基于溫濕度傳感器的特護失禁內褲的研發

黃 銳， 肖愛民

(新疆大學 紡織與服裝學院, 新疆 烏魯木齊 830046)

失禁是指大小便排泄器官功能完全或者部分喪失，從而導致尿液或糞便失去控制而不自主的排泄[1]。導致失禁問題的原因很多，除先天因素外，后天因素如急危重癥、偏癱患者、高齡失能者、精神障礙、植物人等，患者常因各種機能障礙導致括約肌松弛或喪失出現失禁，每天排泄多達數次，尿液為液體，大便時常有稀糊便或水樣便，每次排泄量多少不定且沒有時間規律可循[2]。近年來，隨著人口老齡化的加劇，護工看護量也隨之增加，但個體看護效率呈現降低的趨勢，這讓原本不充足的專業醫護人員資源更加緊缺。長期或反復暴露于尿液和糞便中的皮膚容易引發失禁性皮炎的發生，如潮濕浸漬損傷、會陰部皮炎、刺激性皮炎等，給患者帶來痛苦，也給護理增加了難度[3],因此，準確地監測失禁問題不僅可提高護理效率，還可降低患者的并發癥風險。

目前市面常見的具備提示作用的失禁產品大致可分為基于材料和基于傳感器的產品[4]。傳感型產品如具有報警系統的智能成人失禁褲，利用了導電紗線制作柔性傳感器。其工作原理是當傳感器浸濕時回路閉合，報警系統就會被引發。由于警示方為患者，需患者主動尋呼，該產品缺點在于對護理人員的提示較弱，其警報系統會打擾患者休息。香港啟通科技公司推出的CAREase是全球首款尿濕護理系統，患者穿上專門的感應紙尿褲，通過無線感應器可在接收器端顯示紙尿褲的尿濕程度，護工可根據接收器的提示對患者進行護理，極大地提高了護理效率，但其功能的實現必須要配備同品牌的紙尿褲，且接收器較大不便于攜帶，價格也相對較貴。材料型產品主要是通過使用新材料改善芯體完整性加大其吸收力度，防止側漏，并在底部設置潤濕變色條，護工可根據變色程度判斷是否需要更換[5]。

目前具有提示作用的失禁褲多為一體式紙尿褲，存在著更換和監測方式不夠便捷，價格昂貴，不易拆卸等缺點，本文設計了一款經濟高效的特護失禁內褲，在明確設計思路后，首先將功能模塊設計按照硬件模塊設計、傳感器改造、運行程序設計和APP開發的順序進行開發；然后通過對款式、面輔料和失禁內褲結構等分析，結合功能模塊制作出特護失禁內褲；最后將該產品進行試驗驗證，通過實際穿著評價法和編程模擬試驗法來驗證該產品的有效性。

1 設計思路

需要特殊護理的失禁患者大都處于臥床狀態，解決其排泄問題主要有4種：紙尿褲、接尿器、便盆、醫用護理器[6]。紙尿褲是市面上使用最為廣泛的產品，護理人員在選擇產品時通常比較困難，迫切需要一款價格低廉且具有良好功能兼容性的產品，因此，本文整合硬件技術、服裝結構、上位機開發，設計制作一款具有可拆卸、易更換、遠近端提醒的智能失禁內褲，其設計可承載任意半體型紙尿片，監護設備可與任意手機綁定，價格低廉，是一款可拆卸水洗的失禁患者輔助內褲。

首先對失禁患者下體失禁環境進行分析，依據環境特點分析內褲設計的要點，而后根據設計要點，分別從載體和功能2方面出發進行內褲的設計。其載體設計為結構和面料2個方面；功能設計分為溫濕度硬件檢測端開發和遠程APP監測端開發。在完成失禁內褲設計與制作后，分別對新款失禁內褲的功能性、有效性和舒適性進行測試，以評判其是否達到預期目標。

