基于STM32 的深靜脈血栓預防裝置設計與實現

王佳升，陳國明，劉盛平，李嘉旭，鞏鵬程

（重慶理工大學藥學與生物工程學院，重慶 400054）

深靜脈血栓（Deep Vein Thrombosis，DVT），是指血液在深靜脈內異常凝結從而阻塞靜脈管腔，引起下肢靜脈回流障礙[1]，嚴重時可出現肺栓塞并發癥、致殘或者致死[2]。間歇性的機械預防措施如空氣波壓力治療裝置已經被證實在預防和治療深靜脈血栓方面有較為理想的效果，目前在醫院等場所被廣泛應用[3-6]。但是由于價格、充氣方式、便攜性等方面的限制，該類產品并沒有得到普及性的應用。因此，基于間歇性加壓充氣裝置(Intermittent Pneumatic Compression，IPC)療法[7-8]，設計一款適用于長期臥床或久坐、久立人員的便攜式裝置，能夠有效預防深靜脈血栓疾病。

1 系統總體介紹

1.1 系統組成

該系統主要是由硬件控制電路以及氣路裝置組成，以STM32F103C8T6 單片機為核心，控制氣路中各電磁閥和氣泵的通斷實現氣囊的充放氣，達到模擬按摩的效果，并通過壓力傳感器將采集的氣壓信息反饋給單片機，實現系統的負反饋。此外還為用戶提供了人機交互界面，通過按鍵設置按摩模式、按摩時間和按摩壓力，可視化界面采用OLED屏，利用蜂鳴器進行系統提示與報警，系統框圖如圖1 所示。

圖1 系統框圖

1.2 系統工作流程介紹

通過設計一款基于STM32 的便攜式按摩儀，利用間歇性充氣加壓的空氣波對下肢靜脈血栓進行預防。系統有兩種按摩模式可供用戶選擇，即順序按摩和多腔配合按摩[9]。由于氣腔容積較大，對氣腔進行預充氣，保證按摩的舒適性和連貫性。初始化完成后，利用按鍵設置按摩模式及按摩時間，同時在屏幕上顯示當前工作模式和氣壓值，達到設定時間后系統提醒用戶按摩完成。

在順序按摩的模式下，氣泵分別對四個氣腔由遠心端到近心端依次進行充氣并保持不放氣，當全部氣腔氣壓達到設定值且保持一段時間后再放氣，以上步驟為一個周期，循環工作，達到設定時間后停止工作，其按摩過程示意圖如圖2(a)所示[10]。

圖2 肢體按摩示意圖

在多腔配合按摩模式下，兩個氣腔配合工作，達到模擬擠壓血液回流的按摩效果。其工作流程如下：氣泵依次對氣腔充氣，使相鄰的兩個氣腔保持按壓狀態，在某個氣腔充氣的同時與之相間隔的氣腔進行放氣，其余氣腔保持原有狀態，直到第四個氣腔完成充氣，實現一個周期的按摩，重復以上過程，達到設定時間后停止工作，其按摩過程示意圖如圖2(b)所示。

2 系統硬件設計與實現

2.1 電源模塊

為了滿足系統各部分的供電需求，該設計需要的電源電壓分別為5 V 和3.3 V，故采用micro USB接口實現5 V 供電和通信，通過低壓差線性穩壓器ASM1117 降壓得到3.3 V 電源[11]。同時為了裝置的便攜性，該設計自帶一塊1 500 mA 的可充電電池作為備用電源。為了實現電氣安全性，該模塊選用B0505S-3WR2 DC-DC 隔離電源芯片,輸入電源采用隔離變壓器與輸出端隔離，能有效避免觸電風險。

2.2 氣路裝置模塊

單個氣路連接示意圖如圖3 所示，氣泵連接一個兩位三通電磁閥（電磁閥1）和兩通泄氣電磁閥（電磁閥2），其中，電磁閥1 斷電時1 和3 為導通狀態，通電時1 和2 為導通狀態，用于控制氣腔與氣泵、氣腔與泄氣閥的氣路通斷。電磁閥2 為常閉電磁閥，用于控制氣腔與大氣的通斷。該裝置由四組相同原理的充放氣結構組成，實現對四個氣腔的充放氣控制。

