基于間歇脈沖快速充氣的空氣波按摩裝置控制系統(tǒng)的研究

王 帥，劉澤雨

(河北省自動化研究所有限公司，河北 石家莊 050081)

0 引言

血栓是導致心腦血管疾病發(fā)生的關(guān)鍵因素，間歇脈沖抗栓儀通過壓迫肌肉收縮以達到加強肌肉泵對靜脈血回流作用，從而加速靜脈血流速度，可有效預(yù)防和減輕使用者靜脈血栓的形成[1]。同時，間歇脈沖加壓抗栓系統(tǒng)預(yù)防孕婦產(chǎn)后下肢靜脈血栓栓塞療效顯著[2]。我國“十四五”規(guī)劃綱要也提出，要加強預(yù)防、治療、護理、康復有機銜接。因此，間歇脈沖抗栓儀控制系統(tǒng)的研制可提高康復輔助器具適配率，提升康復服務(wù)質(zhì)量，具有廣闊的市場前景和巨大的社會效益。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計組成圖

“間歇脈沖抗栓儀控制系統(tǒng)”根據(jù)空氣波原理，利用空氣壓強的變化對肢體組織進行按摩，起到加速靜脈血流速度的作用[3]。該系統(tǒng)主要由單片機控制系統(tǒng)、彩色觸摸屏、傳感器單元、數(shù)字處理單元、空壓儲氣單元、電源系統(tǒng)等部分組成。系統(tǒng)通過空壓儲氣單元儲存壓縮空氣，控制系統(tǒng)根據(jù)傳感器單元的壓力對數(shù)值進行反饋控制，控制單元采用電磁閥向氣囊充氣?？諌簝鈫卧鳛閮獾闹薪椋瑑Υ嬉欢▔毫Φ目諝?，這樣可瞬間達到抗栓治療時所需的壓力，可以達到更好的治療效果。系統(tǒng)配置彩色液晶觸摸屏，直觀便捷地圖形化操作界面，可進行治療模式、治療時間、治療參數(shù)、報警等信息輸入和顯示。系統(tǒng)組成如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件主要由氣體壓縮單元、傳感器單元、控制核心單元、電磁閥、微型氣泵、電源、觸摸屏、配套氣囊及管路組成?？刂坪诵膯卧ㄟ^軟件程序控制微型氣泵和電磁閥，令氣體壓縮單元壓縮空氣，達到預(yù)定壓力后，向配套氣囊快速充氣，達到按摩下肢的目的。觸摸屏可以設(shè)定治療時間、預(yù)定氣囊壓力、顯示氣囊的實時壓力等。系統(tǒng)硬件組成如圖2所示。

2.1 控制電氣電路的設(shè)計

控制核心單元主要為控制線路板，承載著間歇脈沖抗栓儀的數(shù)字處理單元與氣壓控制單元的算法和驅(qū)動。

圖2 系統(tǒng)硬件組成示意圖

線路板的設(shè)計主要有：觸摸液晶屏模塊、兩個氣壓傳感器及其信號處理、單片機系統(tǒng)、接口系統(tǒng)、電磁閥與氣泵驅(qū)動模塊、電源模塊、AD采集模塊、報警電路等。用工業(yè)串口屏代替普通的按鍵操作，并與顯示報警相結(jié)合，省時省空間，采用圖形化操作界面；操作命令通過串口與控制單元交換數(shù)據(jù)；AD采集模塊負責采集氣體壓力，從而實現(xiàn)充氣過程的準確控制；電磁閥驅(qū)動模塊采用繼電器實現(xiàn)，通過電磁閥的開啟和關(guān)閉實現(xiàn)對氣囊的充放氣控制；報警電路用于氣路漏氣時或者設(shè)備出現(xiàn)其他異常故障時予以警告提示。

2.2 氣路設(shè)計

圖3 氣路設(shè)計示意圖

氣路設(shè)計實現(xiàn)的功能包含氣囊氣壓檢測功能、過壓保護功能、氣體釋放功能等。如圖3所示。

硬件有充氣泵、充氣電磁閥、放氣閥、閥排、氣泵、過壓保護閥、儲氣罐壓力傳感器、氣囊壓差傳感器、氣囊等。充氣氣囊與人體直接接觸，初步設(shè)計有三種類型：腳部氣囊、小腿氣囊、小腿+大腿氣囊。系統(tǒng)通過充氣泵向儲氣罐內(nèi)壓縮空氣，儲氣罐壓力到達40kPa后，經(jīng)過充氣電磁閥瞬間向氣囊充氣，快速達到設(shè)定的壓力值。當氣囊壓力小于于設(shè)定值時，充氣泵繼續(xù)工作，直到達到設(shè)定壓力值；當氣囊壓力大于設(shè)定值時，放氣閥排放多余的壓力；氣囊壓力超出放氣閥的工作能力后，過壓保護閥瞬間放氣，保護患者和系統(tǒng)的安全。

