基于间歇脉冲快速充气的空气波按摩装置控制系统的研究

王 帅，刘泽雨

(河北省自动化研究所有限公司，河北 石家庄 050081)

0 引言

血栓是导致心脑血管疾病发生的关键因素，间歇脉冲抗栓仪通过压迫肌肉收缩以达到加强肌肉泵对静脉血回流作用，从而加速静脉血流速度，可有效预防和减轻使用者静脉血栓的形成[1]。同时，间歇脉冲加压抗栓系统预防孕妇产后下肢静脉血栓栓塞疗效显著[2]。我国“十四五”规划纲要也提出，要加强预防、治疗、护理、康复有机衔接。因此，间歇脉冲抗栓仪控制系统的研制可提高康复辅助器具适配率，提升康复服务质量，具有广阔的市场前景和巨大的社会效益。

1 系统整体设计

图1 系统整体设计组成图

“间歇脉冲抗栓仪控制系统”根据空气波原理，利用空气压强的变化对肢体组织进行按摩，起到加速静脉血流速度的作用[3]。该系统主要由单片机控制系统、彩色触摸屏、传感器单元、数字处理单元、空压储气单元、电源系统等部分组成。系统通过空压储气单元储存压缩空气，控制系统根据传感器单元的压力对数值进行反馈控制，控制单元采用电磁阀向气囊充气。空压储气单元作为储气的中介，储存一定压力的空气，这样可瞬间达到抗栓治疗时所需的压力，可以达到更好的治疗效果。系统配置彩色液晶触摸屏，直观便捷地图形化操作界面，可进行治疗模式、治疗时间、治疗参数、报警等信息输入和显示。系统组成如图1所示。

2 系统硬件设计

系统硬件主要由气体压缩单元、传感器单元、控制核心单元、电磁阀、微型气泵、电源、触摸屏、配套气囊及管路组成。控制核心单元通过软件程序控制微型气泵和电磁阀，令气体压缩单元压缩空气，达到预定压力后，向配套气囊快速充气，达到按摩下肢的目的。触摸屏可以设定治疗时间、预定气囊压力、显示气囊的实时压力等。系统硬件组成如图2所示。

2.1 控制电气电路的设计

控制核心单元主要为控制线路板，承载着间歇脉冲抗栓仪的数字处理单元与气压控制单元的算法和驱动。

图2 系统硬件组成示意图

线路板的设计主要有：触摸液晶屏模块、两个气压传感器及其信号处理、单片机系统、接口系统、电磁阀与气泵驱动模块、电源模块、AD采集模块、报警电路等。用工业串口屏代替普通的按键操作，并与显示报警相结合，省时省空间，采用图形化操作界面；操作命令通过串口与控制单元交换数据；AD采集模块负责采集气体压力，从而实现充气过程的准确控制；电磁阀驱动模块采用继电器实现，通过电磁阀的开启和关闭实现对气囊的充放气控制；报警电路用于气路漏气时或者设备出现其他异常故障时予以警告提示。

2.2 气路设计

图3 气路设计示意图

气路设计实现的功能包含气囊气压检测功能、过压保护功能、气体释放功能等。如图3所示。

硬件有充气泵、充气电磁阀、放气阀、阀排、气泵、过压保护阀、储气罐压力传感器、气囊压差传感器、气囊等。充气气囊与人体直接接触，初步设计有三种类型：脚部气囊、小腿气囊、小腿+大腿气囊。系统通过充气泵向储气罐内压缩空气，储气罐压力到达40kPa后，经过充气电磁阀瞬间向气囊充气，快速达到设定的压力值。当气囊压力小于于设定值时，充气泵继续工作，直到达到设定压力值；当气囊压力大于设定值时，放气阀排放多余的压力；气囊压力超出放气阀的工作能力后，过压保护阀瞬间放气，保护患者和系统的安全。

图4 工作流程图

3 系统软件设计

3.1 控制软件的设计

控制系统工作分为初始化阶段、参数设置阶段、仪器检测阶段、循环工作阶段。

系统开机上电后自动进入初始化阶段，启动屏幕程序并设置默认参数。然后进入参数设置阶段，需要使用者通过触摸屏输入定时时间和预定压强值。参数设定完毕后，电机开始按钮，仪器进入仪器检测阶段，检测气囊仪器是否有故障。仪器工作三个周期后，自动进入循环工作阶段，按照顺序依次对腿部进行充放气按摩。流程图如图4所示。

3.2 气囊压强调节算法

当系统为气囊充气时，要保证一定的压强，不能过大，也不能过小。

由于电磁阀功率相对较大，频繁开启对系统不利，所以压力的调节，通过一个软件的施密特触发器实现气泵和放气阀的控制[4]。具体方法如下：

(1)

(2)

其中，f(p)表示气泵运行状态；g(p)表示放气阀状态；f(p)-表示气泵前一刻运行状态；g(p)-表示前一刻放气阀状态；P下限表示允许气压波动最小值；P上限表示允许气压波动最大值；p表示当前气压值；P设定表示当前气压设定值。

当气压超过设定值，并且超过P上限时，关闭充气泵，然后打开放弃阀门。当气压降到小于P设定后关闭放气阀。当气压值低于设定值P设定，并且低于P下限时，关闭放气阀(一般放气阀处于关闭状态)，打开充气泵。当气压超过P设定时，充气泵停止工作。所以压强的控制误差在P下限与P上限内。

系统利用脉冲宽度调制控制气泵对气囊进行间歇式充气加压,压迫肢体肌肉收缩达到加强静脉血液回流的作用,实现对下肢深静脉血栓的物理治疗,通过数字滤波控制治疗时的气压精度[5]。另外，硬件上还有气囊的过压保护。当气囊内压力过大时，放气阀打开的同时，硬件的保护阀门也打开，增加放气速度，使气囊压强迅速恢复到正常值。

单片机控制程序如下：

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) //腿数不对报警

{

alarm++;

}

else

alarm=0;

break;

}

4 结束语

本研究通过对系统电气电路的设计、气路设计和软件设计，实现了按摩装置对按摩气囊间歇快速充气的功能，并达到了医疗行业对电子仪器稳定性和抗干扰性的要求。通过软件程序实现了气囊压强调节算法的设计，能够快速、稳定向气囊充气，有效控制了按摩装置的压力。本控制系统的设计符合仪器安全性、稳定性和有效性的要求。