圖3 單個氣路連接示意圖

當整個氣路連通時，各部分氣壓相同，所以為了保證對整個系統氣壓采集的精準性，該裝置采用精密的氣壓傳感器實時檢測氣路的氣壓，采集的信號經過校準后輸出一個標準電壓信號到單片機，利用單片機自帶的AD 轉換器進行模數轉換[12]。傳感器選用CFsensor 公司的XGZP6847A005KPG 壓力傳感器模塊，其性能參數如表1 所示，該傳感器為表壓型傳感器，尺寸小，易安裝，廣泛用于電子血壓計、呼吸機、監護儀等醫療領域。

表1 壓力傳感器性能參數表

2.3 驅動電路模塊

由于單片機的I/O 口輸出電壓電流不能滿足電磁閥和氣泵的工作需求，故采用三極管搭建驅動電路，該設計采用S8050 三極管，其集電極允許最大電流為500 mA，電磁閥、氣泵最大工作電流為300 mA，滿足需求。由于電磁閥和氣泵內都為線圈，為了防止斷電時所產生的感生電動勢損壞其他器件，故還需和氣泵、電磁閥并聯一個續流二極管。

2.4 人機交互及通信模塊

為了使該裝置能方便用戶操作，了解系統工作狀態，設計了OLED 顯示器和按鍵部分進行人機交互[13]。該設計使用0.96 寸OLED 屏，按鍵電路采用上拉輸入的方式，觸發方式采用下降沿觸發。

為了滿足和上位機的通信需求，實現micro USB接口的通信和供電，故設計了相應的通信模塊。采用6N137光耦合器，實現單片機與上位機的通信隔離[14]。

3 系統軟件設計與實現

3.1 系統總體工作流程

當系統開機后，對各模塊進行初始化，首先單片機定時器、串口、中斷實現初始化，之后進行氣腔的預充氣，結束后等待用戶輸入按摩時間和氣壓等參數，系統按照用戶選定的模式開始工作，達到設定時間后停止按摩[15]。

初始化過程（整個氣路連接示意圖如圖4 所示）：開啟氣泵，打開電磁閥1，對氣腔1 充氣；當氣腔1 達到初始化的預設值時，電磁閥3 打開，電磁閥1 關閉，開始對氣腔2 充氣，依次循環，當全部氣腔達到設定氣壓值后，氣泵、電磁閥全部關閉，完成預充氣，等待用戶選擇氣壓、時間和模式。

圖4 系統氣路連接示意圖

3.2 順序按摩實現流程

該模式工作流程圖如圖5 所示。用戶設置好按摩氣壓和按摩時間后，選擇順序按摩模式，氣泵開啟，同時電磁閥1 開啟，形成一條氣泵到氣腔1 的氣路，對氣腔1 充氣，氣腔1 氣壓達到設定的氣壓值后電磁閥1 關閉，同時電磁閥3 開啟，形成一條氣泵到氣腔2 的氣路，對氣腔2 充氣，依次循環，直到四個氣腔氣壓全部達到設定值，保持一段時間后打開電磁閥2、4、6、8 對四個氣腔放氣，重復以上步驟直到按摩時間結束。

圖5 順序按摩流程圖

3.3 多腔配合按摩實現流程

該模式工作流程圖如圖6 所示。當用戶選擇多腔配合按摩模式后，氣泵首先對氣腔1 充氣，同時氣腔3 放氣，其余氣腔保持初始化狀態不變，在氣腔1達到預設氣壓后保持；然后對氣腔2 充氣，氣腔3 封閉，氣腔4 放氣，氣腔2 在達到預設氣壓值后保持；進而對氣腔3 充氣，氣腔4 封閉，氣腔1 放氣，在氣腔3達到預設氣壓后保持；最后對氣腔4 充氣，氣腔1 保持，氣腔2 放氣，在氣腔4 達到預設氣壓值后保持，其余狀態不變。以上步驟為一個周期，重復工作到時間結束，所有氣腔放氣。

