基于LED紅外線和紫外線便攜式燒傷治療儀的研制

張紅遠(yuǎn)，張祖進(jìn)，李 輝

基于LED紅外線和紫外線便攜式燒傷治療儀的研制

張紅遠(yuǎn)，張祖進(jìn)，李 輝

目的：設(shè)計(jì)一體化便攜式LED紅外線和紫外線燒傷治療儀，以滿足醫(yī)院燒傷科室和基層衛(wèi)生隊(duì)對燒傷患者的護(hù)理和治療需求。方法：采用快速接頭連接電源部分和治療護(hù)理部分，方便拆解攜帶，集成紅外線和紫外線的臨床治療優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到治療和消毒的雙重效果。外加備用電池，方便斷電和野外治療使用。結(jié)果：該一體化便攜式LED紅外線和紫外線燒傷治療儀整體設(shè)計(jì)合理，設(shè)備裝置工作狀態(tài)穩(wěn)定，治療效果明顯。結(jié)論：該一體化便攜式LED紅外線和紫外線燒傷治療儀性能良好，便于攜帶，應(yīng)用范圍廣，野戰(zhàn)救災(zāi)條件下適應(yīng)性強(qiáng)。

LED；便攜式；紅外線；紫外線

0 引言

燒傷是醫(yī)院臨床工作中的一種常見創(chuàng)傷，機(jī)體被燒傷后免疫功能紊亂，體液大量丟失，細(xì)菌大量繁殖。隨著時(shí)間延長，細(xì)菌向深部組織侵襲，導(dǎo)致創(chuàng)面膿毒癥發(fā)生，威脅患者的生命。所以，有效預(yù)防和控制創(chuàng)面感染，促進(jìn)創(chuàng)面早期愈合，減輕創(chuàng)面瘢痕的發(fā)生和加重，一直是燒傷治療的難點(diǎn)、重點(diǎn)和關(guān)鍵[1]。日常工作中，常見的紅外線燒傷治療儀是利用紅外線的熱作用，使血管擴(kuò)張充血、血流加快[2]，加強(qiáng)組織的營養(yǎng)和代謝，加強(qiáng)組織的再生，促進(jìn)局部滲出物的吸收和消散，同時(shí)起到保溫作用。而適當(dāng)?shù)丶尤胍欢▌┝康淖贤饩€照射，可以有效地將細(xì)菌、病毒的去氧核糖核酸（DNA）及核糖核酸（RNA）破壞，合適劑量的紫外線能使細(xì)菌、病毒喪失生存力及繁殖力進(jìn)而消滅細(xì)菌、病毒，達(dá)到消毒滅菌成效[3]。本設(shè)計(jì)通過將紅外線的治療功效和紫外線的殺菌功效完美地結(jié)合，使臨床燒傷治療工作達(dá)到事半功倍的效果。

1 紅外線和紫外線的作用

1.1 紅外線的生理作用和治療作用

常見的紅外線照射體表后，一部分被反射，另一部分被皮膚吸收。皮膚對紅外線的反射程度與色素沉著狀況有關(guān)，用波長0.9 μm的紅外線照射時(shí)，無色素沉著的皮膚反射其能量約60%[4]；而有色素沉著的皮膚反射其能量約40%。長波（波長1.5μm以上）紅外線照射時(shí)，絕大部分被反射和為淺層皮膚組織吸收，穿透皮膚的深度僅達(dá)0.05～2 mm，因而只能作用到皮膚的表層組織；短波（波長1.5 μm以內(nèi)）紅外線以及紅色光的近紅外線部分透入組織最深，穿透深度可達(dá)10 mm，能直接作用到皮膚的血管、淋巴管、神經(jīng)末梢及其他皮下組織。構(gòu)成人體細(xì)胞的主要成分是水分子及高分子化合物，人體內(nèi)水分占體質(zhì)量的60%～70%，8～15 μm這段遠(yuǎn)紅外線的振動(dòng)頻率與水分子的振動(dòng)頻率極為相似，因此，極易被水分子吸收，當(dāng)遠(yuǎn)紅外輻射人體時(shí)，就會(huì)發(fā)生吸收、透射和反射的過程，科學(xué)家稱之為“生物共振”現(xiàn)象[5]。此時(shí)皮下組織深層部位溫度升高，產(chǎn)生溫?zé)嵝?yīng)，使水分子活化，處于高能狀態(tài)。因此，遠(yuǎn)紅外能夠促進(jìn)血液循環(huán)，加速人體所需要的生物酶的合成，活化蛋白質(zhì)等生物大分子，從而提高機(jī)體免疫功能，增強(qiáng)人體細(xì)胞的再生能力，增加氧分和酵素的供應(yīng)，促進(jìn)身體健康[6]。

