褥疮的护理论文 ：智能翻身防褥疮气垫的设计

　第 12 卷 第 4 期 　2009 年 12 月 上 海 电 机 学 院 学 报 J OU RNAL OF SHAN GHA I DIANJ I UN IV ERSIT Y Vol. 12 No. 4 　 Dec. 2009 　 收稿日期 :2009211219 基金项目 :上海市大学生创新活动资助项目 (08A303) 作者简介 :张臻峰 (19852) ,男 ,本科生 ,专业方向为电气工程及其自动化 ,E2mail :zhangzf1985 @163. com 指导教师 :梁 　森 (19472) ,男 ,教授 ,专业方向为测控技术 ,E2mail :liangs @sdju. edu. cn 文章编号 　167122730 (2009) 0420293204 智能翻身防褥疮气垫的设计 张臻峰 , 　梁　森 , 　王祎沁 , 　秦和平 , 　王晓琳 (上海电机学院 电气学院 , 上海 200240) 　　摘 　要 : 阐述了由 A T89S52 单片机、气囊、压力传感器、气泵和电磁阀门等构成智能翻身防褥疮气 垫的设计过程。介绍了定时翻身、遥控翻身、声控翻身、按摩和背部托起功能的实现 ,以及测控系统 硬件控制电路和软件程序的设计。该气垫在某医院使用 ,达到了预设的智能翻身效果。 　　关键词 : 智能护理卧具 ; 翻身气垫 ; A T89S52 ; 遥控 　　中图分类号 : TP 273 　　　文献标识码 : A Design on Intelligent Upturn Anti2bedsore Air Cushion Z H A N G Zhen f eng , 　L I A N G S en , 　W A N G Yiqi n , 　Q I N Hepi n g , 　W A N G X i aol i n (School of Elect ric ,Shanghai Dianji U niversity , Shanghai 200240 , China) 　　Abstract : This article expounds t he design process of intelligent upt urn anti2bedsore air cushion which is made up of A T89S52 single2chip microcomp uter , air cushion , p ressure sensors , air p ump and elect romagnetic valve. The article also int roduces some implementation met hods of timing upt urn , re2 mote cont rol upt urn , sound cont rol upt urn , massage and backside support and t he design of both hardware cont rol circuit and sof tware p rograms of t he observe and cont rol system. The design has been used in a certain hospital and t he anticipated result s have been achieved. 　　Key words : intelligent nursing bedding ; upt urn air cushion ; A T89S52 ; remote cont rol 　　至 2008 年底 ,我国 65 周岁以上老年人口已经 达到 1 亿以上[1 ] 。老年人的中风比例约为 5 % ,且 较大比例需要卧床。如果护理不当 ,长期卧床的病 人中将有很大比例发生褥疮。据美国有关资料记 载[2 ] ,美国住院病人中有 3 %～6 %发生褥疮 ;一般 医院的褥疮发生率为 2 %～11 % ,昏迷、截瘫病人的 褥疮发生率更高达 20 %以上 ;褥疮复发率为 40 % , 难治率为 10 %。褥疮不但增加病人的痛苦 ,而且会 引起细菌感染 ,增加死亡率。如果褥疮不愈合 ,其死 亡率将增加 6 倍。 老人在家卧床或住院时 ,多数家庭都请护工照 顾 ,并帮助病人翻身 ,为此 ,每年需 2～3 万元的护理 支出。智能翻身卧具能较大地减少护工的工作量和 工资支出。目前 ,常见的智能翻身卧具为翻身床[3 ] , 但是 ,翻身床较沉重 ,且价格不菲。 笔者通过 2 年的不懈努力 ,研制成功了具有自 主知识产权、轻便、廉价的智能翻身气垫。