一种中央加压冷疗系统的设计与应用

毛坤剑

厦门市第五医院 （福建厦门 361101）

冷疗法是将低于人体温度的物质作用于人体表面，通过神经传导引起皮肤和内脏器官血管的收缩，以改变患者身体各系统体液循环和新陈代谢，达到治疗的目的[1]。冷疗是处理急性闭合性软组织损伤的早期关键措施，低温可以使血管收缩，改变细胞通透性，减少局部渗出及出血，减轻局部炎症水肿；低温可以使神经兴奋性下降、传导速度减慢，从而缓解疼痛；低温还可以使肌肉兴奋性及收缩力减低，起到缓解痉挛的作用。传统的冷疗法主要有使用冰袋、乙醇拭浴法、温水拭浴法，其为确保冷疗效果，需定期更换冰袋或者定期拭擦乙醇和温水，而且冷疗过程中温度无法控制，使用起来比较麻烦并且冷疗效果不佳。现有的加压冷疗系统也是在冷疗桶内部加入冰袋，再通过气泵加压到冷却袖带上，其冷疗温度无法控制。国内外最新的全自动冷疗仪可以实现冷疗温度和冷疗压力控制，但是其均只有一个输出通道，当患者需要多部位冷疗或者同一病房多例患者需要冷疗时，需要多台全自动冷疗仪才能满足使用，使用起来比较麻烦[2]。

基于上述情况，设计一种中央加压冷疗系统，通过中央制冷系统将水冷却到治疗所需温度，再通过中央水泵对冷却水进行加压，并通过多条管道将冷却水传送到不同的冷却袖带上，同时满足患者多部位的冷却治疗，或者多例患者的冷却治疗。本系统已获得实用新型专利，专利号为ZL201820839612.3。

1 系统整体结构

本系统主要由单片机控制模块、中央制冷模块、中央水泵加压模块、温度控制与监测模块、压力控制与监测模块、各种冷却袖带等组成，中央制冷模块将内置水箱内的水冷却到治疗温度后，再通过中央水泵加压模块将冷却水传送到各类冷却袖带上，各类冷却袖带包括肩部袖带、脚关节袖带、膝关节袖带、冰帽、冰痰等，其系统结构示意见图1。

1.1 硬件设计

本系统的单片机控制模块采用的主控制芯片为STM32，主要包括按键电路（控制冷疗时间、开启中央制冷和中央气泵加压等）、显示电路（显示制冷温度、加压压力、治疗时间、报错信息等）、报警电路[提示治疗时间已到、各种报错信息（包括断电报警、压力错误报警、温度错误报警等）]，这些信息以液晶显示的方式显示在屏幕上，还有电源电路、复位电路、晶振电路等[3]，其系统示意见图2。

图1 中央加压冷疗系统结构示意图

图2 控制电路系统框图

1.2 中央制冷模块设计

本系统的中央制冷模块主要是实现整个中央冷疗系统内置水箱的水冷却作用，便于患者所需的冷疗作用[4]。本系统采用的中央制冷模块为压缩式制冷系统，其主要由蒸发器、压缩机、冷凝器和节流阀组成，其结构示意见图3。在水制冷过程中，制冷剂由压缩机排出，此时压缩机为高温高压气体，经过冷凝器变化为高温高压液体，再通过节流装置将制冷剂变化为低温低压液体，再经过蒸发器蒸发，即可使整个水箱的箱体温度下降，进而达到冷却水的目的。

图3 中央制冷模块结构图

中央制冷模块的控制电路图见图4。当主控制芯片PD0脚输出低电平时，三极管Q1导通，进而导致继电器J1吸合，压缩机M1就得电进行开启模式，图中R1、R2为偏置电阻，C1为启动电容。

图4 中央制冷模块控制电路图

1.3 中央加压模块设计

本系统为能够改善和增强治疗效果，将冷疗与加压相结合，因此该系统具有中央加压模块[5]。本系统共有6个通道输出，相应的每个通道均采用24 V的直流水泵的加压水泵，冷却水与冷却袖带之间采用水流电磁阀控制，其电路控制见图5。例如，当第一通道进行冷疗时，STM32的PD1脚输出低电平时，开关管Q2、Q3均导通，一方面继电器J2吸合，直流加压电机M2正常工作，另一方面水流电磁阀K1打开，这样水箱的冷却水就可以通过气泵和电磁阀直接流向冷却袖带上；当第二通道进行冷疗时，STM32的PD2脚输出低电平时，相应的电磁阀和加压水泵进行工作，其他通道以此类推。

