智能創(chuàng)面灌注-負(fù)壓治療儀的研制

侯　強，張文俊，張建光，付振山，韓　童，易　競，郭　榮，張　瑛，江　華

智能創(chuàng)面灌注-負(fù)壓治療儀的研制

侯強，張文俊，張建光，付振山，韓童，易競，郭榮，張瑛，江華

目的：為解決傳統(tǒng)創(chuàng)面灌注-負(fù)壓治療裝置存在的不足，研制一種具有創(chuàng)面主動灌注-負(fù)壓吸引功能的智能創(chuàng)面治療裝置。方法：通過單片機控制蠕動泵、電磁閥和壓力感受器協(xié)調(diào)運轉(zhuǎn)，使灌注液定量輸注至創(chuàng)面并保留特定時間，隨后通過負(fù)壓清除創(chuàng)面灌注液并保持創(chuàng)面負(fù)壓狀態(tài)。當(dāng)創(chuàng)面密閉不良、壓力過高或者負(fù)壓管道堵塞發(fā)生時，治療儀可自動報警。結(jié)果：該治療儀利用蠕動泵和病房中心負(fù)壓完成創(chuàng)面灌注-沖洗的全過程，實現(xiàn)了創(chuàng)面灌注液精確定量和負(fù)壓壓力穩(wěn)定可靠；通過壓力感受器實時監(jiān)測創(chuàng)面及管道壓力，達(dá)到了意外情況及時預(yù)警的功能。結(jié)論：該智能創(chuàng)面灌注-負(fù)壓治療裝置提高了創(chuàng)面灌注-負(fù)壓治療的自動化、智能化及安全性水平，有助于創(chuàng)面主動灌注-負(fù)壓治療技術(shù)的臨床推廣。

創(chuàng)面；灌注；負(fù)壓治療；蠕動泵

0　引言

如何快速、高效、優(yōu)質(zhì)地修復(fù)軟組織缺損，一直是整形外科領(lǐng)域的研究熱點之一。傳統(tǒng)創(chuàng)面修復(fù)方法可概括為“徹底清創(chuàng)—敷料覆蓋—組織移植”，但這種方法對于組織缺損大、滲出液多、合并細(xì)菌感染的創(chuàng)面修復(fù)效果不理想。1993年，德國Fleischmann發(fā)現(xiàn)創(chuàng)面密閉并保持負(fù)壓狀態(tài)可降低創(chuàng)面細(xì)菌負(fù)荷，縮短創(chuàng)面愈合時間[1]。1995年，負(fù)壓創(chuàng)面治療技術(shù)（negativepressure wound therapy，NPWT）正式被美國食品和藥品監(jiān)督管理局批準(zhǔn)用于軟組織缺損的臨床治療[2]。經(jīng)過近20 a的臨床應(yīng)用，證實負(fù)壓創(chuàng)面治療技術(shù)對于急慢性創(chuàng)面具有良好的治療效果[3-4]。但研究人員也發(fā)現(xiàn)，負(fù)壓創(chuàng)面治療技術(shù)存在創(chuàng)面清潔效果差、長期治療可靠性下降、創(chuàng)面治療方法單一的缺陷[5]。有學(xué)者認(rèn)為，將創(chuàng)面灌注與負(fù)壓創(chuàng)面治療技術(shù)相結(jié)合，有助于彌補負(fù)壓創(chuàng)面治療技術(shù)的不足，促進(jìn)創(chuàng)面愈合[6-7]。

目前，創(chuàng)面灌注-負(fù)壓治療裝置多采用重力灌注-主動負(fù)壓方式，即利用重力作用使灌注液滴入創(chuàng)面中，同時利用治療裝置所提供的負(fù)壓將灌注液自創(chuàng)面排出。此類裝置存在創(chuàng)面清潔效率低、裝置體積大、工作噪聲高、創(chuàng)面壓力無法周期變化的弊端，限制了創(chuàng)面灌注-負(fù)壓治療技術(shù)的臨床推廣和使用。為了解決上述問題，我們研制了智能創(chuàng)面灌注-負(fù)壓治療儀（以下簡稱治療儀），已獲得1項國家專利（ZL01320029949.5）。