该气垫能 完成多种护理功能。本文介绍智能翻身防褥疮气垫 的结构和原理、测控系统的硬件控制电路等的设计。 1 　智能翻身气垫的结构和实现原理 本智能翻身气垫由多个气囊、充气泵、电磁阀 门、气压传感器、单片机、输入/ 输出接口电路等组 成 ;能直接放置在普通的床架上 ,通过无线遥控、声 控或按键来控制气囊的充放气 ,实现翻身、按摩和背 部托起等功能。 1. 1 　主体气垫的结构和气路 气垫的主气囊由左、右 2 个气囊组成 ;其左、右、 顶部分别设置有安全护栏气囊 ;在主气囊的中上部 位 ,叠放了一个 70 cm ×70 cm 的靠背气囊。对靠背 气囊安全充气后 ,形成一个宽为 70 cm、与水平呈 60°的三角棱柱 ,使卧床者形成 60°坐姿。气垫结构 与气路如图 1 所示。 图 1 　气路 Fig. 1 　Gas path 　　图 1 中的 K1～ K11 为电磁阀门 ,用于控制左、 右气囊和护栏的充、放气 ; M1～M3 分别为左、右气 囊及护栏的上限压力检测传感器。 1. 2 　翻身和按摩的实现方式 由于智能气垫采用了单片机技术 ,可使用遥控、 声控或按键方式 ,按一定时间间隔 ,缓慢地控制左、 右气囊循环充、放气 ,使气垫的左、右气囊形成高度 差 ,从而可使卧床者从左侧睡改变为仰卧 ,进而变为 右侧睡 ;反之 ,可产生相反的过程。 如果快速控制左、右气囊的循环充放气 ,卧床者 将感到背部的受力点不断改变 ,形成按摩效果。 2 　系统设计 2. 1 　压力试验与气压检测 笔者经过多次人体试验 ,得到气垫的最佳压力 为 15 ±3 kPa。压力太小 ,卧床者将陷入气垫中 ;压 力太大 ,则感觉气垫很硬 ,也容易损伤骨骼突出部位 的皮肤。 　　但若无限制地对气垫充气 ,将导致其爆裂 ,故使 用 3 个上限气压传感器进行实时监测。考虑到高精 度的气压传感器非常昂贵 ,故选用了低精度、廉价的 洗衣机水位开关替代[ 4 ] 。设重力加速度为 g ,水的 密度为ρ,则压力 p 与水柱 h 的关系为 p =ρg h。 　　若选用的水位开关技术指标为 1. 5 ±0. 5 m ,则 施加在水位开关膜盒上的压力约为 15 ±5 kPa ,与 气垫的试验压力范围相当。试验时 ,用一台 Y4002 型压力进行校验。用丝锥顺时针调节膜盒后面的 细调螺丝 ,水位开关的动作压力 pmax随之变大 ,直至 压力表显示为 15 kPa ,膜盒恰好能推动开关的触点 闭合为止 ,然后用胶水将细调螺丝封死。这样 ,每当 充气压力从小到大增加到 15 kPa 时 ,就能给单片机 的输入接口一个低电平 ,从而停止充气 ,避免充爆。 测试到的水位开关动作压力、输出电压及回差Δp 如图 2 所示。 图 2 　水位开关的输入/ 输出特性 Fig. 2 　Input/ output features of the water level switch 　　由图 2 可知 ,由于存在Δp ,当压力减少到 10 492 上 　海 　电 　机 　学 　院 　学 　报 2009 年第 4 期　 kPa 时 ,才能恢复到高电平 (上拉到 5 V) ,压力开关 通过输入接口电路告知单片机已达到适当的放气状 态 ,停止抽气。回差还可作为按摩功能的翻转信号。 目前 ,医院多使用“静音无油空气压缩机”[5 ] 充 气。但是该类压缩机价格昂贵 ,输出压力偏大 ,容易 将气垫充爆。笔者选择廉价的静音 ACO2004 型电 磁式家用养鱼供氧充气泵。同时对主气囊和安全护 栏气囊充气 ,使它们达到 15 kPa 的时间约为 20 min ;将该充气泵的进气口和充气口分别接上直径 为 10 mm 的气管 ,通过 2 个三通电磁阀门接到左、 右气囊。这样在单片机的控制下 ,能够达到从左气 囊抽气到右气囊 ,或从右气囊抽气到左气囊的目的。 2. 2 　单片机接口电路的设计 测控系统电路的原理框图如图 3 所示。本设计 采用 A T89S52 单片机作为测控系统的主控芯片[6 ] 。 P0 为数据读入/ 输出口 ,P1 为地址写出口。地址信 号送译码器 74 HC138 (图中未画出) 译码 :图 3 中 , 若选中的是输入总线驱动器 74 HC245 (1) ,则无线 电遥控器或语音识别电路的输出数据被 A T89S52 读入 ;若选中的是 74 HC245 (2) ,则键盘的数据被 A T89S52 读入 ;若选中的是 74 HC245 (3) ,则 3 个压 力开关的数据被 A T89S52 读入 ;若选中的是输出锁 存器 74 HC574 (1)或 74 HC574 (2)时 ,单片机的输出 数据被写出到光耦型双向晶闸管电磁阀门驱动器 , 控制电磁阀门及充气泵的通断 ; 若选中的是 74 HC574 (3) ,单片机的输出数据被写出到4位L ED 图 3 　控制电路原理框图 Fig. 3 　Diagram of control circuit 数码管 ,分别显示键盘值、状态值或定时剩余值。 