2 功能模塊設計

通過研究對比，本文所設計的失禁內褲是通過檢測下體的溫濕度，根據預設程序，將信息實時反饋到手機端，當溫濕度超出其預設值時從遠端和近端同時提示護工及時更換紙尿片。

目前適用于此項功能的芯片主要有3種：STM32、51單片機和Arduino。Arduino是封裝好的一系列元件，開發方式簡單且效率相對較高，其社區開源的特性讓很多非專業人士可在短期內實現與其他單片機同等的功能。由于其封裝的特性也會使得其體積較大,同時，價格也相對較高[7]。51單片機的開發歷史較長，價格低廉，材料易得且相關資料豐富，適合用于簡易功能的開發和批量生產。STM32相比51單片機在內核、地址空間、存儲器和外設都有極大提升，外圍接口豐富，可控制的部件更多，但開發起來有一定的難度[8]。

本文設計選擇使用51單片機中的STC89C52單片機進行開發，首先本款產品的功能需求不高，該控制器完全可滿足本款設計的開發目的[9]；其次，其材料成本低廉，對元件的開發程度更自由，可以極大地降低開發成本，后續產品價格也會更具普適性。選用DHT11溫濕度傳感器進行產品開發[10]，能夠較為精確地測量溫濕度變化，傳感器大小僅為1.2 cm×1.5 cm×0.5 cm，豎直放置于股溝處幾乎沒有異物感。

2.1 硬件模塊設計

智能特護失禁內褲的基本工作原理是，將延長的溫濕度傳感器置于肛門處，并在內褲上安裝可拆卸的導線接口,如圖1所示。將主板置于病人床頭或病床外側并配置指示燈和WI-FI模塊，通過開發的手機APP可實時監控患者的體溫和濕度數據。

當病人失禁后，其溫濕度會發生變化，當實際數值大于預設值時判定為失禁，控制器的報警燈會亮起，同時遠程端的手機APP也會顯示異常，提醒護工及時更換紙尿片。失禁內褲電路硬件連接圖見圖1(a),失禁內褲電路系統邏輯設計見圖1(b)，其中，ESP-OlS WI-FI模塊為ESP8266 WI-FI模塊的細化型號。

圖1 特護失禁內褲的硬件模塊設計

2.2 傳感器改造與靈敏度測試

圖2示出特護失禁內褲的傳感器改造流程。由于下體本身具有一定濕度，而傳感器非常靈敏，故在傳感器內芯外部用膨體聚四氟乙烯(ePTFE)疏水膜進行包裹。該膜具有強烈的疏水性，氣體過濾精度為0.01 μm，效率可達99.9%，具備極高的孔隙率，低氣阻、高通量，保證傳感器內芯在浸濕狀態下也能正常工作，可感應空氣濕度而不至于被尿液腐蝕損壞[11]。本文所設計的特護失禁內褲，主要是將傳感器進行了外置延伸，其外接延長線采用防水杜邦線，傳感器接口處用延長線內置銅絲纏繞，并于外層涂抹絕緣液體膠后，再在其外使用高固含量的室溫固化硅橡膠進行絕緣加固處理。相比傳統的熱縮管，硅橡膠可以做到對精密部位的無死角防護，且固化后的外殼具有極佳的強度和彈性，良好的性能使人體舒適度更高。改造過后的傳感器濕度感應平均比未改造版的濕度感應曲線大約延遲5 s，這是由于疏水膜阻擋了部分水分子的進入。在高飽水狀態下的濕度顯示為95%，故建議設置的預警濕度為90%。

