4 中央制冷模塊控制電路圖

1.3 中央加壓模塊設計

本系統(tǒng)為能夠改善和增強治療效果，將冷療與加壓相結合，因此該系統(tǒng)具有中央加壓模塊[5]。本系統(tǒng)共有6個通道輸出，相應的每個通道均采用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，其電路控制見圖5。例如，當?shù)谝煌ǖ肋M行冷療時，STM32的PD1腳輸出低電平時，開關管Q2、Q3均導通，一方面繼電器J2吸合，直流加壓電機M2正常工作，另一方面水流電磁閥K1打開，這樣水箱的冷卻水就可以通過氣泵和電磁閥直接流向冷卻袖帶上；當?shù)诙ǖ肋M行冷療時，STM32的PD2腳輸出低電平時，相應的電磁閥和加壓水泵進行工作，其他通道以此類推。

圖5 中央加壓模塊控制電路圖

1.4 溫度控制與檢測模塊設計

在患者不同康復過程中，為了達到最好的效果，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LM35,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是使用時無需外圍元件，也無需調試和校準，其電路圖見圖6。從圖6可知，傳感器LM35放置于冷卻水箱的內部，用于檢測冷卻水的溫度，其采集的電信號經(jīng)過R9和C2電容使采集到的與溫度成比例的電信號更加穩(wěn)定，再經(jīng)過放大器Q4進行放大送給模數(shù)轉換器ADC0804進行模數(shù)轉換，最后送給主芯片STM32，通過顯示模塊顯示出來。

圖6 溫度傳感器電路圖

1.5 氣壓控制與檢測模塊設計

該系統(tǒng)可以根據(jù)患者的個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個通道加壓上采用6個加壓水泵，實現(xiàn)每個通道壓力的獨立控制。

本系統(tǒng)采用電阻應變式壓力傳感器采集壓力信號并轉換為電信號，在經(jīng)過運放放大器放大電信號和模數(shù)轉換器轉化為數(shù)字信號給主控制芯片STM32，其電路圖見圖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，其采集的電壓信號通過R12、R13到運放放大器Q5放大后傳輸?shù)街餍酒M行處理[7]。

圖7 壓力傳感器信號采集電路

2 軟件設計

該中央加壓冷療系統(tǒng)開機后自動進行系統(tǒng)初始化，醫(yī)務人員在確定治療方案過程中，必須確定冷療通道（共6個通道）、治療時間、治療溫度和治療壓力。在治療過程中，液晶屏一直顯示治療時間、治療溫度、治療壓力等數(shù)據(jù)信息，當治療時間到時，報警電路報警，提示患者治療結束，其主程序見圖8。

圖8 中央加壓冷療系統(tǒng)主程序框圖

3 臨床測試

中央加壓冷療系統(tǒng)通過中央加壓冷療系統(tǒng)主機進行統(tǒng)一的治療溫度、治療壓力、治療時間設計，其前端有6個輸出通道，能實現(xiàn)6個通道壓力的獨立控制，這樣可以同時滿足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)主機的外觀結構見圖9。

本系統(tǒng)設計的中央加壓冷療系統(tǒng)可以實現(xiàn)冷療配合局部加壓的治療方案，進一步提高患者的冷療效果。本系統(tǒng)可以根據(jù)患者的個體差異、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。在臨床運用過程中，一次能夠冷療多例患者膝關節(jié)術后、關節(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]。整個中央加壓系統(tǒng)有6個通道輸出接口，根據(jù)患者的要求，選擇對應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，同時滿足多例患者的冷療需求或者單例患者多個部位的冷療使用，進一步滿足患者冷療的需求。其整個系統(tǒng)與傳統(tǒng)的加壓冷療系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢，其與同類對比結果，見表1。

4 結語

圖9 中央加壓系統(tǒng)主機

表1 中央加壓冷療系統(tǒng)與傳統(tǒng)冷療設備分析比較

冷療在患者消炎、鎮(zhèn)痛、緩解痙攣、手術康復等過程中起到了重要作用[1]。本系統(tǒng)針對傳統(tǒng)冷療方法的不足和缺陷，設計一種中央加壓冷療系統(tǒng)，通過設定不同的冷療溫度、冷療壓力、冷療時間等參數(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。整個系統(tǒng)采用不可移動使用，或者固定在病房上，安裝方便，使用簡單，對于提高醫(yī)療質量、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，導致其中央加壓冷卻系統(tǒng)主機過于龐大，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個通道的冷卻袖帶溫度相同，為了實現(xiàn)患者不同部位需要不同溫度的需求，進一步研究方向是各通道設計獨立的冷卻系統(tǒng)。