1　治療儀整體設(shè)計

1.1設(shè)計思路

根據(jù)創(chuàng)面治療需要，利用單片機控制蠕動泵和負(fù)壓源的工作狀態(tài)，可實現(xiàn)創(chuàng)面持續(xù)灌注-負(fù)壓吸引、間斷灌注-負(fù)壓吸引、持續(xù)負(fù)壓吸引和間斷負(fù)壓吸引4種治療模式。通過蠕動泵將灌注液主動輸注至創(chuàng)面，以主動灌注取代重力滴灌，便于精確控制灌注容量，提高灌注效率，減小裝置體積。借助病房中央負(fù)壓系統(tǒng)進(jìn)行負(fù)壓吸引，有助于保證創(chuàng)面壓力穩(wěn)定，減少裝置運行的噪聲。預(yù)設(shè)管道壓力感受器實時監(jiān)測創(chuàng)面和管道壓力，可及時預(yù)警創(chuàng)面無法密閉、負(fù)壓引流不暢等情況。

1.2治療儀基本組成

治療儀由STC12C5A60S2型單片機、蠕動泵、電磁閥、LCD12864型液晶顯示器、MPS20N0100D-D型壓力傳感器、報警器、鋰電池、儲液瓶和廢液瓶等部件組成（如圖1所示）。

圖1　智能創(chuàng)面灌注-負(fù)壓治療儀結(jié)構(gòu)圖

1.3治療儀工作原理

治療儀通過單片機控制蠕動泵和負(fù)壓源工作，將創(chuàng)面灌注液定量輸入創(chuàng)面中，隨后通過負(fù)壓抽吸作用排出創(chuàng)面灌注液。具體而言，治療儀共具有創(chuàng)面持續(xù)灌注-負(fù)壓吸引、間斷灌注-負(fù)壓吸引、持續(xù)負(fù)壓吸引和間斷負(fù)壓吸引4種治療模式。

1.3.1創(chuàng)面持續(xù)灌注-負(fù)壓治療模式

選擇治療儀至創(chuàng)面持續(xù)灌注-負(fù)壓治療模式，設(shè)定治療儀運行時間、蠕動泵流量和創(chuàng)面負(fù)壓值。單片機控制蠕動泵以預(yù)設(shè)速度進(jìn)行創(chuàng)面灌流，同時電磁閥開放，中央負(fù)壓將創(chuàng)面分泌物及灌注液引流至廢液瓶并保持設(shè)定壓力。治療儀運行時間截止后，單片機控制蠕動泵及電磁閥關(guān)閉。

1.3.2創(chuàng)面間斷灌注-負(fù)壓治療模式

選擇治療儀至創(chuàng)面間斷灌注-負(fù)壓治療模式，設(shè)定治療儀運行時間、蠕動泵流量、負(fù)壓源開放時間、創(chuàng)面負(fù)壓值和創(chuàng)面灌注/浸泡時間。單片機對負(fù)壓開放時間進(jìn)行計時并控制電磁閥開放負(fù)壓管道，利用中央負(fù)壓將創(chuàng)面滲出液排至廢液瓶中，保持創(chuàng)面負(fù)壓狀態(tài)。負(fù)壓開放時間截止后，治療儀進(jìn)入創(chuàng)面灌注模式，單片機計時創(chuàng)面灌注/浸泡時間，通過電磁閥關(guān)閉負(fù)壓管道，啟動蠕動泵向創(chuàng)面輸注定量液體，液體輸注完畢后，蠕動泵停止工作，電磁閥仍保持關(guān)閉。創(chuàng)面灌注時間截止后，治療儀再次進(jìn)入創(chuàng)面負(fù)壓狀態(tài)。重復(fù)上述周期，直至治療儀運行時間截止。

1.3.3創(chuàng)面持續(xù)負(fù)壓吸引模式

選擇治療儀至創(chuàng)面持續(xù)負(fù)壓吸引模式，設(shè)定治療儀運行時間和創(chuàng)面負(fù)壓值。單片機控制電磁閥開放，中央負(fù)壓將創(chuàng)面分泌物引流至廢液瓶并保持設(shè)定壓力。在此種治療模式下，蠕動泵始終保持關(guān)閉狀態(tài)。

1.3.4創(chuàng)面間斷負(fù)壓吸引模式

選擇治療儀至創(chuàng)面間斷負(fù)壓吸引模式，設(shè)定治療儀運行時間、創(chuàng)面負(fù)壓值、電磁閥開放及關(guān)閉時間。單片機控制電磁閥開放并計時，中央負(fù)壓將創(chuàng)面分泌物引流至廢液瓶并保持設(shè)定壓力。當(dāng)電磁閥開放時間截止，單片機控制電磁閥關(guān)閉并對關(guān)閉時間計時。隨后重復(fù)上述周期，直至治療儀運行時間截止。在此種治療模式下，蠕動泵始終保持關(guān)閉狀態(tài)。

