可穿戴式創(chuàng)傷光子治療裝置的研制

張凱，陳林凱，柯天立，麥毅源，Lothar Lilge，曾懷萱，何澤月

1.北京理工大學(xué)珠海學(xué)院 光電成像技術(shù)與系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 珠海 519088；2.University Health Network/University of Toronto，加拿大 多倫多 M5G1L7

引言

利用可穿戴式創(chuàng)傷光子治療裝置可以隨時(shí)隨地治療各種創(chuàng)傷，是醫(yī)療儀器的一項(xiàng)創(chuàng)新。微電子技術(shù)的高速發(fā)展也為該技術(shù)的開(kāi)發(fā)提供了必要的條件[1-3]。這類(lèi)裝置的大眾化可以很好地提高人們的生活質(zhì)量，具有重大意義。自21世紀(jì)以來(lái)，人們的生活水平不斷提高，國(guó)家也越來(lái)越重視體育文化建設(shè)。因此人們對(duì)于運(yùn)動(dòng)越來(lái)越重視并積極參與其中，但是有些劇烈運(yùn)動(dòng)難免會(huì)對(duì)人造成意外而受傷，例如跑步摔倒擦傷，打籃球扭傷腳是司空見(jiàn)慣的事。再如病人所需要的手術(shù)，都會(huì)對(duì)皮膚細(xì)胞造成不同程度創(chuàng)傷。由此可見(jiàn)，對(duì)于創(chuàng)傷治療顯得異常重要[4-8]。目前國(guó)內(nèi)關(guān)于創(chuàng)傷治療的常用方法是藥物外用和內(nèi)服兩種傳統(tǒng)方法，其中外用藥物以敷為主，傷者需要隨身攜帶藥物或到藥品存放處取用，且傷口恢復(fù)周期長(zhǎng)。而內(nèi)服藥物中成分復(fù)雜，盡管使用普遍且效果明顯，但針對(duì)性不強(qiáng)，有的對(duì)人體其他組織器官會(huì)產(chǎn)生一定的副作用，若長(zhǎng)期使用甚至?xí)斐蓾撛谕{[9-10]。目前現(xiàn)有技術(shù)均為大型臺(tái)式結(jié)構(gòu)或落地式結(jié)構(gòu)，體積較大，重量較重，不便于隨身使用[11]。且不是所有的醫(yī)院都有，需要專(zhuān)門(mén)的治療空間和工具，操作步驟繁瑣，不能滿足大眾自我治療的需求，因此開(kāi)發(fā)一種新型有效的人體創(chuàng)傷治療裝置是非常必要的。

陳志勇等[12]使用的是低能量紅光對(duì)人表皮細(xì)胞株等進(jìn)行刺激，對(duì)人皮膚有一系列良性反應(yīng)，因此可將其用于人體皮膚一般傷口進(jìn)行輔助治療。車(chē)明海等[13]使用的是藍(lán)紅光結(jié)合對(duì)創(chuàng)傷性傷口進(jìn)行治療，由于藍(lán)紅光一起照射時(shí)會(huì)相互影響，其效果并不能達(dá)到一加一大于等于二，因此本研究將紅光與藍(lán)光分離，舍去藍(lán)光而保留紅光治療皮膚創(chuàng)傷。張瑾等[14]介紹了真皮與創(chuàng)面再生或瘢痕愈合的關(guān)系，通過(guò)紅光照射可以促進(jìn)創(chuàng)面再生和瘢痕愈合，達(dá)到美容的效果而沒(méi)有副作用。王海濤等[15]介紹了皮膚創(chuàng)傷愈合的一般生理機(jī)制，紅光照射起到的作用是刺激皮膚創(chuàng)傷愈合的生理機(jī)制，使傷口更快愈合?？荡焊５萚16]深入介紹了缺氧誘導(dǎo)因子對(duì)創(chuàng)傷愈合的影響，為本研究的使用方法提供了很好的方向。

