基于STM32 的深静脉血栓预防装置设计与实现

王佳升，陈国明，刘盛平，李嘉旭，巩鹏程

（重庆理工大学药学与生物工程学院，重庆 400054）

深静脉血栓（Deep Vein Thrombosis，DVT），是指血液在深静脉内异常凝结从而阻塞静脉管腔，引起下肢静脉回流障碍[1]，严重时可出现肺栓塞并发症、致残或者致死[2]。间歇性的机械预防措施如空气波压力治疗装置已经被证实在预防和治疗深静脉血栓方面有较为理想的效果，目前在医院等场所被广泛应用[3-6]。但是由于价格、充气方式、便携性等方面的限制，该类产品并没有得到普及性的应用。因此，基于间歇性加压充气装置(Intermittent Pneumatic Compression，IPC)疗法[7-8]，设计一款适用于长期卧床或久坐、久立人员的便携式装置，能够有效预防深静脉血栓疾病。

1 系统总体介绍

1.1 系统组成

该系统主要是由硬件控制电路以及气路装置组成，以STM32F103C8T6 单片机为核心，控制气路中各电磁阀和气泵的通断实现气囊的充放气，达到模拟按摩的效果，并通过压力传感器将采集的气压信息反馈给单片机，实现系统的负反馈。此外还为用户提供了人机交互界面，通过按键设置按摩模式、按摩时间和按摩压力，可视化界面采用OLED屏，利用蜂鸣器进行系统提示与报警，系统框图如图1 所示。

图1 系统框图

1.2 系统工作流程介绍

通过设计一款基于STM32 的便携式按摩仪，利用间歇性充气加压的空气波对下肢静脉血栓进行预防。系统有两种按摩模式可供用户选择，即顺序按摩和多腔配合按摩[9]。由于气腔容积较大，对气腔进行预充气，保证按摩的舒适性和连贯性。初始化完成后，利用按键设置按摩模式及按摩时间，同时在屏幕上显示当前工作模式和气压值，达到设定时间后系统提醒用户按摩完成。

在顺序按摩的模式下，气泵分别对四个气腔由远心端到近心端依次进行充气并保持不放气，当全部气腔气压达到设定值且保持一段时间后再放气，以上步骤为一个周期，循环工作，达到设定时间后停止工作，其按摩过程示意图如图2(a)所示[10]。

图2 肢体按摩示意图

在多腔配合按摩模式下，两个气腔配合工作，达到模拟挤压血液回流的按摩效果。其工作流程如下：气泵依次对气腔充气，使相邻的两个气腔保持按压状态，在某个气腔充气的同时与之相间隔的气腔进行放气，其余气腔保持原有状态，直到第四个气腔完成充气，实现一个周期的按摩，重复以上过程，达到设定时间后停止工作，其按摩过程示意图如图2(b)所示。

2 系统硬件设计与实现

2.1 电源模块

为了满足系统各部分的供电需求，该设计需要的电源电压分别为5 V 和3.3 V，故采用micro USB接口实现5 V 供电和通信，通过低压差线性稳压器ASM1117 降压得到3.3 V 电源[11]。同时为了装置的便携性，该设计自带一块1 500 mA 的可充电电池作为备用电源。为了实现电气安全性，该模块选用B0505S-3WR2 DC-DC 隔离电源芯片,输入电源采用隔离变压器与输出端隔离，能有效避免触电风险。

2.2 气路装置模块

单个气路连接示意图如图3 所示，气泵连接一个两位三通电磁阀（电磁阀1）和两通泄气电磁阀（电磁阀2），其中，电磁阀1 断电时1 和3 为导通状态，通电时1 和2 为导通状态，用于控制气腔与气泵、气腔与泄气阀的气路通断。电磁阀2 为常闭电磁阀，用于控制气腔与大气的通断。该装置由四组相同原理的充放气结构组成，实现对四个气腔的充放气控制。

图3 单个气路连接示意图

当整个气路连通时，各部分气压相同，所以为了保证对整个系统气压采集的精准性，该装置采用精密的气压传感器实时检测气路的气压，采集的信号经过校准后输出一个标准电压信号到单片机，利用单片机自带的AD 转换器进行模数转换[12]。传感器选用CFsensor 公司的XGZP6847A005KPG 压力传感器模块，其性能参数如表1 所示，该传感器为表压型传感器，尺寸小，易安装，广泛用于电子血压计、呼吸机、监护仪等医疗领域。

表1 压力传感器性能参数表

2.3 驱动电路模块

由于单片机的I/O 口输出电压电流不能满足电磁阀和气泵的工作需求，故采用三极管搭建驱动电路，该设计采用S8050 三极管，其集电极允许最大电流为500 mA，电磁阀、气泵最大工作电流为300 mA，满足需求。由于电磁阀和气泵内都为线圈，为了防止断电时所产生的感生电动势损坏其他器件，故还需和气泵、电磁阀并联一个续流二极管。

2.4 人机交互及通信模块

为了使该装置能方便用户操作，了解系统工作状态，设计了OLED 显示器和按键部分进行人机交互[13]。该设计使用0.96 寸OLED 屏，按键电路采用上拉输入的方式，触发方式采用下降沿触发。

