基于微電流和電脈沖的智能繃帶的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王奕 徐偉 廖華超 鄧慧琴 宋俊杰 李楊陽(yáng)

摘要：基于微電流和電脈沖，運(yùn)用“EMS”微電流和電脈沖技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款智能繃帶。詳細(xì)闡述了設(shè)計(jì)原理，重點(diǎn)分析了微電流模塊、電脈沖模塊和給藥模塊的設(shè)計(jì)方法，最后給出了具體外觀設(shè)計(jì)方案。該款繃帶實(shí)現(xiàn)了“微電流和電脈沖的雙功能刺激器”給電刺激加速傷口愈合和給藥藥量的智能調(diào)控。

關(guān)鍵詞：微電流；電脈沖；智能繃帶；設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP311? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2023）36-0009-04

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）

0 引言

傳統(tǒng)醫(yī)療繃帶只能進(jìn)行簡(jiǎn)單的傷口包扎，無(wú)法很好地實(shí)時(shí)感知傷口狀態(tài)和愈合情況等，給傷口處理帶來(lái)很大不便。據(jù)市場(chǎng)調(diào)查了解，目前市面上很少有感知傷口狀態(tài)和促進(jìn)愈合情況的智能繃帶，并且在現(xiàn)有市場(chǎng)類似產(chǎn)品中，在“EMS”微電流和電脈沖技術(shù)相關(guān)智能繃帶這方面涉及較少。本文基于微電流和電脈沖，設(shè)計(jì)了一款智能繃帶。利用智能化的數(shù)控設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程調(diào)控，同時(shí)顛覆性地創(chuàng)新了傳統(tǒng)藥物替換式敷藥的給藥方式，搭載的柔性電子材料可實(shí)現(xiàn)傷口自動(dòng)化愈合，同時(shí)通過(guò)核心芯片的運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)傷口創(chuàng)面美化功能。

1 設(shè)計(jì)原理

1.1 微電流模塊設(shè)計(jì)原理

通過(guò)發(fā)送微弱的電流信號(hào)，刺激皮膚組織，促進(jìn)皮膚細(xì)胞的代謝和修復(fù)，從而加速傷口愈合過(guò)程。微電流的刺激還可以減少疼痛感，加強(qiáng)細(xì)胞的修復(fù)和美化疤痕。微電流模塊的設(shè)計(jì)需要考慮電流的強(qiáng)度、頻率和波形等因素，以確保安全、舒適和有效的刺激效果。

1.2 電脈沖模塊設(shè)計(jì)原理

通過(guò)產(chǎn)生電脈沖信號(hào)，刺激皮膚細(xì)胞，促進(jìn)血液循環(huán)和細(xì)胞代謝，從而加速傷口愈合。與微電流模塊不同，電脈沖的刺激信號(hào)更強(qiáng)，可以穿透更深的皮膚組織，達(dá)到更好的刺激效果。電脈沖模塊的設(shè)計(jì)需要考慮脈沖的幅度、頻率和波形等因素，以確保安全、舒適和有效的刺激效果。

1.3 給藥模塊設(shè)計(jì)原理

通過(guò)智能化的給藥方式，實(shí)現(xiàn)給藥的自動(dòng)化和智能化，提高了給藥的效率和安全性。給藥模塊的設(shè)計(jì)需要考慮藥物的種類、濃度、給藥方式等因素，以確保藥物的有效性和安全性。同時(shí)，給藥模塊還需要與微電流和電脈沖模塊進(jìn)行配合，實(shí)現(xiàn)藥物和電刺激的協(xié)同作用。

如圖 1 所示，三個(gè)模塊功能的實(shí)現(xiàn)可以有效地加速傷口愈合、減少疼痛感和感染風(fēng)險(xiǎn)、提高處理效率和舒適度等優(yōu)點(diǎn)。

2 微電流模塊設(shè)計(jì)