1.4報警功能

治療儀處于運行狀態(tài)時，若電磁閥開放3 min后，負(fù)壓端壓力傳感器測得的創(chuàng)面壓力仍高于0 kPa時，單片機啟動報警器，發(fā)出警報信號，提示創(chuàng)面密閉不良；治療儀處于創(chuàng)面持續(xù)灌注-負(fù)壓模式或間斷灌注-負(fù)壓模式時，灌注端壓力傳感器測得的創(chuàng)面壓力高于-20 kPa時，中央控制器啟動報警器，發(fā)出警報信號，提示創(chuàng)面壓力過高；當(dāng)負(fù)壓端壓力傳感器測得的負(fù)壓吸引管道壓力超過-20 kPa時，中央控制器啟動報警器，發(fā)出警報信號，提示負(fù)壓管道堵塞。

2　結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖1所示，治療儀殼體內(nèi)安裝有單片機、液晶屏、蠕動泵、電磁閥、傳感器、鋰電池、穩(wěn)壓器、報警器。STC12C5A60S2型單片機工作頻率達(dá)35 MHz，具有8通道10位A/D、2路PWM/PCA和1路高速計數(shù)通道[8]。因治療儀設(shè)定參數(shù)較多，選用可顯示8×4行漢字的LCD12864型顯示器[9]。蠕動泵采用直流電動機，利用脈沖寬度調(diào)制（pulse width modulation，PWM），將微處理器P1.3接口設(shè)為PWM接口，采用查表設(shè)計法進(jìn)行流量控制[10]。MPS20N0100D-D型傳感器輸出的信號經(jīng)AD620放大，具有良好的可重復(fù)性和長時間工作的穩(wěn)定性[10]。殼體左右兩側(cè)分別安裝有可活動的儲液瓶和廢液瓶，廢液瓶與殼體內(nèi)的負(fù)壓管道相通，儲液瓶有管道與蠕動泵相連。儲液瓶內(nèi)的液體通過蠕動泵、創(chuàng)面敷料、負(fù)壓管道流入廢液瓶中，此過程密閉無滲漏。

3　電路設(shè)計

（1）顯示器設(shè)計。顯示器電路設(shè)計如圖2所示。LCD12864型液晶顯示器VCC端電壓為4.8～5 V；V0端連接電阻R90，用以調(diào)節(jié)顯示器亮度；PST端賦值為1，設(shè)置顯示器以8位并行工作模式運行[10]。

圖2　顯示器接線圖

（2）蠕動泵設(shè)計。蠕動泵電動機電路設(shè)計如圖3所示。蠕動泵采用直流電動機式，設(shè)置單片機STC12C5A60S2的P1.3端為PWM接口，利用PWM脈寬調(diào)節(jié)蠕動泵直流電動機的轉(zhuǎn)速，達(dá)到精確調(diào)節(jié)灌注液體容量的目的。驅(qū)動電路加載光電耦合器TLP521，可有效減少電動機啟動的干擾[10]。

圖3　蠕動泵電動機接線圖

（3）真空壓力測量。真空壓力測量部分電路設(shè)計如圖4所示。MPS20N0100D-D型傳感器信號（1、2）經(jīng)濾波器（R3、R4）濾波后送入放大器+3、-2信號輸入端；信號放大倍數(shù)通過調(diào)節(jié)電阻RG調(diào)整；5端設(shè)置為信號參考端，電壓為VCC/2；信號放大后輸出到單片機的A/D接口[10]。

圖4　傳感器及放大器接線圖

4　使用方法

使儲液瓶和廢液瓶與治療儀相連接，根據(jù)治療需要設(shè)定治療模式、創(chuàng)面灌注量、創(chuàng)面灌注/浸泡時間和創(chuàng)面負(fù)壓時間，同時設(shè)定中心負(fù)壓吸引源壓力為-16 kPa。將預(yù)制灌注及負(fù)壓管道的海綿敷料放置于清創(chuàng)止血后的創(chuàng)面上，被覆半透膜，使創(chuàng)面保持密閉狀態(tài)。治療儀灌注接口與負(fù)壓吸引接口分別與敷料對應(yīng)接口相連接。啟動治療儀，進(jìn)行創(chuàng)面治療。

5　應(yīng)用效果

（1）加快創(chuàng)面愈合速度。將創(chuàng)面灌注與創(chuàng)面周期性負(fù)壓治療相結(jié)合，在提升創(chuàng)面清潔效率的同時，保證創(chuàng)面壓力的周期性變化，有助于創(chuàng)面肉芽組織生長，加快創(chuàng)面愈合[11]。