为了满足和上位机的通信需求，实现micro USB接口的通信和供电，故设计了相应的通信模块。采用6N137光耦合器，实现单片机与上位机的通信隔离[14]。

3 系统软件设计与实现

3.1 系统总体工作流程

当系统开机后，对各模块进行初始化，首先单片机定时器、串口、中断实现初始化，之后进行气腔的预充气，结束后等待用户输入按摩时间和气压等参数，系统按照用户选定的模式开始工作，达到设定时间后停止按摩[15]。

初始化过程（整个气路连接示意图如图4 所示）：开启气泵，打开电磁阀1，对气腔1 充气；当气腔1 达到初始化的预设值时，电磁阀3 打开，电磁阀1 关闭，开始对气腔2 充气，依次循环，当全部气腔达到设定气压值后，气泵、电磁阀全部关闭，完成预充气，等待用户选择气压、时间和模式。

图4 系统气路连接示意图

3.2 顺序按摩实现流程

该模式工作流程图如图5 所示。用户设置好按摩气压和按摩时间后，选择顺序按摩模式，气泵开启，同时电磁阀1 开启，形成一条气泵到气腔1 的气路，对气腔1 充气，气腔1 气压达到设定的气压值后电磁阀1 关闭，同时电磁阀3 开启，形成一条气泵到气腔2 的气路，对气腔2 充气，依次循环，直到四个气腔气压全部达到设定值，保持一段时间后打开电磁阀2、4、6、8 对四个气腔放气，重复以上步骤直到按摩时间结束。

图5 顺序按摩流程图

3.3 多腔配合按摩实现流程

该模式工作流程图如图6 所示。当用户选择多腔配合按摩模式后，气泵首先对气腔1 充气，同时气腔3 放气，其余气腔保持初始化状态不变，在气腔1达到预设气压后保持；然后对气腔2 充气，气腔3 封闭，气腔4 放气，气腔2 在达到预设气压值后保持；进而对气腔3 充气，气腔4 封闭，气腔1 放气，在气腔3达到预设气压后保持；最后对气腔4 充气，气腔1 保持，气腔2 放气，在气腔4 达到预设气压值后保持，其余状态不变。以上步骤为一个周期，重复工作到时间结束，所有气腔放气。

图6 多腔配合按摩流程图

4 系统测试与分析

4.1 主要模块测试

系统硬件模块及工作示意图如图7 所示，模块测试主要包括对系统的人机交互模块、通信模块以及气路模块进行测试。

图7 系统工作示意图

人机交互模块主要测试按键是否灵敏，OLED 屏是否显示正常，有无闪屏、卡顿、显示错乱等现象。经测试，显示屏能正常显示各种参数信息，按键均能灵敏完成相关操作。通信模块利用串口调试助手与单片机进行通信，通过发送与接收规定数据，检测通信是否正常。通信模块的设计是为了在工程调试时，采集压力传感器的信号，判断其是否正常工作，方便上位机的实现。

气路模块测试主要是对气路之间的封闭性以及压力传感器的相关性能进行测试。利用肥皂液测试气路的封闭性，观察接口连接处肥皂液是否有气泡即可判断气路的封闭性。传感器的性能测试主要包括传感器的输出特性和灵敏度测试。输出特性则是通过电子压力计来测量气路中的实时气压，并测量压力传感器在同一时刻的电压输出，即可得到压力传感器的输出特性曲线，测试结果与数据手册给出的输出特性曲线一致。传感器的灵敏度测试则是通过设定不同的气压值，使气泵对单个气腔进行充气，当达到设定气压后便停止充气，利用电子压力计测试此时气压，比较两者的值是否一致[16]，其测试结果如图8 所示，实际的气压值与设定的气压值基本保持一致，误差保持在0.1～0.3 kPa 范围内，考虑是电磁阀关断瞬间气腔的气体稍有回冲。

图8 传感器灵敏度测试结果

4.2 功能测试

该系统需要测试两种按摩模式功能是否正常。顺序按摩模式测试：将气囊套装在测试者腿上，测量按摩过程中压力传感器的输出电压即可得到该模式的充放气曲线，测试结果如图9 所示，按摩压力峰值与设定的4 500 Pa 气压值相符，且充放气过程与系统设定模式一致。

图9 顺序模式充放气曲线

多腔配合按摩需要对四个气腔的气压同时进行监测，测试每个气腔的充放气曲线，测试结果如图10所示，图中依次是气腔1-4 的充放气曲线。过程1 为气腔1 充气，气腔3 放气，气腔2、4 保持原有状态；过程2 为气腔2 充气，气腔4 放气，气腔1、3 保持原有状态；过程3 为气腔3 充气，气腔1 放气，气腔2、4 保持原有状态；过程4 为气腔4 充气，气腔2 放气，气腔1、3 保持原有状态。

图10 多腔配合模式充放气曲线

5 结论

该系统设计的深静脉血栓预防装置是基于间歇性充气加压原理，以STM32 单片机为核心，实现不同的按摩效果，为预防DVT 提供一种便携实惠的选择。相比于现有研究，该系统通过对气路通道设计和电磁阀、气泵的控制，仅需一个压力传感器便可实现对整个系统的气压反馈，有效降低了成本；添加可充电电池和电源隔离模块，方便在没有电源时使用，实现了系统的便携性与安全性。在后续的研究中，可以利用预留的通信接口与手机通信，实现更全面、更便捷的人机交互，还可通过控制充放气的速率来保证按摩的舒适度，实现更小体积、更小功耗的一体化按摩装置。