圖2 特護失禁內褲的傳感器改造流程

2.3 運行程序設計

本文系統控制器在Keil軟件中進行編譯，其控制語言為C語言，通過主控制芯片實現對各硬件部分的控制。如圖3所示，主程序邏輯設計主要由3個子程序組成，分別是溫濕度讀取子程序代碼、用if…else語句添加報警功能代碼以及串口發送數據的代碼。首先根據溫濕度讀取的子程序，要根據DHT11的官方說明定義傳輸數據，在校驗數據的有效性后根據DHT11的時序圖得出讀取傳感器的步驟。然后添加報警功能的子程序，先定義一個用于LED濕度過高的指示燈引腳，再定義一個溫濕度上下限的報警值，最后用if…else語句設定一個判斷程序用以判定是否需要亮起指示燈。溫濕度讀取完畢后，再通過串口將數據發送出去，設置為每隔5 s讀取數據然后發送。

圖3 主程序邏輯設計

2.4 APP開發

2.4.1 APP開發環境以及基本信息

開發工具為Android Studio，運行環境為JDK1.8，系統版本兼容Android Q4.0到Android9.0系統，Gradle版本為6.1.1，程序主要有主頁面、設置頁面和歷史記錄頁面，布局方式基本用相對布局和線性布局。

2.4.2 頁面介紹

如圖4所示APP界面，主頁面包含控件TextView(展示溫度和濕度)、LineChart(繪制溫度和濕度的折線圖)。歷史頁面包含一個ListView列表，設置頁面包含TextView(顯示文本)、EditText(輸入框)、Button(按鈕)。首先在APP項目中初始化各類控件，獲取網絡權限、振動器權限、以及內存讀寫權限，定義好和單片機通信的協議常量，使之與單片機匹配達成通信標準，并且初始化SQLite數據庫并創建數據表，用來儲存數據，數據表設計了4個字段分別是ID(自增ID)、時間(time)、溫度(temp)、濕度(humidity)；設置頁面主要是設置溫度和濕度的上下限，設置成功后保存到手機本地，用于主程序識別時判斷是否報警。主頁面主要是通過局域網絡連接單片機Wi-Fi模塊，手機端建立1個ServerSocket，負責接收ESP8266發送的數據，端口為5000，在定時線程中APP不斷地循環接收單片機傳來的溫度和濕度數據。由于單片機傳過來的是16進制數，所以主頁面還需將16進制數轉化為十進制，轉化成功后將數據展示到主頁面上，并刷新相應的折線統計圖。在刷新視圖的過程中，還需要判斷是否超過設置的上下限，如果超過則改變字體的顏色做出相應的報警反饋，控制振動器實現震動。在以上的刷新過程中，程序每隔1 min獲取1次結果并保存到本地SQLite數據庫中，用于保存歷史記錄，歷史記錄頁面讀取數據表中的數據保存到數組隊列中，通過適配器將數據設置到列表中展示出來，以供查看。

圖4 APP界面

3 失禁內褲設計方案

3.1 款式設計

特護失禁人群長期處于臥床狀態，護工在更換紙尿褲時通常是先把患者兩腿叉開，將紙尿褲前片卷至下體，然后把患者身體移至一側，抽出舊紙尿褲，擦拭后，再更換新紙尿褲。更換過程中由于患者一側壓床，護工固定好紙尿褲非受力側后把患者移至正位，再把紙尿褲另一側開口從身下掏出黏合，最后整體調整完成全過程。對此，經調查發現90%以上的失禁內褲的開合部位都與紙尿褲一樣位于胯部兩側，此類設計相當于紙尿褲的外殼化，能夠在一定程度上方便患者的紙尿片的更換，但依然存在一些問題，如更換時失禁內褲前片不宜對位、襠部壓力僅依靠松緊帶調節腰部壓力不好調整。本文根據這個特點，設計了一款三開身可調節的失禁內褲。