2.1 微電流醫(yī)學(xué)原理

通過(guò)發(fā)送低頻溫和的電波，透過(guò)皮膚組織，導(dǎo)入到人體體內(nèi)，直達(dá)真皮層，刺激人體的電磁場(chǎng)，促進(jìn)ATP（ATP是腺嘌呤核苷三磷酸的簡(jiǎn)稱，是一種不穩(wěn)定的高能化合物，由1分子腺嘌呤，1分子核糖和3分子磷酸基團(tuán)組成，水解時(shí)釋放出大量能量，是生物體內(nèi)最直接的能量來(lái)源）產(chǎn)生，從而促進(jìn)膠原蛋白生成，對(duì)皮膚組織起到美容的作用，加強(qiáng)了細(xì)胞修復(fù)[3]。

2.2 微電流控制原理

通過(guò)脈沖寬度調(diào)制控制改變其可控電阻阻值大小，實(shí)現(xiàn)不同低頻電流的輸出。脈沖寬度調(diào)制（PWM）是一種模擬控制方式，其主要作用是根據(jù)對(duì)應(yīng)載荷的變化來(lái)調(diào)制晶體管基極或MOS管柵極的偏置，從而實(shí)現(xiàn)晶體管或MOS管導(dǎo)通時(shí)間的改變，最終達(dá)到調(diào)控開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源輸出的目的[2]。

如圖 2所示，UBE0=UBE1+IE1Re，所以IC1≈IE1=（UBE0-UBE1）/Re，式中的UBE0-UBE1只有幾十毫伏，所以只要幾千歐的Re，就可以得到幾十微安的IC1。

3 電脈沖模塊設(shè)計(jì)

3.1 電脈沖醫(yī)學(xué)原理

電脈沖治療疾病的原理在于人體內(nèi)含有不能導(dǎo)電的電介質(zhì)和能夠?qū)щ姷碾娊赓|(zhì)，使得人體同時(shí)具有電阻和電容的性質(zhì)。當(dāng)施加脈沖電流時(shí)，肌體會(huì)產(chǎn)生一系列生理化學(xué)反應(yīng)，影響組織和器官的功能，從而提高新陳代謝速度、增強(qiáng)免疫能力、促進(jìn)受損組織修復(fù)和再生。低頻電流可以改變細(xì)胞的膜電位，使其興奮并發(fā)生收縮；低頻調(diào)制的中頻電流可以促進(jìn)粗纖維興奮，抑制細(xì)纖維沖動(dòng)的傳導(dǎo)，具有良好的鎮(zhèn)痛作用。高頻電流治療疾病時(shí)通過(guò)作用于機(jī)體組織產(chǎn)生的熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)[3]。同種電流在不同大小和使用方式下對(duì)人體的影響也不同。此外，不同組織和器官對(duì)電流的反應(yīng)也有差異，不同的疾病狀況對(duì)電流的反應(yīng)也不相同。

3.2 脈沖控制原理

通過(guò)脈沖寬度調(diào)制控制改變其高低電平在同一周期中的占比，實(shí)現(xiàn)不同脈沖的輸出。通過(guò)PWM調(diào)節(jié)，可以獲得所需電脈沖。

如圖3所示，通過(guò)控制CTL1和CTL2兩者的不同電平來(lái)輸出不同的電脈沖。

4 給藥模塊設(shè)計(jì)

4.1 給藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1.1 中控系統(tǒng)

中控系統(tǒng)整體處于繃帶中層的U型PCB板上。中控系統(tǒng)包括中心數(shù)據(jù)分析處理器CPU、各類傳感器、柔性電子電路。通過(guò)傳感器采集傷口信息，柔性電子層電路傳導(dǎo)，CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，基于實(shí)驗(yàn)所得的傷口信息-最佳給藥量關(guān)系，針對(duì)傷口實(shí)時(shí)信息控制擊穿特制藥盒的擊穿電壓和霧化裝置的可編程電阻，從而控制藥液流速；同時(shí)控制電脈沖部分的電流，實(shí)現(xiàn)智能化電脈沖療法。

4.1.2 儲(chǔ)藥裝置

儲(chǔ)藥裝置位于繃帶中層U型電路板中央，采用可替換直插式結(jié)構(gòu)。藥盒內(nèi)部為單元結(jié)構(gòu)，使用絕緣材料分隔，各單元裝載基于實(shí)驗(yàn)所得的最佳單位藥物承載量；與傳感電路接觸面可被特定電壓擊穿。使用時(shí)，通過(guò)處理器計(jì)算過(guò)的特定電壓，擊穿所需數(shù)量的單元，從而控制給藥總量；藥液通過(guò)特殊結(jié)構(gòu)流向給藥通道，實(shí)現(xiàn)藥物傳遞（如圖4所示）。