圖4 工作流程圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 控制軟件的設(shè)計

控制系統(tǒng)工作分為初始化階段、參數(shù)設(shè)置階段、儀器檢測階段、循環(huán)工作階段。

系統(tǒng)開機上電后自動進入初始化階段，啟動屏幕程序并設(shè)置默認參數(shù)。然后進入?yún)?shù)設(shè)置階段，需要使用者通過觸摸屏輸入定時時間和預(yù)定壓強值。參數(shù)設(shè)定完畢后，電機開始按鈕，儀器進入儀器檢測階段，檢測氣囊儀器是否有故障。儀器工作三個周期后，自動進入循環(huán)工作階段，按照順序依次對腿部進行充放氣按摩。流程圖如圖4所示。

3.2 氣囊壓強調(diào)節(jié)算法

當系統(tǒng)為氣囊充氣時，要保證一定的壓強，不能過大，也不能過小。

由于電磁閥功率相對較大，頻繁開啟對系統(tǒng)不利，所以壓力的調(diào)節(jié)，通過一個軟件的施密特觸發(fā)器實現(xiàn)氣泵和放氣閥的控制[4]。具體方法如下：

(1)

(2)

其中，f(p)表示氣泵運行狀態(tài)；g(p)表示放氣閥狀態(tài)；f(p)-表示氣泵前一刻運行狀態(tài)；g(p)-表示前一刻放氣閥狀態(tài)；P下限表示允許氣壓波動最小值；P上限表示允許氣壓波動最大值；p表示當前氣壓值；P設(shè)定表示當前氣壓設(shè)定值。

當氣壓超過設(shè)定值，并且超過P上限時，關(guān)閉充氣泵，然后打開放棄閥門。當氣壓降到小于P設(shè)定后關(guān)閉放氣閥。當氣壓值低于設(shè)定值P設(shè)定，并且低于P下限時，關(guān)閉放氣閥(一般放氣閥處于關(guān)閉狀態(tài))，打開充氣泵。當氣壓超過P設(shè)定時，充氣泵停止工作。所以壓強的控制誤差在P下限與P上限內(nèi)。

系統(tǒng)利用脈沖寬度調(diào)制控制氣泵對氣囊進行間歇式充氣加壓,壓迫肢體肌肉收縮達到加強靜脈血液回流的作用,實現(xiàn)對下肢深靜脈血栓的物理治療,通過數(shù)字濾波控制治療時的氣壓精度[5]。另外，硬件上還有氣囊的過壓保護。當氣囊內(nèi)壓力過大時，放氣閥打開的同時，硬件的保護閥門也打開，增加放氣速度，使氣囊壓強迅速恢復到正常值。

單片機控制程序如下：

if ((tui_zuo_on+tui_you_on)==0)

{

alarm=3;

}

switch (jincheng)

{

case 0x00:

dcf00=1;

dcf01=1;

fq=1;

tui0=0;

tui1=0;

……

if ((qiya1<(120+Tyali))&&(tui1==1))

{

benggo();

}

else if (qiya1>(127+Tyali))

{

bengstop();

}

if (qiya1<148)

{

fq=1;

}

if (qiya1>(131+Tyali))

{

fq=0;

bengstop();

}

else if (qiya1<(120+Tyali))

fq=1;

……

jincheng=0;

Time_yanshi=0;

if ((tui0+tui1)!=moshi) //腿數(shù)不對報警

{

alarm++;

}

else

alarm=0;

break;

}

4 結(jié)束語

本研究通過對系統(tǒng)電氣電路的設(shè)計、氣路設(shè)計和軟件設(shè)計，實現(xiàn)了按摩裝置對按摩氣囊間歇快速充氣的功能，并達到了醫(yī)療行業(yè)對電子儀器穩(wěn)定性和抗干擾性的要求。通過軟件程序?qū)崿F(xiàn)了氣囊壓強調(diào)節(jié)算法的設(shè)計，能夠快速、穩(wěn)定向氣囊充氣，有效控制了按摩裝置的壓力。本控制系統(tǒng)的設(shè)計符合儀器安全性、穩(wěn)定性和有效性的要求。