防褥疮自动翻身气垫控制系统设计

刘加峰，段元民，张默怡，殷洪志

褥疮是临床护理中最常见的并发症之一，常发生在长期卧床患者的骨突部位。据有关调查显示，全球每年约有6万人死于褥疮合并症。褥疮的存在给患者的身心带来了巨大伤害，如何通过有效的护理措施预防卧床患者褥疮的发生率，一直是护理学研究的重点。目前在临床中的褥疮预防主要措施还是依靠人工来完成，防护效果欠佳，医护人员的负担较重[1~6]。

虽然传统褥疮护理措施能够在一定程度上缓解患者皮肤受压状况，但受人为因素的影响，整体收效仍有所欠缺。近年来，随着医疗技术与材料技术的发展，越来越多的气垫床被投入到了褥疮防治的临床工作中，而有关智能防褥疮气垫的研究也越来越受到大家的重视。笔者设计的防褥疮自动翻身气垫控制系统以MCS-51单片机为核心，包含气垫压力监测，不仅帮助患者进行左右翻身，更符合人类睡眠习惯，而且患者可以根据个人感觉调节气垫压力，提高舒适度。该系统包含了手动和自动两种工作模式，提高了气垫的使用便利性。

1 材料与方法

1.1 实验材料

AT89C51单片机、微型气泵（ZR370-01；12 V直流供电）（广东东莞至荣华冠科技有限公司，中国）；两路高电平触发5 V电磁继电器（触发电压0.0～4.3 V）、电磁阀[220 V AC二位三通直动式电磁阀（VT307-5G-02）]（江苏星辰气动有限公司， 中国）；XGZP6847A气体压力传感器模块、AD620模块（放大电路）、AD1674模块[模/数（analogue/digital，A/D）转换电路]（安徽阜阳风启电子科技有限公司，中国）。

1.2 方法

1.2.1 防褥疮自动翻身气垫控制系统总体设计

该系统中的气垫由多个气囊组成，通过气泵及电磁阀来实现气囊的充放气。控制部分以MCS-51单片机为核心，总体结构包含单片机模块、压力传感器模块、气泵驱动模块、电磁阀驱动模块、模式选择模块、显示模块、报警模块、A/D转换模块、信号处理模块等[7~10]。系统框架图见图1。

图1 防褥疮自动翻身气垫控制系统框图Fig.1 Block diagram of anti-bedsore automatic turning over air cushion control system

1.2.2 防褥疮自动翻身气垫结构

该系统气垫左右对称设置有2个气囊腔（图2A），每个气囊腔内部含有6个可充气气囊，所述气囊长度为80～100 cm，直径8～10 cm。在一侧囊腔充气状态下，气垫纵向排列，充满气后形成一个等边三角形（图2B），从而支撑起患者躯干一侧，使翻身角度大于30°。

图2 防褥疮气垫结构示意图Fig.2 Schematic diagram of anti-bedsore automatic turning over air cushion structure

1.2.3 硬件电路设计

1.2.3.1 单片机应用系统 目前的控制系统多由单片机和可编程逻辑控制器（programmable logic controller，PLC）来实现。选用开发成本更低的AT89C51单片机作为该控制系统的核心部分。AT89C51是一个低功耗、高性能的CMOS 8位微处理器，其可擦除只读存储器，可以反复擦除1 000次，为很多嵌入式控制系统提供了一种高灵活且性价比高的方案。

1.2.3.2 气压检测通道 电容式力敏传感器被广泛应用于气体压力的测量，其联接口有10 mm标准联接，并且与压阻式力敏传感器相比，电容式具有灵敏度高、温度稳定性好的特点。传感器的测量精度无需太高，只需保证气垫不会过度充气产生危险即可，当传感器检测到气压达到阈值，会自动给单片机输入接口一个低电平，气泵停止工作。该系统选用PCM300小型压力传感器，可用于测量气体、液体等多种场合，测量范围在16 kPa内即可。

放大电路将直接采用AD620模块来完成压力传感器采集到的信号的增益调整。该模块具有功耗低、尺寸小、精度高等特点，仅需要一个外部电阻来设置增益，增益范围为1～10 000。

A/D转换电路将采用AD1674模块，是一种12位带并行微机接口的逐次逼近型A/D转换芯片。该芯片集成度高，工作性能稳定，尤其是在高低温环境下，且体积较小，可以实时地采集各种传感器的模拟参量，从而进行快速精准的数据转换并传送给单片机进行处理[10，11]。

1.2.3.3 输出通道 单片机系统为低电压系统，无法直接驱动220 V的气泵和电磁阀，因此用继电器连接弱电系统的单片机部分和高电压的气泵。继电器选择采用固态继电器，输入端为微小控制信号，输出端驱动大电流负载，电磁阀采用常闭型直动式电磁阀，正常状态下阀门处于关闭状态，当电流接通后阀门开启，使气泵产生的气体通过气道输送至气囊，实现按需充气。

