基于STM32 的深靜脈血栓預(yù)防裝置設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王佳升，陳國明，劉盛平，李嘉旭，鞏鵬程

（重慶理工大學(xué)藥學(xué)與生物工程學(xué)院，重慶 400054）

深靜脈血栓（Deep Vein Thrombosis，DVT），是指血液在深靜脈內(nèi)異常凝結(jié)從而阻塞靜脈管腔，引起下肢靜脈回流障礙[1]，嚴(yán)重時(shí)可出現(xiàn)肺栓塞并發(fā)癥、致殘或者致死[2]。間歇性的機(jī)械預(yù)防措施如空氣波壓力治療裝置已經(jīng)被證實(shí)在預(yù)防和治療深靜脈血栓方面有較為理想的效果，目前在醫(yī)院等場所被廣泛應(yīng)用[3-6]。但是由于價(jià)格、充氣方式、便攜性等方面的限制，該類產(chǎn)品并沒有得到普及性的應(yīng)用。因此，基于間歇性加壓充氣裝置(Intermittent Pneumatic Compression，IPC)療法[7-8]，設(shè)計(jì)一款適用于長期臥床或久坐、久立人員的便攜式裝置，能夠有效預(yù)防深靜脈血栓疾病。

1 系統(tǒng)總體介紹

1.1 系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)主要是由硬件控制電路以及氣路裝置組成，以STM32F103C8T6 單片機(jī)為核心，控制氣路中各電磁閥和氣泵的通斷實(shí)現(xiàn)氣囊的充放氣，達(dá)到模擬按摩的效果，并通過壓力傳感器將采集的氣壓信息反饋給單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的負(fù)反饋。此外還為用戶提供了人機(jī)交互界面，通過按鍵設(shè)置按摩模式、按摩時(shí)間和按摩壓力，可視化界面采用OLED屏，利用蜂鳴器進(jìn)行系統(tǒng)提示與報(bào)警，系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

1.2 系統(tǒng)工作流程介紹

通過設(shè)計(jì)一款基于STM32 的便攜式按摩儀，利用間歇性充氣加壓的空氣波對下肢靜脈血栓進(jìn)行預(yù)防。系統(tǒng)有兩種按摩模式可供用戶選擇，即順序按摩和多腔配合按摩[9]。由于氣腔容積較大，對氣腔進(jìn)行預(yù)充氣，保證按摩的舒適性和連貫性。初始化完成后，利用按鍵設(shè)置按摩模式及按摩時(shí)間，同時(shí)在屏幕上顯示當(dāng)前工作模式和氣壓值，達(dá)到設(shè)定時(shí)間后系統(tǒng)提醒用戶按摩完成。

在順序按摩的模式下，氣泵分別對四個(gè)氣腔由遠(yuǎn)心端到近心端依次進(jìn)行充氣并保持不放氣，當(dāng)全部氣腔氣壓達(dá)到設(shè)定值且保持一段時(shí)間后再放氣，以上步驟為一個(gè)周期，循環(huán)工作，達(dá)到設(shè)定時(shí)間后停止工作，其按摩過程示意圖如圖2(a)所示[10]。

圖2 肢體按摩示意圖

在多腔配合按摩模式下，兩個(gè)氣腔配合工作，達(dá)到模擬擠壓血液回流的按摩效果。其工作流程如下：氣泵依次對氣腔充氣，使相鄰的兩個(gè)氣腔保持按壓狀態(tài)，在某個(gè)氣腔充氣的同時(shí)與之相間隔的氣腔進(jìn)行放氣，其余氣腔保持原有狀態(tài)，直到第四個(gè)氣腔完成充氣，實(shí)現(xiàn)一個(gè)周期的按摩，重復(fù)以上過程，達(dá)到設(shè)定時(shí)間后停止工作，其按摩過程示意圖如圖2(b)所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 電源模塊

為了滿足系統(tǒng)各部分的供電需求，該設(shè)計(jì)需要的電源電壓分別為5 V 和3.3 V，故采用micro USB接口實(shí)現(xiàn)5 V 供電和通信，通過低壓差線性穩(wěn)壓器ASM1117 降壓得到3.3 V 電源[11]。同時(shí)為了裝置的便攜性，該設(shè)計(jì)自帶一塊1 500 mA 的可充電電池作為備用電源。為了實(shí)現(xiàn)電氣安全性，該模塊選用B0505S-3WR2 DC-DC 隔離電源芯片,輸入電源采用隔離變壓器與輸出端隔離，能有效避免觸電風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 氣路裝置模塊

單個(gè)氣路連接示意圖如圖3 所示，氣泵連接一個(gè)兩位三通電磁閥（電磁閥1）和兩通泄氣電磁閥（電磁閥2），其中，電磁閥1 斷電時(shí)1 和3 為導(dǎo)通狀態(tài)，通電時(shí)1 和2 為導(dǎo)通狀態(tài)，用于控制氣腔與氣泵、氣腔與泄氣閥的氣路通斷。電磁閥2 為常閉電磁閥，用于控制氣腔與大氣的通斷。該裝置由四組相同原理的充放氣結(jié)構(gòu)組成，實(shí)現(xiàn)對四個(gè)氣腔的充放氣控制。

