一種便攜式膀胱功能康復治療儀的研制與設計

趙志科，吳才章，李新東（通信作者）

1 河南工業大學電氣工程學院 （河南鄭州 450001）；2 河南駝人醫療器械集團有限公司，（河南新鄉 453400）

膀胱功能障礙是指由于人體中樞神經、外周神經受損、藥物濫用等原因引起神經控制機制紊亂，導致出現儲尿和排尿功能障礙[1]。膀胱功能障礙常見表現為尿潴留、尿急尿頻、尿失禁等，嚴重影響患者的日常生活與社交活動[2]。目前，圍繞人體膀胱功能的恢復與構建，許多研究人員已在藥物注射[3-4]、針灸[5-6]、神經電刺激[7-9]、留置型導尿控制[10-12]等方面開展了大量研究。藥物注射雖然在阻斷神經遞質釋放與傳遞、產生局部去神經支配效應方面具有針對性強、見效快、疼痛輕等優點，但膀胱功能障礙多是下尿路的癥候群，其致病原因較多，治療成本高且易產生藥物依賴。針灸、電刺激療法通過對人體皮膚、肌肉的外部刺激，引起逼尿肌收縮、尿道括約肌無收縮以模擬生理性的排尿，進而喚醒膀胱功能恢復。但針灸與電刺激方式無法實現無干預模式下的治療，也無法滿足便攜式的使用需求，更無法滿足留置導尿使用者的膀胱康復需求。

留置型導尿是一種已被廣泛應用的臨床排尿方式，是將導尿管插入并留置在膀胱內，通過開關引流管外部的排尿閥門來實現對手術中或術后患者排尿的裝置。常見的留置型導尿管分為開放引流型和閥控排尿型兩種。由于開放引流型易造成使用者出現尿頻、尿失禁等問題，該方法已逐漸被醫療行業所棄用。目前，醫院常用的是閥控型排尿裝置。該裝置通過醫用導通截止閥實現對使用者排尿與否的控制，但此種閥控型排尿裝置也存在依賴于人工操作等問題。如閥控裝置打開過晚，使用者會出現尿液測漏現象，給使用者帶來生理上的痛苦，甚至引起尿道感染。如果閥控裝置打開過早，則會引起使用者膀胱排尿功能紊亂等。由于開啟閥門并非由使用者本人控制，所以當使用者使用此留置型導尿管超過一定時間，其膀胱會失去原有的排尿記憶功能。一旦拔掉導尿管，使用者在短時間內會出現排尿失常現象。為了解決此問題，臨床上通常建議患者出院前開展定時排尿訓練膀胱功能，以恢復膀胱的自主排尿功能，但此種方法并不能在短時間內恢復患者的正常膀胱功能。因此，亟需一種能感知患者膀胱內壓力進行自動控制排尿的訓練裝置解決上述問題。本研究旨在于留置導尿裝置基礎上，通過壓力傳感器和稱重傳感器檢測和控制尿動力參數，設計一種便攜式膀胱功能康復治療儀，實現對人體膀胱的功能性自動康復。

1 系統總體設計

根據便攜式膀胱功能康復訓練的需要，設計的膀胱功能康復治療儀結構示意圖如圖1 所示。

圖1 膀胱功能康復治療儀結構示意圖

膀胱功能康復治療儀主要由膀胱功能康復訓練控制裝置、支架和導尿管及尿袋組成。支架起到固定膀胱功能康復訓練控制裝置的作用。硅膠導尿管末端用于插入人體尿道。膀胱功能康復訓練控制裝置利用稱重傳感器測量當前尿袋重量。壓力傳感器、手動排尿閥為一次性集成套件，其中壓力傳感器通過尿袋采用間接測量的方式，獲取人體膀胱內部的當前壓力。排尿截止裝置一端連接手動排尿閥，另一端連接電機。為了解決電機故障，可以通過手動方式實現排尿功能。

此膀胱功能康復治療儀控制器的系統結構框圖，如圖2 所示。膀胱功能康復治療儀控制器包括電源、壓力觸感器、限位開關、按鍵、稱重傳感器、儀用精密信號調理電路、液晶顯示器（liquid crystal display，LCD）屏幕、聲光報警模塊、數據存儲卡接口、通用串行總線接口、電機驅動電路和直流電機等。按鍵用于實現菜單選擇與不同治療模式間的輸入切換。稱重傳感器通過儀用精密信號調理電路將尿袋的重量信息傳送給STM32 單片機。LCD 屏幕為3.2 英寸，用于實現人機交互功能。數據存儲卡及接口用于記錄膀胱功能康復治療儀的使用信息。USB 接口用于膀胱功能康復治療儀與計算機進行連接，實現數據上傳。STM32 單片機通過電機驅動電路控制直流電機的正反轉，實現對排尿閥的開關控制。限位開關用于識別電機帶動的排尿閥開關位置。

圖2 膀胱功能康復治療儀控制器的系統結構框圖

2 硬件系統設計

2.1 主控芯片電路

選用STM32F407ZET6 單片機作為主控芯片，其基于高性能ARM?Cortex?-M432 位RISC 內核，工作頻率高達168 MHz，能滿足膀胱康復治療儀的功能外設要求。設計的主控芯片部分電路，如圖3 所示。