1.2.4 防褥疮自动翻身气垫控制系统软件设计

该控制系统包括两种工作模式，分为手动控制和自动控制。当系统设定为手动模式时，可通过按钮来控制气泵的开始充气和停止充气。按下左侧翻身，右侧气囊开始充气，按下停止按键气泵停止工作；右侧翻身同理。当系统设定为自动模式时，可自行设定翻身间隔时间，按下启动键后气泵按照预设时间自行完成左右气囊的充气，实现按照时间间隔进行翻身。

程序流程：首先设定好工作模式及时间，按下控制按钮系统开始启动，此时气泵和传感器开始工作，当传感器检测到气垫压力超过阈值时气泵自动停止工作，同时启动报警装置[7~13]。见图3。

图3 防褥疮自动翻身控制系统程序流程图Fig.3 Program flow chart of anti-bedsore automatic turning over air cushion

1.2.5 翻身的实现方法

防褥疮气垫控制系统包括电路、气泵和气压检测。控制方法分为手动、自动两种。当手动模式时，使用者可以根据自身的需求实现左翻或右翻，以及根据背部压力感受调节充气时长；当自动模式时，系统根据压力预设值和翻身间隔时间实现充气时长控制和自动翻身。

1.2.6 性能测试

将气泵与控制系统、气垫进行连接，外接220 V和12 V电源，电路连接等检查确认无误后进行实际的运行测试。测试气垫输出最大压力、承载最大质量、倾斜角度等，并测试安全性。

1.2.7 体模测试

选用体质量为60 kg人体模型，平卧在防褥疮自动翻身气垫上。连接电源、气泵，启动控制系统，测试气垫的翻身角度和速度。

1.2.8 临床试用测试

招募北京市某综合医院和社区敬老院体质量40～90 kg卧床者10例进行了试用。进行翻身和舒适度测试。

2 结果

2.1 防褥疮控制系统性能测试结果及安全性

经测试，气泵运行平稳、噪音小。在充气过程中，气压检测电路实时地检测气囊的气压值，并与设定阈值比较，为防止气囊被充爆或提示气垫漏气，当气压检测值大于设定阈值的或者在一定时间内气压检测值小于气压阈值时，气泵停止运行并故障报警。气压阈值的设定根据体质量不同有差异。气垫充气过程的最大载量为100 kg，气垫的最佳压力为（15±3）kPa，最大倾斜角度可达到60°。

在测试中还进行了故障的模拟。如果在自动模式下气泵过度充气没能按时停下，可随时按下停止按键强制性退出自动模式从而停止气泵的工作，确保使用安全。

2.2 体模测试结果

体模平卧在防褥疮自动翻身气垫上，在2 min内便可完成一侧的气囊充气；同时另一侧在身体重力的作用下自由放气在1 min之内即可完成。在平卧状态保持时间由使用者设定，考虑褥疮程度及患者睡眠需要，设定完成一个自动翻身最小周期为10 min。在防褥疮自动翻身气垫的支撑作用下体模向一侧倾斜，由于气囊腔里气囊管为非刚性排列，受体模挤压后倾斜角度大于30°，基本达到预期设定。

翻身周期10～60 min，工作时间1～12 h，体质量40～90 kg，所对应最佳的气压阈值范围为3.447 5～6.895 0 kPa（0.50～1.00 psi）。

2.3 临床试用测试结果

气泵对防褥疮自动翻身气垫的充气效果良好，充气速度很快，试用者感觉翻身平稳，在睡眠状态也没有因为气垫的充放气受到影响，符合护理要求。

卧床者的受力点得到充分的转换，有效地防止了皮肤因长时间受压而导致的缺氧苍白状态，也大大减少了护工们的工作量。

3 讨论

目前市场销售的各类防褥疮气垫多为整体充气放气的气囊设计，舒适度较差，且大多只能实现患者的起身与平躺，无法帮助患者进行左右的侧翻身。智能设备更是存在技术含量低、工作模式单一、故障报警措施缺乏等一系列问题。笔者提出一种基于MCS-51单片机的防褥疮自动翻身气垫及其微控制器设计方案，有效解决气垫舒适度欠佳、控制系统不完整等问题。

床垫采用一种新型气垫，可以有效改善患者舒适度的问题。外设电路包括压力传感器、气压检测电路、气泵驱动电路等，通过电磁阀实现气道的开闭控制。系统开始运行后，可根据工作时间参数（定时）、工作模式（手动控制，自动翻身）进行设置，控制气泵使左右两侧气垫产生幅度、周期、时间可调自动翻身系统，达到防治褥疮的作用。可实现气垫对患者的左翻和右翻的定时控制，以及压力传感器对气垫状态的实时监测。

就目前的技术发展趋势来看，现有各项技术都已较为成熟，后续发展需要新的突破或者技术的有机结合，形成一种透气性更强的多功能结构。或者将智能控制技术、传感器技术、人机交互相结合，不仅能够实现有关褥疮的监护，还能监护卧床患者的各项生理参数，甚至帮助患者排便、辅助站立等。

在高端医疗器械领域中，中国依然处于较低水平，与欧美国家还存在一定差距。因此，需要投入更多的财力及人力来进行研究，提高医疗护理的水平及用户体验，最终服务社会。