本研究所描述的創(chuàng)傷治療系統(tǒng)從治療的角度出發(fā)，針對(duì)上述所提到的各種問(wèn)題，提供了一種可穿戴式的解決方案。該裝置由可充電鋰電池供電，非常便攜。該裝置的技術(shù)采用紅光LED陣列與微處理器結(jié)合，能在短時(shí)間內(nèi)促使病變組織蛋白質(zhì)固化，改善局部血液循環(huán)，增強(qiáng)免疫功能，促進(jìn)局部組織的新陳代謝并產(chǎn)生一系列良性反應(yīng)，促使新的鱗狀上皮細(xì)胞生成，加速對(duì)滲出物的吸收，減弱肌張力，從而達(dá)到消腫，消炎，鎮(zhèn)痛，根除糜爛組織，加速傷口愈合以致去病的目的。病人可根據(jù)自身創(chuàng)傷程度來(lái)設(shè)定紅光LED照射時(shí)間。本裝置制作在柔性電路板上，可佩戴于人體不同部位。本治療裝置由STM32芯片控制，并采用低功耗的OLED作為系統(tǒng)的顯示界面。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本創(chuàng)傷治療系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成，見(jiàn)圖1。單片計(jì)算機(jī)：采用STM32單片機(jī)，對(duì)不斷輸出的紅光LED進(jìn)行強(qiáng)度與時(shí)間的控制；可充電鋰電池：3.7 V聚合物鋰電池，90 mAh；充電管理電路：采用TP4056芯片，具有保護(hù)電路功能，可為鋰電池充電；OLED顯示屏：顯示紅光LED照射強(qiáng)度與時(shí)間等信息；LED驅(qū)動(dòng)電路：恒流電源，保證LED發(fā)光強(qiáng)度恒定；紅光LED：波長(zhǎng)為650 nm左右，刺激皮膚膠原蛋白再生，促進(jìn)新陳代謝，加速傷口愈合；蜂鳴器：當(dāng)設(shè)定的照射時(shí)間結(jié)束時(shí)自動(dòng)報(bào)警提醒；按鍵：手動(dòng)按鍵，通過(guò)按鍵控制紅外陣列照射時(shí)間。

圖1 創(chuàng)傷治療系統(tǒng)框圖

整個(gè)系統(tǒng)由可充電電池供電，電壓不高于5 V，因此對(duì)于人體是絕對(duì)安全的。各個(gè)組成電路的原理圖，見(jiàn)圖2。

其中，紅光LED陣列用恒流源驅(qū)動(dòng)，以保證LED的發(fā)光功率穩(wěn)定輸出。并且，紅光LED陣列使用柔性電路板制作，易于彎曲，適用于各個(gè)部位照射，見(jiàn)圖3。定時(shí)設(shè)置可通過(guò)按鍵設(shè)置并顯示在OLED顯示屏上，按下確定鍵后，OLED顯示屏開(kāi)始計(jì)時(shí)，每過(guò)一秒LED指示燈就閃爍一次，同時(shí)STM32單片機(jī)控制恒流源驅(qū)動(dòng)紅光LED陣列開(kāi)始發(fā)光，當(dāng)設(shè)定時(shí)間一到，紅光LED陣列停止照射，同時(shí)啟動(dòng)聲音報(bào)警。整個(gè)治療裝置，見(jiàn)圖4。

圖2 創(chuàng)傷治療系統(tǒng)各個(gè)組成電路原理圖

圖3 柔性LED電路板

圖4 實(shí)物圖

2 結(jié)果及討論

整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，裝配在一片30 mm×30 mm的雙面印刷電路板上，并配用3D打印技術(shù)完成的柔性機(jī)殼。紅光LED陣列照射功率檢測(cè)準(zhǔn)確性的標(biāo)定，采用美國(guó)Newport公司生產(chǎn)的843-R型激光功率計(jì)測(cè)量，該功率計(jì)是根據(jù)美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局的要求標(biāo)定的。由于該創(chuàng)傷裝置主要是用來(lái)治療傷口的，因此使用創(chuàng)可貼及紗布等作為阻礙物。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得，紅光LED陣列在無(wú)任何阻礙物及有阻礙物照射時(shí)的光功率，見(jiàn)表1～2。