紅外線燒傷治療作用的基礎(chǔ)是溫?zé)嵝?yīng)。在紅外線照射下，組織溫度升高，毛細(xì)血管擴(kuò)張，血流加快，物質(zhì)代謝增強(qiáng)，組織細(xì)胞活力及再生能力提高。紅外線治療慢性炎癥時(shí)，改善血液循環(huán)，增加細(xì)胞的吞噬功能，消除腫脹，促進(jìn)炎癥消散。紅外線可降低神經(jīng)系統(tǒng)的興奮性，有鎮(zhèn)痛、解除橫紋肌和平滑肌痙攣，以及促進(jìn)神經(jīng)功能恢復(fù)等作用。在治療慢性感染性傷口和慢性潰瘍時(shí)，改善組織營養(yǎng)，消除肉芽水腫，促進(jìn)肉芽生長，加快傷口愈合。紅外線照射有減少燒傷創(chuàng)面滲出的作用。

1.2 紫外線在殺菌領(lǐng)域的作用

當(dāng)細(xì)菌、病毒吸收超過3 600～65 000 μW/cm2的紫外線劑量時(shí)，紫外線對細(xì)菌、病毒的DNA及RNA具有強(qiáng)大破壞力，該劑量的紫外線能使細(xì)菌、病毒喪失生存力及繁殖力進(jìn)而消滅細(xì)菌、病毒，達(dá)到消毒滅菌成效。一方面，紫外線可使核酸突變，阻礙其復(fù)制、轉(zhuǎn)錄及蛋白質(zhì)的合成[7]；另一方面，產(chǎn)生的自由基可引起光電離，從而導(dǎo)致細(xì)胞的死亡。紫外線殺菌器工作原理是紫外線燈管輻照強(qiáng)度，即紫外線殺菌燈所發(fā)出之輻照強(qiáng)度，與被照消毒物的距離成反比。當(dāng)輻照強(qiáng)度一定時(shí)，被照消毒物停留時(shí)間愈久，離殺菌燈管愈近，其殺菌效果愈好，反之愈差[8]。

2 設(shè)備特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)及參數(shù)

2.1 設(shè)備特點(diǎn)

（1）適用于中小燒燙傷面積的治療。體積較小，質(zhì)量輕。電源部分與控制部分完全分開，通過快速接頭連接，方便拆解安裝，便于攜帶。

（2）采用先進(jìn)的LED遠(yuǎn)紅外增效輻射元件，波譜范圍廣，穿透力強(qiáng)。

（3）采用先進(jìn)的LED紫外線元件，達(dá)到極大消毒殺菌效果。

（4）相對密閉微風(fēng)循環(huán)，控溫去濕，促進(jìn)血液循環(huán)，改善新陳代謝，調(diào)整植物神經(jīng)，增強(qiáng)細(xì)胞活力，促進(jìn)皮膚生長。

（5）可手動(dòng)升降，便于調(diào)整輻射治療高度。操作輕便，鎖緊牢靠。

2.2 燒傷治療儀整體結(jié)構(gòu)

燒傷治療儀整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.3 主要技術(shù)參數(shù)

電壓：交流220V/50Hz；功率：0.5kW；溫度控制：0～50℃；輻射面積：900 mm×700 mm；升降范圍：0～400 mm；工作方式：可連續(xù)工作；外形尺寸：600 mm× 400 mm×1 000 mm。

3 方案設(shè)計(jì)

紅外線LED燒傷治療儀主要由主電源系統(tǒng)（包括后備電源）、紅外線LED驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、紅外線LED系統(tǒng)、紫外線消毒系統(tǒng)、主機(jī)控制系統(tǒng)、熱風(fēng)系統(tǒng)等組成，總體框架如圖2所示。

圖1 燒傷治療儀整體結(jié)構(gòu)

圖2 燒傷治療儀總體框架

4 硬件設(shè)計(jì)

4.1 主機(jī)控制系統(tǒng)

主機(jī)控制系統(tǒng)選用STM32系列的STM32103 VCT6作為控制芯片，因芯片有2個(gè)DAC、2個(gè)串門，內(nèi)部集成的RTC模塊中的PA4引腳是芯片的DAC1，控制系統(tǒng)采用DAC1與LED電源控制板中的DAC_POWER接口相連來控制LED電源電流大小。USAR T1_TX和USART1_RX分別是串口1的發(fā)送引腳和接收引腳，通過串口1與觸摸屏實(shí)現(xiàn)串口通信，從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互系統(tǒng)[3]?；赟TM32主機(jī)控制電路如圖3所示。

圖3 基于STM32主機(jī)控制電路

表1 電源參數(shù)

4.2 主電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

選用一款6 A交流轉(zhuǎn)直流電源[4]（見表1）。

4.3 電池充電電路設(shè)計(jì)

由于密封鉛酸蓄電池的諸多優(yōu)點(diǎn)，因此獲得了廣泛應(yīng)用。然而密封鉛酸蓄電池的充電技術(shù)似乎不被看重，因充電方式不合理而造成電池過早報(bào)廢的情況普遍存在。鑒于此，筆者設(shè)計(jì)制作了一款二階段恒流限壓式鉛酸電池充電器[9]，充電原理如圖4所示。