此款內褲可結合任意一款紙尿片組合成一款新的紙尿褲，其三開的設計使護工在二次更換時無須打開受力側側縫就可完成整套更換流程，同時為了更好地適應不同體態的患者，在腰部設置了可調節的松緊帶，可根據患者的需要進行調節。在內褲與紙尿片的結合方式上，除了紙尿片自身攜帶的黏膠外，可拆卸的內褲浪底還可根據體態和紙尿片的不同進行松緊調節，起到很好的托舉作用。盡管在此款設計中，紙尿片主要承擔了防側漏和芯吸的功能，但還是在內褲后、側方設置了TPU防水層，以防護工更換不及時造成的側漏問題。經調查，紙尿片的價格約為紙尿褲的一半，且此款設計是洗可穿的，這在一定程度上也能節約后續成本。特護失禁內褲實物圖如圖5所示。

圖5 特護失禁內褲正、側、背面實物圖

3.2 面輔料的選擇

整體上采用石墨烯針織面料，其具有抑菌、透氣、遠紅外、彈性適度等特點，為了防止其側漏問題，在易側漏的區域進行TPU防水膜處理，里層面料采用薄型針織粘膠纖維布進行覆蓋處理。為適應不同體型和圍度，選用寶寶用魔術貼進行松緊調整。特護失禁內褲的輔料覆蓋范圍及平面展開圖如圖6所示。

圖6 特護失禁內褲的輔料分布及平面展開圖

3.3 傳感器位置的優選

在對失禁問題的研究過程中，采用遇水變色試紙，在紙尿褲上進行2×2的矩陣排列，正常成人每次排尿量為250～300 mL，模擬失禁患者300 mL的排尿量時在仰臥、左側臥和右側臥時的失禁區域問題。在試驗觀察中發現，患者的尿液大都會根據重力向下流淌，仰臥時后方的浸濕面積明顯大于前方，側臥時根據尿量不同前后方均有浸濕，而排便主要位于肛門處，也處于浸濕范圍內。故可以認為，不論是尿失禁還是大便失禁，其排泄物都會經過肛周皮膚，故應將傳感器探頭置于肛門處為宜，其導線可引至外側，通過內褲外側開設的接口固定，以防掉落或位移。失禁的浸潤實驗圖如圖7所示。

圖7 不同姿勢下的失禁區域圖

4 試驗驗證

4.1 服裝舒適性測試

4.1.1 舒適度主觀評價

由于常見失禁人群為老年群體，招募了6位年齡在70～80歲之間的女性受試者參與舒適性主觀評價試驗。測試內容為受試者平臥于病床上由護工為其穿戴3款市面常見的失禁內褲和此款特護失禁內褲，完成測試后進行主觀問卷調查。

本文試驗規定受試者采用十分制評分量表來量化她們感受的程度，分值越小表示對該選項的感受程度越低，分數越高表示對該選項的認同程度越高，評估結果如圖8所示。

圖8 主觀評價圖

4.1.2 舒適度客觀評價

除了主觀測試，本文研究還設置了客觀評價環節，讓6名專業護工在為受試者實際更換了3款市面常見的失禁內褲和本文設計失禁內褲后從專業人員的角度填寫問卷。評估結果如圖9所示。

圖9 客觀評價圖

由圖8、9可知，在主客觀評價的前5個相同的選項中，此款特護失禁內褲的穿戴困難度和舒適度與其余3款失禁內褲基本持平，更換便攜度、喜愛度和性價比均高于其他3款，可以認為這是一款性價比高、穿戴較為舒適方便、更換高效且易被喜愛的產品。從主觀評價的后3個選項可看出，由于是可調節的設計，并不會對穿戴者產生壓迫，其接合處不會對體表產生刮擦感，傳感器的放置可能會產生異物感但并不明顯。從客觀評價的后3個選項可看出，從護工的客觀角度來說，此款失禁內褲可提升看護效率，其防護性能和適用度均受到了好評。

4.2 警示功能測試

4.2.1 編程模擬試驗法

表1 對照組模擬試驗

4.2.2 實際操作法

由6位職業護工分別為6位受試者更換3款市面上常見的普通失禁內褲和此款特護失禁褲，共測試4款，每款更換5次，于第5次取下，以模擬次數為橫坐標，結果如圖10所示。由圖中每款的更換時間折線對比可知，特護失禁內褲在初次更換時所用時間稍長，在其后的更換效率上優于其他款式。

