基于STM32微處理器的空氣波壓力的外周循環(huán)不良治療系統(tǒng)設(shè)計

胡海洋，陳月明，葉繼倫，項勇，文斌，王業(yè)磊

1 安徽醫(yī)科大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，合肥市，230032

2 深圳大學(xué) 醫(yī)學(xué)院 生物醫(yī)學(xué)工程系，深圳市，518060

0 引言

下肢深靜脈血栓（Deep Venous Thrombosis，DVT）是骨科大手術(shù)中發(fā)病率較高的并發(fā)癥，嚴重的話能夠?qū)е路嗡ㄈ?，危及患者生命。同時，DVT具有不易診斷的特點，因此預(yù)防重于治療。單純的藥物預(yù)防治療會留下副作用，因此較為安全有效的物理器械療法得到了青睞。臨床研究表明，采用分級加壓彈力襪和間歇式加壓治療的物理方法，對病人的下肢進行治療以及預(yù)防DVT有著顯著的效果。本文介紹的間歇性空氣加壓裝置采用以STM32系列單片機作為系統(tǒng)核心，包括壓力傳感器、氣泵、電磁閥和多氣腔等組成的氣動裝置與空氣壓輸出系統(tǒng)，以及可編程的治療模式，基本實現(xiàn)了對DVT的預(yù)防作用。

1 間歇性加壓治療原理與設(shè)計方案

1.1 間歇性加壓治療原理

深靜脈血栓的形成主要是由于血液在靜脈中的不正常凝結(jié)，造成表皮細胞缺失養(yǎng)分而死亡，嚴重者會出現(xiàn)下肢表皮壞死、潰瘍、潰爛等癥狀。間歇性加壓裝置通過加壓氣囊壓迫病人下肢，改善血液循壞，周圍毛細血管回流增加，循環(huán)阻力下降，增強末梢組織的循環(huán)，改善末梢組織的供血和供氧情況，促進末梢的代謝功能，提高網(wǎng)狀內(nèi)皮細胞的吞噬能力，有助于對滲出液的吸收和對病理性產(chǎn)物的排泄，從而達到有效預(yù)防并輔助治療深靜脈血栓的目的[1]。

1.2 系統(tǒng)整體方案

本研究提出的空氣波壓力治療系統(tǒng)硬件方面主要由控制電路和氣動裝置組成[2]。控制電路中，由STM32F103RCT6控制氣動裝置的工作以及信號的采集和處理。氣動裝置由單片機控制產(chǎn)生相應(yīng)的壓力直接作用于患者，并采集氣囊內(nèi)的壓力數(shù)據(jù)反饋給單片機。間歇性加壓裝置系統(tǒng)功能框圖，如圖1所示。系統(tǒng)硬件實物圖，如圖2所示。

圖1 間歇性加壓裝置系統(tǒng)功能框圖Fig.1 Functional block diagram of intermittent pressurization device system

圖2 系統(tǒng)硬件實物圖Fig.2 Physical diagram of system hardware

1.3 氣動裝置組成

氣動裝置主要由氣泵、電磁閥、氣囊、壓力傳感器組成[3]。氣泵和電磁閥由單片機經(jīng)驅(qū)動電路直接控制，完成相應(yīng)的充放氣的過程。氣囊用于產(chǎn)生壓力。壓力傳感器采集氣囊內(nèi)的壓力數(shù)據(jù)，經(jīng)放大電路、AD轉(zhuǎn)換后送入單片機，用以反饋控制充氣狀態(tài)和過壓保護。間歇性加壓裝置氣路系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 間歇性加壓裝置氣路系統(tǒng)Fig.3 Pneumatic system of intermittent pressurization device

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 電源部分

系統(tǒng)采用直流+12 V穩(wěn)壓供電，通過電壓調(diào)整電路轉(zhuǎn)換為所需的+6 V、+5 V和+3.3 V。其中，為了防止氣泵、電磁閥等氣路元件工作時的電源波動對系統(tǒng)其他元器件產(chǎn)生影響，系統(tǒng)通過兩個DC-DC元件轉(zhuǎn)換出兩路+6 V電壓，分別供給氣路系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。

2.2 泵、閥驅(qū)動電路

系統(tǒng)中氣泵和電磁閥采用簡單的三極管驅(qū)動電路驅(qū)動，如圖4所示。當單片機I/O口輸出高電平時，三極管導(dǎo)通，泵、閥工作。當I/O口輸出低電平時，三極管不導(dǎo)通。圖4中續(xù)流二極管作用是為泵、閥斷電后所形成的的感生電動勢提供回路，保護三極管、泵和電磁閥。

圖4 氣泵、電磁閥驅(qū)動電路Fig.4 Air pump,solenoid valve drive circuit

2.3 壓力信號采集電路

氣腔壓力采集的準確性保證了系統(tǒng)對充、放氣過程的準確控制。壓力傳感器采用臺灣Unisense公司生產(chǎn)的US9111-006S，最大測量壓力為5.8 psi(1psi=6.89 kPa)。壓力采集與放大電路如圖5所示，這里R81=100 kΩ，R82=1 kΩ，計算得出放大增益為101倍。AD轉(zhuǎn)換芯片選用8通道、12位的ADC128S022，其與單片機通過SPI進行通訊，AD轉(zhuǎn)換部分電路如圖6所示。