（2）提高治療安全性。通過壓力傳感器實時監(jiān)測創(chuàng)面及管道壓力的變化，及時預(yù)警創(chuàng)面密閉不良、灌注過高及負(fù)壓管道堵塞等緊急情況，保證治療安全性。

（3）縮小治療儀體積。以蠕動泵主動灌注的方式取代創(chuàng)面重力滴灌，無需將儲液瓶居高懸掛，改善了治療儀的便攜性，方便其進(jìn)一步推廣。

（4）提升患者生活質(zhì)量。充分利用中央負(fù)壓源進(jìn)行負(fù)壓吸引，消除真空泵運行噪聲，為患者創(chuàng)造更加舒適的修養(yǎng)環(huán)境，提升患者生活質(zhì)量。

6　結(jié)語

目前，國內(nèi)外創(chuàng)面灌注-負(fù)壓治療研究主要集中于重力滴灌-負(fù)壓治療領(lǐng)域，主動灌注-負(fù)壓治療設(shè)備研發(fā)鮮有報道[12]。創(chuàng)面重力滴灌-負(fù)壓治療裝置存在無法實現(xiàn)灌注液精確調(diào)節(jié)、缺少管道壓力報警指示等弊端，限制了其在臨床的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。我們研制的智能創(chuàng)面灌注-負(fù)壓治療裝置利用單片機智能控制創(chuàng)面灌注、負(fù)壓和預(yù)警諸模塊工作，借助國內(nèi)病房廣泛設(shè)置的中心負(fù)壓源，簡化了治療儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高了創(chuàng)面主動灌注-負(fù)壓治療的自動化、智能化及安全性水平，有助于創(chuàng)面主動灌注-負(fù)壓治療技術(shù)的臨床推廣。

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（收稿：2014-11-26修回：2015-02-15）

Development of intelligent wound instillation-negative pressure therapeutic instrument

HOU Qiang1,ZHANG Wen-jun1,ZHANG Jian-guang2,FU Zhen-shan3,HAN Tong1, YI Jing4,GUO Rong1,ZHANG Ying1,JIANG Hua1
(1.Department of Plastic Surgery,Shanghai Changzheng Hospital,the Second Military Medical University,Shanghai 200003,China;2.Department of Plastic Surgery,Doctor Sha's Hospital of Cosmetic Plastics,Dalian 116000,Liaoning Province,China;3.Weihai Vocational College,Weihai 264210,Shandong Province,China;4.Department of Burn Plastics, Navy General Hospital,Beijing 100048,China)

Objective To develop an intelligent wound therapeutic instrument based on active instillation and negative pressure suction.Methods SCM coordinated peristaltic pumps,solenoid valves and pressure receptor to infuse perfusate into the wound and retained it for a period of time.The perfusate then was eliminated by negative pressure and the wound was kept in the state of negative pressure.The instrument could give out alarm in case of bad tightness,over-high pressure and blocked negative-pressure pipeline.Results Peristaltic pump and central negative pressure were involved in to complete wound perfusion and irrigation,with perfusate controlled quantitatively and negative pressure kept reliable. The pressures in the wound and pipeline could be monitored at real time by the pressure receptor,and timely alarm was implemented when unexpected conditions occurred.Conclusion The instrument behaves well in automation,intelligence and safety,and thus is worth popularizing clinically.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（5）：41-43，121]

wound;instillation;negative pressure therapy;peristaltic pump

[中國圖書資料分類號]R318.6；TH772.1A

1003-8868（2015）05-0041-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.05.041

全軍醫(yī)藥衛(wèi)生項目（08G069）；上?？莆a(chǎn)學(xué)研項目（12DZ1941905）

專利：國家實用新型專利（ZL 01320029949.5）

侯強（1979—），男，博士研究生，主治醫(yī)師，研究方向為體表器官再造與整復(fù)，E-mail:houqiangcn@126.com。

200003上海，第二軍醫(yī)大學(xué)長征醫(yī)院整形外科（侯強，張文俊，韓童，郭榮，張瑛，江華）；116000遼寧大連,大連沙醫(yī)生整形美容醫(yī)院整形外科（張建光）；264210山東威海，威海職業(yè)技術(shù)學(xué)院（付振山）；100048北京，海軍總醫(yī)院燒傷整形科（易競）

江華，E-mail:552900670@qq.com