表1 紅光LED陣列透過(guò)不同創(chuàng)可貼后的光功率讀數(shù)

表2 紅光LED陣列在透過(guò)不同層數(shù)的白紗布后的光功率讀數(shù)

根據(jù)表1，經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)，光衰弱最高的云南白藥創(chuàng)可貼光密度值為1.067 ，對(duì)應(yīng)的光功率為9 mW/cm2。因此，即使在傷口處有包扎或使用創(chuàng)口貼等情況下，該創(chuàng)傷光子治療裝置依然有效。云南白藥創(chuàng)可貼與邦迪苯扎氯銨貼是含有藥物的加厚創(chuàng)可貼，由于創(chuàng)可貼本身阻礙作用再加上藥物吸收部分紅光或產(chǎn)生漫反射導(dǎo)致光功率衰弱較大，因此在使用本裝置的情況下建議使用普通創(chuàng)可貼療效更佳，或適當(dāng)延長(zhǎng)紅光LED陣列照射時(shí)間即可。根據(jù)表2可知，光功率是隨紗布層數(shù)增加而遞減的，一般而言病人是根據(jù)不同傷口程度進(jìn)行不同層數(shù)包扎的，包扎層數(shù)過(guò)多對(duì)創(chuàng)傷部位的傷口愈合不利，一般不超過(guò)6層，該層數(shù)依然比一般創(chuàng)可貼效果要好，因?yàn)榧啿加性S多小孔，有助于更多的紅光照射到傷口。另外，即使在光功率最強(qiáng)的情形下，也沒(méi)有超過(guò)國(guó)際激光安全標(biāo)準(zhǔn)IEC60825-1-2007所規(guī)定的皮膚表面照射功率密度200 mW/cm2的閾值。每次的光照時(shí)間是用戶可調(diào)節(jié)的，就是說(shuō)當(dāng)使用的紗布層數(shù)少而透過(guò)的光功率密度較大時(shí)，可以適當(dāng)減小照射時(shí)間。

關(guān)于本光子治療裝置的功能，本系統(tǒng)采用紅光LED陣列，產(chǎn)生紅光波段，其光生物作用主要是光化學(xué)作用。由于紅光的刺激可以使纖維細(xì)胞數(shù)目增加，增加膠元蛋白的形成，故可以加強(qiáng)細(xì)胞的新生，并可以促進(jìn)肉芽組織生長(zhǎng)，增強(qiáng)細(xì)胞的新陳代謝，促進(jìn)細(xì)胞合成，從而加速傷口愈合。對(duì)于手術(shù)后傷口愈合也有很好的促進(jìn)作用。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)體表創(chuàng)傷這個(gè)巨大的應(yīng)用空間，本文所描述的可穿戴式創(chuàng)傷光子治療裝置，利用了光子對(duì)組織的消炎、止痛、促進(jìn)傷口愈合的作用，與現(xiàn)有的大型紅光治療儀器相比，具有便攜、靈活、可隨時(shí)隨地使用等明顯優(yōu)點(diǎn)。所采用的紅光LED陣列可配合創(chuàng)可貼或其他傷口敷料使用，可用于使用者身體表面的任意部位而無(wú)任何負(fù)面影響。而且也適合于在戰(zhàn)場(chǎng)上對(duì)傷員的包扎處理。

近年來(lái)LED生產(chǎn)工藝有了很多改進(jìn)，柔性電路板的價(jià)格也在逐漸下降，下一步的工作可以研究采用柔性的OLED發(fā)光體取代表面貼片式的剛性LED芯片，在發(fā)光驅(qū)動(dòng)模式方面，可以研究脈沖式方式，通過(guò)提高峰值光輻射功率來(lái)加大光子穿透深度，從而提高傷口愈合速度。隨著現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，預(yù)計(jì)這項(xiàng)技術(shù)將會(huì)很快普及，造福人類(lèi)。

[1] 馮瑩,王佳.活血化瘀法聯(lián)合紅光照射治療帶狀孢疹后遺神經(jīng)痛[J].中西醫(yī)結(jié)合心血管病電子雜志,2016,4(12):32-33.