圖5 壓力采集與放大電路Fig.5 Pressure capture and amplifying circuit

圖6 基于ADC128S022的AD轉(zhuǎn)換電路Fig.6 AD conversion circuit based on ADC128S022

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)工作主流程

系統(tǒng)主要工作流程如圖7所示。系統(tǒng)開機后，初始化串口、外部中斷、定時器等硬件模塊，之后等待系統(tǒng)的工作模式、工作強度和工作時間等工作參數(shù)的設(shè)置[4]。系統(tǒng)工作環(huán)境設(shè)置完畢后，待啟動鍵按下，系統(tǒng)按照設(shè)定的模式運行，直到觸發(fā)定時器中斷關(guān)閉系統(tǒng)[5]。

圖7 治療系統(tǒng)軟件流程圖Fig.7 Software flow chart of treatment system

3.2 氣動裝置工作流程

氣動裝置的工作模式有兩種，包括單腔模式和多腔模式。其中，單腔模式是指三節(jié)氣腔依次充氣、泄氣，如圖8所示；多腔模式是指三節(jié)氣腔依次充氣，再同時泄氣，如圖9所示。

圖8 單腔模式工作示意圖Fig.8 Schematic diagram of single cavity mode operation

圖9 多腔模式工作示意圖Fig.9 Schematic diagram of multi-cavity mode operation

系統(tǒng)的工作強度以系統(tǒng)正常工作時氣腔的最大壓力值分為弱、中、強三檔，分別對應(yīng)30 mmHg、40 mmHg和50 mmHg(1 mmHg=133.32 Pa)。氣泵和電磁閥的工作狀態(tài)來源于各氣腔壓力值的反饋，若氣腔內(nèi)的壓力值達到預(yù)設(shè)壓力，系統(tǒng)則停止對相應(yīng)氣腔充氣。

單腔模式和多腔模式的具體工作流程如圖10、圖11所示。

圖10 單腔模式工作流程Fig.10 Workflow of single chamber mode

4 系統(tǒng)測試與結(jié)果

系統(tǒng)測試分為兩個部分，首先是對硬件系統(tǒng)進行測試，包括壓力測試和充、放氣速率測試，以此評估系統(tǒng)的可靠性。之后對系統(tǒng)的控制功能進行測試，即通過對各氣腔壓力值變化的分析，驗證系統(tǒng)的功能性。系統(tǒng)測試環(huán)境如圖12所示。

4.1 硬件系統(tǒng)測試

4.1.1 壓力測試

圖11 多腔模式工作流程Fig.11 Workflow of multi-cavity mode

圖12 系統(tǒng)連接示意圖Fig.12 Schematic diagram of system connection

測試系統(tǒng)在不同工作強度下，氣腔處于保持階段時的壓力值與預(yù)設(shè)壓力值之間的誤差。測試方法是將精密壓力計接入到氣路中，記錄氣壓保持階段的氣壓值，數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同工作強度下氣腔壓力值（mmHg）Tab.1 Pressure value of air chamber under different working intensity

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)在正常工作時，氣腔的壓力會在停止充氣的瞬間得到一個最大值，待穩(wěn)定后，氣腔壓力能夠保持在預(yù)設(shè)值附近。

4.1.2 充、放氣速率測試

測試系統(tǒng)在不同工作強度下，充、放氣的平均速率。充氣時間表示氣腔壓力從0充氣至目標壓力所用時間，放氣時間表示氣腔壓力從目標壓力降至10 mmHg以下所用的時間，具體如表2所示。

表2 系統(tǒng)不同模式下的充放氣速率Tab.2 Charging and discharging rates in different modes of the system

4.2 控制系統(tǒng)測試

設(shè)置系統(tǒng)的工作模式為單腔模式，工作強度為中，工作時間為2 min。利用串口輸出氣腔的壓力值，并利用Matlab擬合工具模擬各氣腔壓力值隨時間變化的趨勢圖，如圖13和圖14所示。

圖13 1號氣腔壓力變化擬合圖Fig.13 Fitting diagram of pressure change in No.1 air chamber

圖14 2號氣腔壓力變化擬合圖Fig.14 Fitting diagram of pressure change in No.2 air chamber

由圖13和圖14可以看出，各氣腔內(nèi)的氣壓在系統(tǒng)開啟后開始交替上升，分別在達到預(yù)設(shè)值后保持2 s再放氣。實驗驗證了設(shè)計方案的可行性，初步實現(xiàn)了間歇性加壓裝置的基本功能。

5 總結(jié)

本研究以STM32F103RCT6為核心，利用了其豐富的外設(shè)功能控制各氣腔的循環(huán)充氣過程，并輔以壓力監(jiān)測保證系統(tǒng)的正常運行及安全性要求，測試結(jié)果表明上述系統(tǒng)能基本滿足日常生活中對下肢深靜脈血栓的預(yù)防要求。后續(xù)可以進一步豐富系統(tǒng)的工作模式，如：壓力波動模式，循環(huán)方式等，再通過增加氣腔的數(shù)量和形狀，滿足人體下肢、上肢等不同部位加壓理療的應(yīng)用需求，使得上述的應(yīng)用系統(tǒng)更具有靈活性和擴展性，未來在應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計中可以考慮用戶的感受，對于相關(guān)參數(shù)提供可調(diào)的設(shè)置功能，以及增加多模式顯示的方式，供實際設(shè)計時參考。