圖3 主控芯片電路

2.2 電源轉換與開關控制電路

選用電源適配器實現220 V 轉換為DC12 V，為控制器提供電源。由于STM32 單片機的供電電壓為3.3 V，設計基于MP1470 的直流降壓電路，如圖4 所示。設計的電源開關電路采用施密特觸發功能的非門集成芯片SN74LVC1G14 進行設計（圖5）。滿足設計對低功耗和高輸出驅動要求。通過按壓KEY11 可以實現開機功能，通過按壓開關機按鈕超過3 s 可以實現關機功能。

圖4 直流降壓電路

圖5 電源開關電路

2.3 鋰電池充電電路

為了滿足膀胱功能康復治療儀控制器在外部電源斷電條件下的鋰電池供電使用要求，選用PWM降壓模式2 節鋰電池充電管理集成芯片，具有涓流、恒流和恒壓充電模式，實現輸入低電壓鎖存、電池端過壓保護和充電狀態指示功能。設計的鋰電池充電電路，如圖6 所示。

圖6 鋰電池充電電路

2.4 稱重傳感器信號采集與調理電路

由于稱重傳感器采用差分輸出方式，選用24 位無失碼的差分輸入芯片，并通過串行外設接口（serial peripheral interface，SPI）通信方式與主控單片機進行稱重信息傳送。設計的稱重傳感器信號采集與調理電路，如圖7 所示。

圖7 稱重傳感器信號采集調理電路

2.5 電機驅動電路

設計采用直流電機帶動排尿閥轉動的方式實現排尿與截止功能。為了控制直流電機的正反轉，采用L9110S 芯片構建電機驅動控制電路，如圖8 所示。

圖8 直流電機驅動電路

2.6 數據存儲卡接口電路

膀胱功能康復治療儀在使用過程中需存儲使用記錄與患者數據，采用自彈式MicroSD 卡（TF 卡）卡座，設計的數據存儲卡接口電路，如圖9 所示。

圖9 MicroSD 卡接口電路

2.7 語音驅動與按鍵電路

采用語音方式進行報警與聲音提示，設計的語音驅動模塊電路（圖10），包括語音播放（U19）和功率放大電路（U20）。采用按鍵方式實現對菜單的選擇與模式的切換，包括記錄查詢快捷鍵、返回主界面快捷鍵、上移動按鍵、左移動按鍵、確認按鍵、右移動按鍵、下移動按鍵、返回按鍵、打開閥門按鍵。針對以上按鍵設計了硬件消抖動能的電路，如圖11 所示。

圖11 帶按鍵消抖功能的按鍵電路

2.8 LCD 屏幕接口電路

膀胱功能康復治療儀采用3.2 英寸的LCD 屏幕進行人機交互，設計的LCD 屏幕接口電路，如圖12 所示。

圖12 LCD 屏幕接口電路

3 軟件程序設計

膀胱功能康復治療儀控制系統的流程圖，如圖13 所示。主機系統上電后，系統初始化，完成系統自檢，進入模式選擇界面。系統根據用戶按鍵輸入的指令，進入暢通模式、定壓模式、定時模式、定時定壓模式、分段定壓模式、尿潴留模式。暢通模式需先判斷排尿閥的狀態，然后進入狀態監測狀態。進入其他治療模式時，電機帶動排尿閥進行截止，然后進入參數設置狀態，并根據參數設置對應狀態進行監測與控制。在此治療儀使用過程中，如檢測到時間、壓力、尿量等達到設定的治療閾值，將執行排尿閥旋轉，實現自動排尿。如果治療過程中發生異常（如壓力傳感器脫落或電池電量不足等），將通過語音播報報警。當系統收到返回按鍵操作指令時，會自動保存當前的參數，記錄治療期間的閥門狀態、壓力、尿量等。

圖13 主機控制程序流程圖

4 實驗研究

本研究設計的膀胱功能康復治療儀控制裝置實物，如圖14 所示。該控制裝置通過設置硬件消抖按鍵，可以實現短按開機與長按關機功能。通過設置十字型分布的多個選擇按鍵，實現治療模式、全局參數設置、數據查詢、傳感器設置、模式參數設置、系統設置等功能的菜單選擇與切換。在LCD 屏幕上對電池剩余電量進行實時顯示，并通過搭載的語音播放模塊實現對異常狀態的語音播報預警功能。經過實驗測試，該控制系統運行可靠，能夠滿足無外部電源條件下連續工作12 h 的使用需求。設計1 次性壓力傳感器模組實物，如圖13 所示。該壓力傳感器以三通形式與連接膀胱和尿袋的管路進行導通連接，并利用彈簧針卡扣方式實現控制器的電路與傳感器信號傳輸線的連接，結構簡單，成本較低，能夠滿足一次性使用需求。

圖14 膀胱功能康復治療儀控制裝置實物

圖15 壓力傳感器模組

5 結語

本研究設計一種膀胱功能康復治療儀，硬件以STM32F407ZET6 單片機為控制核心，軟件為RTX實時操作系統，能夠滿足不同類型留置導尿患者對定時、定壓、定時定壓、分段定壓、尿潴留等治療模式的功能需求。系統兼具外部電源供電與鋰電池供電2 種供電方式，且鋰電池能夠滿足持續12 h 的連續使用要求；同時具有操作簡單、安全有效、保護隱私、促進膀胱功能恢復、減輕患者痛苦等優勢，便于臨床通過刺激膀胱逼尿肌的收縮和舒張，促進尿液的排出。此外，該治療儀還可以監測膀胱內壓，評估膀胱逼尿肌的收縮力和舒張程度，為臨床醫師對疾病的治療提供準確的參考依據。