一种便携式膀胱功能康复治疗仪的研制与设计

赵志科，吴才章，李新东（通信作者）

1 河南工业大学电气工程学院 （河南郑州 450001）；2 河南驼人医疗器械集团有限公司，（河南新乡 453400）

膀胱功能障碍是指由于人体中枢神经、外周神经受损、药物滥用等原因引起神经控制机制紊乱，导致出现储尿和排尿功能障碍[1]。膀胱功能障碍常见表现为尿潴留、尿急尿频、尿失禁等，严重影响患者的日常生活与社交活动[2]。目前，围绕人体膀胱功能的恢复与构建，许多研究人员已在药物注射[3-4]、针灸[5-6]、神经电刺激[7-9]、留置型导尿控制[10-12]等方面开展了大量研究。药物注射虽然在阻断神经递质释放与传递、产生局部去神经支配效应方面具有针对性强、见效快、疼痛轻等优点，但膀胱功能障碍多是下尿路的症候群，其致病原因较多，治疗成本高且易产生药物依赖。针灸、电刺激疗法通过对人体皮肤、肌肉的外部刺激，引起逼尿肌收缩、尿道括约肌无收缩以模拟生理性的排尿，进而唤醒膀胱功能恢复。但针灸与电刺激方式无法实现无干预模式下的治疗，也无法满足便携式的使用需求，更无法满足留置导尿使用者的膀胱康复需求。

留置型导尿是一种已被广泛应用的临床排尿方式，是将导尿管插入并留置在膀胱内，通过开关引流管外部的排尿阀门来实现对手术中或术后患者排尿的装置。常见的留置型导尿管分为开放引流型和阀控排尿型两种。由于开放引流型易造成使用者出现尿频、尿失禁等问题，该方法已逐渐被医疗行业所弃用。目前，医院常用的是阀控型排尿装置。该装置通过医用导通截止阀实现对使用者排尿与否的控制，但此种阀控型排尿装置也存在依赖于人工操作等问题。如阀控装置打开过晚，使用者会出现尿液测漏现象，给使用者带来生理上的痛苦，甚至引起尿道感染。如果阀控装置打开过早，则会引起使用者膀胱排尿功能紊乱等。由于开启阀门并非由使用者本人控制，所以当使用者使用此留置型导尿管超过一定时间，其膀胱会失去原有的排尿记忆功能。一旦拔掉导尿管，使用者在短时间内会出现排尿失常现象。为了解决此问题，临床上通常建议患者出院前开展定时排尿训练膀胱功能，以恢复膀胱的自主排尿功能，但此种方法并不能在短时间内恢复患者的正常膀胱功能。因此，亟需一种能感知患者膀胱内压力进行自动控制排尿的训练装置解决上述问题。本研究旨在于留置导尿装置基础上，通过压力传感器和称重传感器检测和控制尿动力参数，设计一种便携式膀胱功能康复治疗仪，实现对人体膀胱的功能性自动康复。

1 系统总体设计

根据便携式膀胱功能康复训练的需要，设计的膀胱功能康复治疗仪结构示意图如图1 所示。

图1 膀胱功能康复治疗仪结构示意图

膀胱功能康复治疗仪主要由膀胱功能康复训练控制装置、支架和导尿管及尿袋组成。支架起到固定膀胱功能康复训练控制装置的作用。硅胶导尿管末端用于插入人体尿道。膀胱功能康复训练控制装置利用称重传感器测量当前尿袋重量。压力传感器、手动排尿阀为一次性集成套件，其中压力传感器通过尿袋采用间接测量的方式，获取人体膀胱内部的当前压力。排尿截止装置一端连接手动排尿阀，另一端连接电机。为了解决电机故障，可以通过手动方式实现排尿功能。

此膀胱功能康复治疗仪控制器的系统结构框图，如图2 所示。膀胱功能康复治疗仪控制器包括电源、压力触感器、限位开关、按键、称重传感器、仪用精密信号调理电路、液晶显示器（liquid crystal display，LCD）屏幕、声光报警模块、数据存储卡接口、通用串行总线接口、电机驱动电路和直流电机等。按键用于实现菜单选择与不同治疗模式间的输入切换。称重传感器通过仪用精密信号调理电路将尿袋的重量信息传送给STM32 单片机。LCD 屏幕为3.2 英寸，用于实现人机交互功能。数据存储卡及接口用于记录膀胱功能康复治疗仪的使用信息。USB 接口用于膀胱功能康复治疗仪与计算机进行连接，实现数据上传。STM32 单片机通过电机驱动电路控制直流电机的正反转，实现对排尿阀的开关控制。限位开关用于识别电机带动的排尿阀开关位置。

图2 膀胱功能康复治疗仪控制器的系统结构框图

2 硬件系统设计

2.1 主控芯片电路

选用STM32F407ZET6 单片机作为主控芯片，其基于高性能ARM®Cortex®-M432 位RISC 内核，工作频率高达168 MHz，能满足膀胱康复治疗仪的功能外设要求。设计的主控芯片部分电路，如图3 所示。