圖10 4款失禁內褲的對比折線圖

4.3 測試結果

表1示出模擬試驗結果，無提示組在5次模擬當中的每日平均排泄未看護時長為2.38 h，平均巡視次數為16次，有效護理次數5次，有效護理效率為31.25%。有提示組在5次模擬當中的每日平均排泄未看護時長為1.44 h，平均巡視次數與護理次數一致，有效護理效率為100%。由圖10可知，在4款失禁內褲的實際操作中，首次更換所需的時間對比為：紙尿褲<失禁內褲1≈失禁內褲2<特護失禁內褲。這是由于失禁內褲1和失禁內褲2都需要在紙尿褲的安裝基礎上加裝紙尿片，而特護失禁內褲還需要在首次穿戴時安裝傳感器，故時間耗時最久，但總耗時差別不大。在第2、3、4次更換過程中，所用耗時對比為特護失禁內褲≤失禁內褲2<紙尿褲<失禁內褲3，這是由于失禁內褲3的紙尿片需要置于夾層處，安裝費時，且在僅有1條內褲的情況下需要將內褲完全解下再更換，耗時較長。失禁內褲2相比紙尿褲，外殼無需更換，只需更換紙尿片，更換過程更為省力，但病患壓床側需要解開，在后續整理上和傳統紙尿褲無區別。特護失禁內褲由于其三開的設計，病患受力側無需對其解開，僅需打開其下側和一側開口即可完成整套流程，且后續調整過程更加方便快捷。在第5次取下過程中，用時對比為紙尿褲≈失禁內褲1≈失禁內褲2<特護失禁內褲，這主要是由于傳感器的拆卸比其他3款多耗時10～15 s。分析可知，特護失禁內褲在穿脫時耗時相對較久，但在二次更換效率上優于其他3款常用失禁內褲，適用于需要長期穿戴失禁內褲的臥床患者。

如圖11所示模擬試驗結果可知，有提示組的排泄未看護時長總體低于無提示組，對應2組的看護效率系數有提示組優于無提示組，可認為在看護效率上，使用特護失禁內褲的試驗組可提高護工的看護準確性，護工的看護效率更高，且排泄未看護時長也變得更低。未提示對照組的護工在不知是否排泄的情況下進行了多次無效查詢，效率低下。結果表明穿著特護失禁內褲有利于提高護工的看護效率和準確性。

圖11 模擬試驗的不同結果

結果表明,特護失禁內褲在一定程度上提高了護工的看護效率，并對患者來說是舒適安全的。

5 結束語

本文從失禁人群的實際問題出發，通過市場調研和臨床考察，對特護失禁患者的內褲進行舒適性和功能性的改善與設計。針對其舒適性，主要從服裝結構和面料性能入手，在改善其舒適性的同時，通過結構設計，優化了二次看護的后整理步驟，使得護工在二次看護上效率有所提升，其功能設計主要包括2個方面，其一是針對失禁的浸濕問題，對傳感器進行了防水延長改造和最佳定位優選。其二是對下體溫濕度進行監測與反饋，利用DHT11溫濕度傳感器、STC89C52控制平臺和APP開發平臺實現該功能。經測評，該失禁內褲的舒適性較好，溫濕度的監測和警示功能良好，在多次更換效率上有顯著提高。

同時，本文設計也存在一定的不足之處。由于外置控制器相對較大，會對需要出行的患者在一定程度上造成不便，但可針對需要出行的失禁人群專門設計一款微型控制器。電子產品在日常使用時會有一定損耗，其使用壽命暫時無法測定。

未來對失禁患者的內褲設計與研究應在改善其舒適性的同時，注重其功能性的開發。如將傳感器柔性化處理、改善數據的傳輸方式以及對材料的進一步研究提高其功效。