4.1.3 載藥通道與敷面裝置

載藥通道位于U型電路板與藥盒之間，采用疏水性材料制成，上方與藥盒中的渠道結(jié)構(gòu)終端相接，下層與內(nèi)部接觸層的敷料相接。藥液通過(guò)通道進(jìn)入下層緩釋材料。緩釋材料采用霧化裝置配合可編程電阻構(gòu)成。液體在通過(guò)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)時(shí)會(huì)受到阻力，此阻力與液體的速度成正比?；诖嗽?，通過(guò)控制可變電阻，控制霧化器的出霧量大小，進(jìn)行藥物緩釋。與皮膚接觸的敷料層采用水凝膠材料制成的載藥敷面[6]。

4.2 材料應(yīng)用

中控系統(tǒng)采用柔性U型PCB板，使用柔性FPC材料，實(shí)現(xiàn)元器件裝配和導(dǎo)線連接的一體化。儲(chǔ)藥裝置中特制藥盒采用高可塑性環(huán)保材料；電路接觸層采用電信號(hào)敏感材料。霧化裝置組成主要包括霧化網(wǎng)片和壓電陶瓷兩部分。霧化片采用醫(yī)用級(jí)Mesh微孔超聲霧化片。壓電陶瓷采用東方金榮公司所產(chǎn)壓電陶瓷?？删幊屉娮鐰D5272，是一款msop 10管腳封裝的芯片（如圖5所示）。包括有工作電源、地線、與MCU連接的i2c接口，以及可變電阻的兩端（A-W）。此外，還有一些輔助設(shè)置管腳。敷面裝置采用人工合成的復(fù)合水凝膠材料。

5 外觀設(shè)計(jì)

5.1 外觀結(jié)構(gòu)

本智能繃帶主要包含以下8個(gè)部分：上外殼、PCB電路、下外殼、柔性電路、給藥結(jié)構(gòu)、擊穿電極層、彈力帶、防護(hù)結(jié)構(gòu)（如圖6所示）。

5.2 外觀材料

外部防護(hù)層采用聚酯纖維材料。由有機(jī)二元酸與二元醇縮聚而成的聚酯經(jīng)紡絲合成所得的高分子化合物，具有良好的抗皺性和保形性[8]。采用DWR涂層技術(shù)，利用納米級(jí)涂層材料的微觀結(jié)構(gòu)，在紡織品表面形成一層致密薄膜，有效防止水、油、污垢等污染物滲透及灰塵、沙子等雜質(zhì)附著。

6 實(shí)現(xiàn)

智能繃帶主要分為兩個(gè)部分：載體繃帶＋智能芯片結(jié)構(gòu)。整體外觀上為嵌套式外形，便于產(chǎn)品進(jìn)行局部替換，延長(zhǎng)產(chǎn)品使用壽命，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的多次循環(huán)使用?？噹в蓚鞲衅鳌⑿酒?、電池、導(dǎo)電纖維、PB分子和布料制成，易于制造和獲取。使用大量柔性電子材料，具有可彎曲、可延展、輕薄、便捷且易于收納攜帶的特點(diǎn)?？噹蓚?cè)是彈性可延伸布料，可根據(jù)病發(fā)部位調(diào)整長(zhǎng)度。內(nèi)側(cè)附嵌兩塊魔力貼，對(duì)傷痛部位進(jìn)行加固。智能繃帶的立體示意圖和側(cè)面示意圖如圖7、圖8所示。

智能芯片的結(jié)構(gòu)主要包括三個(gè)部分：外部防護(hù)層（放置藥品保護(hù)設(shè)備）+中間電路層（給電信號(hào)傳輸）+ 內(nèi)部接觸層（信號(hào)采集部位）。外部防護(hù)層主要采用聚酯纖維，用來(lái)隔絕外部物理因素對(duì)設(shè)備的影響，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命；中間電路層采用柔性U型PCB板，用來(lái)放置主控芯片及各種元器件；內(nèi)部接觸層主要采用了水凝膠類敷料，防止體外微生物感染和體液散失，可傳輸氧氣，促進(jìn)傷口愈合，擴(kuò)散給藥以及放置傳感器引腳并采集數(shù)據(jù)。外部防護(hù)層、中間電路層和內(nèi)部接觸層這三層之間存在一條水凝生物通道，方便藥物從防護(hù)層沿生物通道直接抵達(dá)內(nèi)部接觸層，并與傷口產(chǎn)生藥理反應(yīng)；電路層傳感器由相應(yīng)數(shù)據(jù)采集引腳連通至內(nèi)部接觸層；智能芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)展示如圖9所示。