4.4 基于L6562紅外線LED驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

L6562是意法半導(dǎo)體公司（ST）推出的一款功率因數(shù)校正（PFC）控制器[1]。它工作于臨界模式（即電感電流處于連續(xù)或斷續(xù)的邊界上），與傳統(tǒng)PWM變換器工作的連續(xù)電流模式或不連續(xù)電流模式不同的是，臨界模式工作在變頻模式下，在輸入電壓和電流變化的情況下通過快速調(diào)節(jié)工作頻率使輸出穩(wěn)定。L6562在其乘法器中嵌入了電流總諧波失真（THD）優(yōu)化電路，可以有效控制AC輸入電流的交越失真和誤差放大器的輸出紋波失真，從而提高功率因數(shù)，降低輸入電流總諧波失真。設(shè)計(jì)電路如圖5所示。

4.5 紫外線LED驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

紫外線LED驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖6所示。MAX 16801適于85 V AC到265 V AC的交流電壓整流。MAX16802適于低壓直流輸入電壓。電路被設(shè)計(jì)為以350 mA電流驅(qū)動(dòng)單個(gè)InGaN LED。直流輸入電壓為10.8～24 V。

圖4 充電原理

圖5 基于L6562紅外線LED驅(qū)動(dòng)電路

5 臨床應(yīng)用效果分析

從2008年6月到2013年5月，對118例次各種不同類型燒傷、感染創(chuàng)面進(jìn)行臨床治療觀察，取得了顯著臨床效果。患者中，男85例、女35例，年齡3～76歲，均為住院治療患者。各種類型燒傷、創(chuàng)傷創(chuàng)面數(shù)量統(tǒng)計(jì)如下：手術(shù)切口感染53例次，皮瓣感染11例次，供皮區(qū)11例次（均為軀干、四肢部位），深Ⅰ°新鮮創(chuàng)面伴感染15例次，Ⅱ°新鮮創(chuàng)面8例次，Ⅲ°感染創(chuàng)面10例次，耳軟骨炎6例，燒傷瘢痕4例。所有病例均在常規(guī)全身及局部治療的基礎(chǔ)上，輔以紅光治療和紫外線循環(huán)風(fēng)消毒滅菌[10]。治療時(shí)間及效果統(tǒng)計(jì)見表2?；贚ED紅外線和紫外線便攜式燒傷治療儀治愈時(shí)間統(tǒng)計(jì)見表3。無紫外線滅菌系統(tǒng)的某款紅外線燒傷治療儀治愈時(shí)間統(tǒng)計(jì)見表4。

圖6 紫外線LED驅(qū)動(dòng)電路

表2 治療時(shí)間及效果統(tǒng)計(jì)

表3 基于LED紅外線和紫外線便攜式燒傷治療儀治愈時(shí)間

表4 某款紅外線燒傷治療儀治愈時(shí)間

對比可以看出，基于LED紅外線和紫外線便攜式燒傷治療儀治愈時(shí)間明顯短于無紫外線滅菌系統(tǒng)的某款紅外線燒傷治療儀治愈時(shí)間，說明加入紫外線消毒滅菌系統(tǒng)是有療效和很有必要的。

6 結(jié)語

基于LED紅外線和紫外線的便攜式燒傷治療儀設(shè)計(jì)科學(xué)、合理，可以滿足燒傷科的常見治療需求。通過實(shí)驗(yàn)樣機(jī)在多個(gè)燒傷患者使用結(jié)果調(diào)查表明，該LED紅外線燒傷治療儀工作狀態(tài)穩(wěn)定、治療效果明顯、使用成本低廉、操作簡便、維護(hù)保養(yǎng)方便，得到了臨床工作人員的認(rèn)可。

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（收稿：2013-06-27 修回：2013-12-23）

Development of portable infrared and ultraviolet burn treatment apparatus based on LED

ZHANG Hong-yuan,ZHANG Zu-jin,LI Hui
（The 303rd Hospital of the PLA,Nanning 530021,Nanning 530021,China）

To design an integral portable infrared and ultraviolet burn treatment apparatus based on LED for hospital burn department and primary medical team.Quick coupling was used to connect the power source and functional parts,infrared and ultraviolet realized treatment and sterilization,and backup battery was available for sudden events such as power failure.The apparatus had a reasonable structure and behaved well in stability and treatment.The apparatus is effective,portable and also extensive in applicability.[Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（12）：32-35]

LED;portable;infrared;ultraviolet

R318.6；TH772+.2

A

1003-8868（2014）12-0032-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.12.032

張紅遠(yuǎn)（1983—），男，工程師，主要從事醫(yī)療設(shè)備的計(jì)量、質(zhì)控、研發(fā)工作，E-mail：101zhy@163.com。

530021南寧，解放軍303醫(yī)院（張紅遠(yuǎn)，張祖進(jìn)，李 輝）