圖3 單個(gè)氣路連接示意圖

當(dāng)整個(gè)氣路連通時(shí)，各部分氣壓相同，所以為了保證對整個(gè)系統(tǒng)氣壓采集的精準(zhǔn)性，該裝置采用精密的氣壓傳感器實(shí)時(shí)檢測氣路的氣壓，采集的信號(hào)經(jīng)過校準(zhǔn)后輸出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)到單片機(jī)，利用單片機(jī)自帶的AD 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換[12]。傳感器選用CFsensor 公司的XGZP6847A005KPG 壓力傳感器模塊，其性能參數(shù)如表1 所示，該傳感器為表壓型傳感器，尺寸小，易安裝，廣泛用于電子血壓計(jì)、呼吸機(jī)、監(jiān)護(hù)儀等醫(yī)療領(lǐng)域。

表1 壓力傳感器性能參數(shù)表

2.3 驅(qū)動(dòng)電路模塊

由于單片機(jī)的I/O 口輸出電壓電流不能滿足電磁閥和氣泵的工作需求，故采用三極管搭建驅(qū)動(dòng)電路，該設(shè)計(jì)采用S8050 三極管，其集電極允許最大電流為500 mA，電磁閥、氣泵最大工作電流為300 mA，滿足需求。由于電磁閥和氣泵內(nèi)都為線圈，為了防止斷電時(shí)所產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢損壞其他器件，故還需和氣泵、電磁閥并聯(lián)一個(gè)續(xù)流二極管。

2.4 人機(jī)交互及通信模塊

為了使該裝置能方便用戶操作，了解系統(tǒng)工作狀態(tài)，設(shè)計(jì)了OLED 顯示器和按鍵部分進(jìn)行人機(jī)交互[13]。該設(shè)計(jì)使用0.96 寸OLED 屏，按鍵電路采用上拉輸入的方式，觸發(fā)方式采用下降沿觸發(fā)。

為了滿足和上位機(jī)的通信需求，實(shí)現(xiàn)micro USB接口的通信和供電，故設(shè)計(jì)了相應(yīng)的通信模塊。采用6N137光耦合器，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與上位機(jī)的通信隔離[14]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)總體工作流程

當(dāng)系統(tǒng)開機(jī)后，對各模塊進(jìn)行初始化，首先單片機(jī)定時(shí)器、串口、中斷實(shí)現(xiàn)初始化，之后進(jìn)行氣腔的預(yù)充氣，結(jié)束后等待用戶輸入按摩時(shí)間和氣壓等參數(shù)，系統(tǒng)按照用戶選定的模式開始工作，達(dá)到設(shè)定時(shí)間后停止按摩[15]。

初始化過程（整個(gè)氣路連接示意圖如圖4 所示）：開啟氣泵，打開電磁閥1，對氣腔1 充氣；當(dāng)氣腔1 達(dá)到初始化的預(yù)設(shè)值時(shí)，電磁閥3 打開，電磁閥1 關(guān)閉，開始對氣腔2 充氣，依次循環(huán)，當(dāng)全部氣腔達(dá)到設(shè)定氣壓值后，氣泵、電磁閥全部關(guān)閉，完成預(yù)充氣，等待用戶選擇氣壓、時(shí)間和模式。

圖4 系統(tǒng)氣路連接示意圖

3.2 順序按摩實(shí)現(xiàn)流程

該模式工作流程圖如圖5 所示。用戶設(shè)置好按摩氣壓和按摩時(shí)間后，選擇順序按摩模式，氣泵開啟，同時(shí)電磁閥1 開啟，形成一條氣泵到氣腔1 的氣路，對氣腔1 充氣，氣腔1 氣壓達(dá)到設(shè)定的氣壓值后電磁閥1 關(guān)閉，同時(shí)電磁閥3 開啟，形成一條氣泵到氣腔2 的氣路，對氣腔2 充氣，依次循環(huán)，直到四個(gè)氣腔氣壓全部達(dá)到設(shè)定值，保持一段時(shí)間后打開電磁閥2、4、6、8 對四個(gè)氣腔放氣，重復(fù)以上步驟直到按摩時(shí)間結(jié)束。

圖5 順序按摩流程圖

3.3 多腔配合按摩實(shí)現(xiàn)流程

該模式工作流程圖如圖6 所示。當(dāng)用戶選擇多腔配合按摩模式后，氣泵首先對氣腔1 充氣，同時(shí)氣腔3 放氣，其余氣腔保持初始化狀態(tài)不變，在氣腔1達(dá)到預(yù)設(shè)氣壓后保持；然后對氣腔2 充氣，氣腔3 封閉，氣腔4 放氣，氣腔2 在達(dá)到預(yù)設(shè)氣壓值后保持；進(jìn)而對氣腔3 充氣，氣腔4 封閉，氣腔1 放氣，在氣腔3達(dá)到預(yù)設(shè)氣壓后保持；最后對氣腔4 充氣，氣腔1 保持，氣腔2 放氣，在氣腔4 達(dá)到預(yù)設(shè)氣壓值后保持，其余狀態(tài)不變。以上步驟為一個(gè)周期，重復(fù)工作到時(shí)間結(jié)束，所有氣腔放氣。