图5 中央加压模块控制电路图

1.4 温度控制与检测模块设计

在患者不同康复过程中，为了达到最好的效果，采用的冷疗温度有一定的差别。本系统具有温度控制模块，可以控制冷却温度为5～20 ℃，用于满足患者冷疗温度的选择。本系统采用的温度传感器为LM35,其是一种输出电压与温度成正比例的温度传感器，其灵敏度为10 mV/℃，工作温度为0～100 ℃，工作电压为4～30 V，最大线性误差为±0.5 ℃，静态电流为80 μ A[6]。该传感器最大的特点是使用时无需外围元件，也无需调试和校准，其电路图见图6。从图6可知，传感器LM35放置于冷却水箱的内部，用于检测冷却水的温度，其采集的电信号经过R9和C2电容使采集到的与温度成比例的电信号更加稳定，再经过放大器Q4进行放大送给模数转换器ADC0804进行模数转换，最后送给主芯片STM32，通过显示模块显示出来。

图6 温度传感器电路图

1.5 气压控制与检测模块设计

该系统可以根据患者的个体差异选择需要治疗压力的大小，因此系统具有压力控制与检测模块，可以控制加压压力为20～60 mmHg（1 mmHg=0.133 kPa），用于不同患者的压力选择。该系统在6个通道加压上采用6个加压水泵，实现每个通道压力的独立控制。

本系统采用电阻应变式压力传感器采集压力信号并转换为电信号，在经过运放放大器放大电信号和模数转换器转化为数字信号给主控制芯片STM32，其电路图见图7。从图7可知，压力传感器K2放置在各通道管路上，采集各通道的冷却水压力，其采集的电压信号通过R12、R13到运放放大器Q5放大后传输到主芯片进行处理[7]。

图7 压力传感器信号采集电路

2 软件设计

该中央加压冷疗系统开机后自动进行系统初始化，医务人员在确定治疗方案过程中，必须确定冷疗通道（共6个通道）、治疗时间、治疗温度和治疗压力。在治疗过程中，液晶屏一直显示治疗时间、治疗温度、治疗压力等数据信息，当治疗时间到时，报警电路报警，提示患者治疗结束，其主程序见图8。

图8 中央加压冷疗系统主程序框图

3 临床测试

中央加压冷疗系统通过中央加压冷疗系统主机进行统一的治疗温度、治疗压力、治疗时间设计，其前端有6个输出通道，能实现6个通道压力的独立控制，这样可以同时满足6例患者的单部位冷却治疗或者单例患者的多部位冷却治疗，其中央加压冷却系统主机的外观结构见图9。

本系统设计的中央加压冷疗系统可以实现冷疗配合局部加压的治疗方案，进一步提高患者的冷疗效果。本系统可以根据患者的个体差异、冷疗部位、冷疗病种等要求，自由的选择不同的冷疗温度和冷疗加压压力，满足患者的各种冷疗需求。在临床运用过程中，一次能够冷疗多例患者膝关节术后、关节炎急性期、偏头痛与神经痛、高热中暑等情况，冷疗效果更加明显[8]。整个中央加压系统有6个通道输出接口，根据患者的要求，选择对应的通道连接上肢袖带、下肢袖带、腰椎袖带等不同部位的袖带，同时满足多例患者的冷疗需求或者单例患者多个部位的冷疗使用，进一步满足患者冷疗的需求。其整个系统与传统的加压冷疗系统具有明显的优势，其与同类对比结果，见表1。

4 结语

图9 中央加压系统主机

表1 中央加压冷疗系统与传统冷疗设备分析比较

冷疗在患者消炎、镇痛、缓解痉挛、手术康复等过程中起到了重要作用[1]。本系统针对传统冷疗方法的不足和缺陷，设计一种中央加压冷疗系统，通过设定不同的冷疗温度、冷疗压力、冷疗时间等参数，并选择不同部位的袖带，不仅可以提高患者的冷疗效果，而且可以满足患者多部位的冷疗使用。整个系统采用不可移动使用，或者固定在病房上，安装方便，使用简单，对于提高医疗质量、方便患者治疗具有较大的意义[9]。

本系统由于采用中央加压和中央冷却，导致其中央加压冷却系统主机过于庞大，占用病房比较大的空间，下一步研究方法是采用更加高效且体积较小的冷却方式，使整个系统便于便携式使用。本系统采用中央冷却系统，所以6个通道的冷却袖带温度相同，为了实现患者不同部位需要不同温度的需求，进一步研究方向是各通道设计独立的冷却系统。