图3 主控芯片电路

2.2 电源转换与开关控制电路

选用电源适配器实现220 V 转换为DC12 V，为控制器提供电源。由于STM32 单片机的供电电压为3.3 V，设计基于MP1470 的直流降压电路，如图4 所示。设计的电源开关电路采用施密特触发功能的非门集成芯片SN74LVC1G14 进行设计（图5）。满足设计对低功耗和高输出驱动要求。通过按压KEY11 可以实现开机功能，通过按压开关机按钮超过3 s 可以实现关机功能。

图4 直流降压电路

图5 电源开关电路

2.3 锂电池充电电路

为了满足膀胱功能康复治疗仪控制器在外部电源断电条件下的锂电池供电使用要求，选用PWM降压模式2 节锂电池充电管理集成芯片，具有涓流、恒流和恒压充电模式，实现输入低电压锁存、电池端过压保护和充电状态指示功能。设计的锂电池充电电路，如图6 所示。

图6 锂电池充电电路

2.4 称重传感器信号采集与调理电路

由于称重传感器采用差分输出方式，选用24 位无失码的差分输入芯片，并通过串行外设接口（serial peripheral interface，SPI）通信方式与主控单片机进行称重信息传送。设计的称重传感器信号采集与调理电路，如图7 所示。

图7 称重传感器信号采集调理电路

2.5 电机驱动电路

设计采用直流电机带动排尿阀转动的方式实现排尿与截止功能。为了控制直流电机的正反转，采用L9110S 芯片构建电机驱动控制电路，如图8 所示。

图8 直流电机驱动电路

2.6 数据存储卡接口电路

膀胱功能康复治疗仪在使用过程中需存储使用记录与患者数据，采用自弹式MicroSD 卡（TF 卡）卡座，设计的数据存储卡接口电路，如图9 所示。

图9 MicroSD 卡接口电路

2.7 语音驱动与按键电路

采用语音方式进行报警与声音提示，设计的语音驱动模块电路（图10），包括语音播放（U19）和功率放大电路（U20）。采用按键方式实现对菜单的选择与模式的切换，包括记录查询快捷键、返回主界面快捷键、上移动按键、左移动按键、确认按键、右移动按键、下移动按键、返回按键、打开阀门按键。针对以上按键设计了硬件消抖动能的电路，如图11 所示。

图11 带按键消抖功能的按键电路

2.8 LCD 屏幕接口电路

膀胱功能康复治疗仪采用3.2 英寸的LCD 屏幕进行人机交互，设计的LCD 屏幕接口电路，如图12 所示。

图12 LCD 屏幕接口电路

3 软件程序设计

膀胱功能康复治疗仪控制系统的流程图，如图13 所示。主机系统上电后，系统初始化，完成系统自检，进入模式选择界面。系统根据用户按键输入的指令，进入畅通模式、定压模式、定时模式、定时定压模式、分段定压模式、尿潴留模式。畅通模式需先判断排尿阀的状态，然后进入状态监测状态。进入其他治疗模式时，电机带动排尿阀进行截止，然后进入参数设置状态，并根据参数设置对应状态进行监测与控制。在此治疗仪使用过程中，如检测到时间、压力、尿量等达到设定的治疗阈值，将执行排尿阀旋转，实现自动排尿。如果治疗过程中发生异常（如压力传感器脱落或电池电量不足等），将通过语音播报报警。当系统收到返回按键操作指令时，会自动保存当前的参数，记录治疗期间的阀门状态、压力、尿量等。

图13 主机控制程序流程图

4 实验研究

本研究设计的膀胱功能康复治疗仪控制装置实物，如图14 所示。该控制装置通过设置硬件消抖按键，可以实现短按开机与长按关机功能。通过设置十字型分布的多个选择按键，实现治疗模式、全局参数设置、数据查询、传感器设置、模式参数设置、系统设置等功能的菜单选择与切换。在LCD 屏幕上对电池剩余电量进行实时显示，并通过搭载的语音播放模块实现对异常状态的语音播报预警功能。经过实验测试，该控制系统运行可靠，能够满足无外部电源条件下连续工作12 h 的使用需求。设计1 次性压力传感器模组实物，如图13 所示。该压力传感器以三通形式与连接膀胱和尿袋的管路进行导通连接，并利用弹簧针卡扣方式实现控制器的电路与传感器信号传输线的连接，结构简单，成本较低，能够满足一次性使用需求。

图14 膀胱功能康复治疗仪控制装置实物

图15 压力传感器模组

5 结语

本研究设计一种膀胱功能康复治疗仪，硬件以STM32F407ZET6 单片机为控制核心，软件为RTX实时操作系统，能够满足不同类型留置导尿患者对定时、定压、定时定压、分段定压、尿潴留等治疗模式的功能需求。系统兼具外部电源供电与锂电池供电2 种供电方式，且锂电池能够满足持续12 h 的连续使用要求；同时具有操作简单、安全有效、保护隐私、促进膀胱功能恢复、减轻患者痛苦等优势，便于临床通过刺激膀胱逼尿肌的收缩和舒张，促进尿液的排出。此外，该治疗仪还可以监测膀胱内压，评估膀胱逼尿肌的收缩力和舒张程度，为临床医师对疾病的治疗提供准确的参考依据。