圖6 多腔配合按摩流程圖

4 系統(tǒng)測試與分析

4.1 主要模塊測試

系統(tǒng)硬件模塊及工作示意圖如圖7 所示，模塊測試主要包括對系統(tǒng)的人機(jī)交互模塊、通信模塊以及氣路模塊進(jìn)行測試。

圖7 系統(tǒng)工作示意圖

人機(jī)交互模塊主要測試按鍵是否靈敏，OLED 屏是否顯示正常，有無閃屏、卡頓、顯示錯(cuò)亂等現(xiàn)象。經(jīng)測試，顯示屏能正常顯示各種參數(shù)信息，按鍵均能靈敏完成相關(guān)操作。通信模塊利用串口調(diào)試助手與單片機(jī)進(jìn)行通信，通過發(fā)送與接收規(guī)定數(shù)據(jù)，檢測通信是否正常。通信模塊的設(shè)計(jì)是為了在工程調(diào)試時(shí)，采集壓力傳感器的信號(hào)，判斷其是否正常工作，方便上位機(jī)的實(shí)現(xiàn)。

氣路模塊測試主要是對氣路之間的封閉性以及壓力傳感器的相關(guān)性能進(jìn)行測試。利用肥皂液測試氣路的封閉性，觀察接口連接處肥皂液是否有氣泡即可判斷氣路的封閉性。傳感器的性能測試主要包括傳感器的輸出特性和靈敏度測試。輸出特性則是通過電子壓力計(jì)來測量氣路中的實(shí)時(shí)氣壓，并測量壓力傳感器在同一時(shí)刻的電壓輸出，即可得到壓力傳感器的輸出特性曲線，測試結(jié)果與數(shù)據(jù)手冊給出的輸出特性曲線一致。傳感器的靈敏度測試則是通過設(shè)定不同的氣壓值，使氣泵對單個(gè)氣腔進(jìn)行充氣，當(dāng)達(dá)到設(shè)定氣壓后便停止充氣，利用電子壓力計(jì)測試此時(shí)氣壓，比較兩者的值是否一致[16]，其測試結(jié)果如圖8 所示，實(shí)際的氣壓值與設(shè)定的氣壓值基本保持一致，誤差保持在0.1～0.3 kPa 范圍內(nèi)，考慮是電磁閥關(guān)斷瞬間氣腔的氣體稍有回沖。

圖8 傳感器靈敏度測試結(jié)果

4.2 功能測試

該系統(tǒng)需要測試兩種按摩模式功能是否正常。順序按摩模式測試：將氣囊套裝在測試者腿上，測量按摩過程中壓力傳感器的輸出電壓即可得到該模式的充放氣曲線，測試結(jié)果如圖9 所示，按摩壓力峰值與設(shè)定的4 500 Pa 氣壓值相符，且充放氣過程與系統(tǒng)設(shè)定模式一致。

圖9 順序模式充放氣曲線

多腔配合按摩需要對四個(gè)氣腔的氣壓同時(shí)進(jìn)行監(jiān)測，測試每個(gè)氣腔的充放氣曲線，測試結(jié)果如圖10所示，圖中依次是氣腔1-4 的充放氣曲線。過程1 為氣腔1 充氣，氣腔3 放氣，氣腔2、4 保持原有狀態(tài)；過程2 為氣腔2 充氣，氣腔4 放氣，氣腔1、3 保持原有狀態(tài)；過程3 為氣腔3 充氣，氣腔1 放氣，氣腔2、4 保持原有狀態(tài)；過程4 為氣腔4 充氣，氣腔2 放氣，氣腔1、3 保持原有狀態(tài)。

圖10 多腔配合模式充放氣曲線

5 結(jié)論

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的深靜脈血栓預(yù)防裝置是基于間歇性充氣加壓原理，以STM32 單片機(jī)為核心，實(shí)現(xiàn)不同的按摩效果，為預(yù)防DVT 提供一種便攜實(shí)惠的選擇。相比于現(xiàn)有研究，該系統(tǒng)通過對氣路通道設(shè)計(jì)和電磁閥、氣泵的控制，僅需一個(gè)壓力傳感器便可實(shí)現(xiàn)對整個(gè)系統(tǒng)的氣壓反饋，有效降低了成本；添加可充電電池和電源隔離模塊，方便在沒有電源時(shí)使用，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的便攜性與安全性。在后續(xù)的研究中，可以利用預(yù)留的通信接口與手機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)更全面、更便捷的人機(jī)交互，還可通過控制充放氣的速率來保證按摩的舒適度，實(shí)現(xiàn)更小體積、更小功耗的一體化按摩裝置。