圖6 多腔配合按摩流程圖

4 系統測試與分析

4.1 主要模塊測試

系統硬件模塊及工作示意圖如圖7 所示，模塊測試主要包括對系統的人機交互模塊、通信模塊以及氣路模塊進行測試。

圖7 系統工作示意圖

人機交互模塊主要測試按鍵是否靈敏，OLED 屏是否顯示正常，有無閃屏、卡頓、顯示錯亂等現象。經測試，顯示屏能正常顯示各種參數信息，按鍵均能靈敏完成相關操作。通信模塊利用串口調試助手與單片機進行通信，通過發送與接收規定數據，檢測通信是否正常。通信模塊的設計是為了在工程調試時，采集壓力傳感器的信號，判斷其是否正常工作，方便上位機的實現。

氣路模塊測試主要是對氣路之間的封閉性以及壓力傳感器的相關性能進行測試。利用肥皂液測試氣路的封閉性，觀察接口連接處肥皂液是否有氣泡即可判斷氣路的封閉性。傳感器的性能測試主要包括傳感器的輸出特性和靈敏度測試。輸出特性則是通過電子壓力計來測量氣路中的實時氣壓，并測量壓力傳感器在同一時刻的電壓輸出，即可得到壓力傳感器的輸出特性曲線，測試結果與數據手冊給出的輸出特性曲線一致。傳感器的靈敏度測試則是通過設定不同的氣壓值，使氣泵對單個氣腔進行充氣，當達到設定氣壓后便停止充氣，利用電子壓力計測試此時氣壓，比較兩者的值是否一致[16]，其測試結果如圖8 所示，實際的氣壓值與設定的氣壓值基本保持一致，誤差保持在0.1～0.3 kPa 范圍內，考慮是電磁閥關斷瞬間氣腔的氣體稍有回沖。

圖8 傳感器靈敏度測試結果

4.2 功能測試

該系統需要測試兩種按摩模式功能是否正常。順序按摩模式測試：將氣囊套裝在測試者腿上，測量按摩過程中壓力傳感器的輸出電壓即可得到該模式的充放氣曲線，測試結果如圖9 所示，按摩壓力峰值與設定的4 500 Pa 氣壓值相符，且充放氣過程與系統設定模式一致。

圖9 順序模式充放氣曲線

多腔配合按摩需要對四個氣腔的氣壓同時進行監測，測試每個氣腔的充放氣曲線，測試結果如圖10所示，圖中依次是氣腔1-4 的充放氣曲線。過程1 為氣腔1 充氣，氣腔3 放氣，氣腔2、4 保持原有狀態；過程2 為氣腔2 充氣，氣腔4 放氣，氣腔1、3 保持原有狀態；過程3 為氣腔3 充氣，氣腔1 放氣，氣腔2、4 保持原有狀態；過程4 為氣腔4 充氣，氣腔2 放氣，氣腔1、3 保持原有狀態。

圖10 多腔配合模式充放氣曲線

5 結論

該系統設計的深靜脈血栓預防裝置是基于間歇性充氣加壓原理，以STM32 單片機為核心，實現不同的按摩效果，為預防DVT 提供一種便攜實惠的選擇。相比于現有研究，該系統通過對氣路通道設計和電磁閥、氣泵的控制，僅需一個壓力傳感器便可實現對整個系統的氣壓反饋，有效降低了成本；添加可充電電池和電源隔離模塊，方便在沒有電源時使用，實現了系統的便攜性與安全性。在后續的研究中，可以利用預留的通信接口與手機通信，實現更全面、更便捷的人機交互，還可通過控制充放氣的速率來保證按摩的舒適度，實現更小體積、更小功耗的一體化按摩裝置。