以PIC16LF1936作為本產(chǎn)品的主控芯片；選用BS812A-1壓力傳感器芯片，主要用于檢測(cè)傷口外部對(duì)傷口產(chǎn)生的壓迫力，并由ADDA通道將所采集的信息傳送給主控芯片；通過(guò)裝載NCD4437S1芯片的心率血氧傳感器，采集智能繃帶穿戴人士的相關(guān)健康數(shù)據(jù)，便于患者更加清楚直觀地了解自身的身體狀況。采用“皮膚貼片”傳感器，通過(guò)化學(xué)傳感和血壓檢測(cè)對(duì)傷口愈合情況以及對(duì)人體健康信息進(jìn)行更加仔細(xì)完善的采集處理；通信模塊利用藍(lán)牙通信方式，采用CC2640R2FRHBR藍(lán)牙芯片；基于“EMS微電流”，通過(guò)發(fā)送低頻溫和的電波，透過(guò)皮膚組織，導(dǎo)入人體體內(nèi)，直達(dá)真皮層，刺激人體的電磁場(chǎng)，促進(jìn)ATP產(chǎn)生，從而促進(jìn)膠原蛋白生成，對(duì)皮膚組織起到美容作用，加強(qiáng)細(xì)胞修復(fù)。基于“電脈沖療法”，通過(guò)對(duì)皮膚實(shí)施短而強(qiáng)的電流刺激，增加血管通透性，幫助血管將白細(xì)胞和氧氣輸送到傷口，加快傷口愈合。同時(shí)，電流大小可根據(jù)局部傷口的發(fā)展?fàn)顩r動(dòng)態(tài)化調(diào)節(jié)。智能給藥系統(tǒng)通過(guò)傳感器收集傷口數(shù)據(jù)，由主控芯片進(jìn)行分析后，對(duì)霧化裝置的可編程電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)控制電阻網(wǎng)絡(luò)從而控制藥液流速，對(duì)傷口進(jìn)行給藥。

7 結(jié)束語(yǔ)

本文基于微電流和電脈沖的設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款智能繃帶。通過(guò)刺激皮膚組織，促進(jìn)膠原蛋白生成，加速傷口愈合，同時(shí)具有美容作用。該款智能繃帶創(chuàng)新給藥方式，實(shí)現(xiàn)給藥藥量的智能調(diào)控，降低傷口感染風(fēng)險(xiǎn)，有效延長(zhǎng)產(chǎn)品的使用周期，具有智能化、自動(dòng)化和便捷化的特點(diǎn)，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 俞磊，張雨婷，熊倩倩，等.基于STC89C52單片機(jī)的智能家用料理機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019，37（2）：202-205，210.

[2] 崔建國(guó)，寧永香.基于負(fù)阻特性的脈沖寬度調(diào)節(jié)電路[J].電子世界，2020（17）：172-173.

[3] 郝炳金.淺議電流對(duì)人體的作用及電療方法[J].中國(guó)西部科技，2014，13（2）：91-92.

[4] 本刊綜合.智能電子繃帶或可加快糖尿病傷口愈合[J].人人健康，2023（7）：17.

[5] 吳海燕.智能繃帶，傷口報(bào)警器[J].養(yǎng)生保健指南：中老年健康， 2015（11）：7.

[6] 志原.澳大利亞發(fā)明防感染智能繃帶[J].紡織裝飾科技，2011（3）：26.

[7] 張夢(mèng)然.智能繃帶促傷口無(wú)痕修復(fù)[J].老同志之友（下半月），2023（3）：47.

[8] 蔣澤鋒，劉穎.淺析草木染在不同面料上的運(yùn)用[J].山東紡織經(jīng)濟(jì)，2019（9）：42-44.

【通聯(lián)編輯：李雅琪】