[2] 王雪,劉玉峰.復(fù)方黃柏液聯(lián)合LED紅光治療淤積性皮炎療效觀察[J].四川醫(yī)學(xué),2016,37(3):302-304.

[3] 武艷,張哲,羅海龍,等.見(jiàn)充質(zhì)干細(xì)胞在創(chuàng)傷愈合過(guò)程中抑制瘢痕形成的作用機(jī)制[J].中國(guó)醫(yī)學(xué)導(dǎo)報(bào),2016,13(9):47-50.

[4] 高成,陳歡,李良海,等.促黑素受體在皮膚創(chuàng)傷愈合過(guò)程中的表達(dá)定位[J].創(chuàng)傷外科雜志,2015,1:57-61.

[5] 鳳寧娟,毛儀娜,郭群.斷指再植術(shù)后局部紅光治療療效分析[J].實(shí)用臨床護(hù)理學(xué)電子雜志,2017,2(6):62-63.

[6] 郭啊玲.紅光治療Ⅱ度燒傷創(chuàng)面的療效觀察[J].吉林醫(yī)學(xué),2017,38(2):235-236.

[7] 薛盛中,劉保健,董萬(wàn)濤,等.皮膚創(chuàng)傷愈合的分子機(jī)制研究進(jìn)展[J].中醫(yī)臨床研究,2014,23:139-140.

[8] 王瓊.紅光照射治療皮膚膿腫伴膿腔形成的臨床效果觀察[J].中醫(yī)臨床研究,2017,21(9):1068-1069.

[9] 趙英杰.聯(lián)用服藥、冷噴及紅光照射療法治療面部過(guò)敏性皮炎的效果研究[J].中國(guó)保健營(yíng)養(yǎng),2017,27(7):143.

[10] 周旺,賈天震,陳賢祥,等.可穿戴醫(yī)療健康監(jiān)護(hù)現(xiàn)狀與展望[J].中國(guó)醫(yī)療設(shè)備,2017,6:1-5.

[11] 劉健,方慶偉,鄭捷新,等.全身紅光治療對(duì)燒傷創(chuàng)面愈合的有效性和安全性評(píng)價(jià)[J].中國(guó)醫(yī)療器械雜志,2010,4:293-296.

[12] 陳志勇,李棟梁,段小冬,等.低能量633納米紅光刺激對(duì)人表皮細(xì)胞株HaCaT增值及活性氧水平的影響[J].中華燒傷雜志,2016,32(9):560-565.

[13] 車(chē)明海,曾攀,劉先成,等.藍(lán)紅光治療創(chuàng)傷性傷口的效果觀察[J].西部醫(yī)學(xué),2016,28(9):1214-1217.

[14] 張瑾,張選奮,郭樹(shù)忠.真皮與創(chuàng)面再生或瘢痕愈合關(guān)系[J].中華整形外科雜志,2016,32(4):315-318.

[15] 王海濤,朱梓赫,李樹(shù)偉,等.皮膚創(chuàng)傷愈合過(guò)程中短暫擴(kuò)增細(xì)胞增生及皮膚干細(xì)胞遷移[J].中國(guó)組織化學(xué)與細(xì)胞化學(xué)雜志,2016,24(4):328-334.

[16] 康春福,張哲,陳斌,等.缺氧及缺氧誘導(dǎo)因子對(duì)創(chuàng)傷愈合的影響[J].中華整形外科雜志,2015,31(5):393-396.