2. 3 　语音识别接口电路的设计 笔者选用了台湾凌阳公司生产的 SPCE061A 语音识别开发板[7 ] 。该语音识别开发板具有识别率 高、可靠性强等特点。语音识别开发板与单片机的接 口如图 4 所示。简化编程只能识别 4 个 1. 5 s 短 句 ,有效输出均为低电平。语音识别电路的接口电路 使用 4 只发光二极管 ,并联在对应的“左翻”、“右 翻”、“按摩”、“停止”的 S1～S4 键盘上 ,组成或门电 路 ;4 个短句的识别效果等同于所并联的按键按下。 若进一步修改识别程序 ,可识别更多的短语。笔者 将该语音识别板的话筒置于油烟机罩板下 200 mm 处 (噪声约 60 dB) ,识别率达到 80 %。 图 4 　SPCE061A语音识别电路与单片机的接口电路 Fig. 4 　Interface circuit of SPCE061A speech recognition circuit and single chip micyoco 2. 4 　气泵及电磁阀门驱动电路的设计 单片机系统是弱电系统 ,不能直接驱动 220 V 气泵和电磁阀门 ,因此设计了光耦型双向晶闸管过 零触发驱动电路 ,以驱动气泵和电磁阀门 ,电路如图 5 所示。 图 5 　电磁阀门及气泵的驱动电路 Fig. 5 　Drive circuit of the electromagnetic valve and air pump 　　图 5 中 ,单片机将 12 位控制信号分 2 次分别写 592　2009 年第 4 期 张臻峰 ,等 :智能翻身防褥疮气垫的设计 　　 入 74 HC574 (1) 的 8 个 Q 端 (Q0～Q7) , 以及 74 HC574 (2)的 4 个 Q 端 (Q8～Q11) 。当 Q 端为低 电平时 ,就有驱动电流从 + V CC通过 MOC3083 光耦 芯片的 1、2 端 ,流入 74 HC574 的 Q 端 , MOC3083 左边的双向晶闸管第 1 阳极和第 2 阳极 (4、6 脚) 导 通 ,交流负载 RL ( K1～K11 或充气泵) 得电 ,对应的 电磁阀门接通 ,充气泵工作。 2. 5 　系统的软件设计 　　系统的初始化分为 2 个部分 : ①定时器的初始 化 ,定义一个最小定时单位 ,为以后的软件定时做准 备 ; ②中断初始化、中断触发方式 ,以及看门狗程序 和显示模块初始化。 上电后 ,数码管显示默认定时翻身时间间隔为 2 h ,所有的 74 HC574 都置 1 ,外设全部失电 ;单片机 进入等待中断状态 ,不断检测是否有按键按下及压 力传感器是否为低电平 ,同时调用定时时间减法显 示程序。定时翻身时间可通过键盘中的“ + ”、“ - ” 键设定。最大翻身间隔为 10 h ,最小为 30 min。当 定时时间减到零时 ,启动自动翻身子程序。 若有其他功能键或无线遥控器按下 ,或有声控 指令时 ,调用对应的子程序 ,如坐起子程序、按摩子 程序、呼唤子程序、左翻子程序、右翻子程序、全充子 程序、全放子程序等。当读入“停止”键值时 , 74 HC574 (1)和 74 HC574 (2) 的所有 Q 端置 1 ,外设 全部失电。 3 　气垫的特点及待改进 与市售的其他类型护理设备比较 ,本文设计的 智能翻身防褥疮气垫有如下特点 : ①能均分卧床者 的体重 ,减小皮肤的局部压迫 ,减少褥疮的发生 ; ② 重量轻 ,可放置于普通的床架上 ;将气体放出后 ,所 占体积小 ,便于携带 ; ③可实现多种形式的定时翻 身和按摩 ,智能化程度高 ,减少了护理工翻身的工作 量 ; ④设计了充气围栏 ,卧床者不易翻滚下来 ,增加 了安全感 ; ⑤使用了压力传感器 ,使气垫在充气时 不会爆裂 ,抽气时的终止压力能得到控制 ; ⑥靠背 气囊可实现对头背部的推起 ,便于喂食或自行进食 ; ⑦本气垫适合于长期卧床人群 ,如中风和截瘫病 人 ,可用于家庭、医院、护理院、康复中心等。 但本气垫存在以下缺点 : ①容易被尖利物体刺 破 ; ②透气性没有席梦思好 ,故计划在气垫的上表 面用激光打孔方法加工出若干微米级的细孔 ,增加 气垫的透气量 ,且可以在冬天提供暖和的气流[ 8 ] ; ③ 无法进行排便等护理 ,改进方案是在气垫的中部设 计一个独立的凹坑气囊 ,由单片机控制抽气后 ,可放 入便盆 ,但这涉及比较复杂的制造工艺 ,是护理设备 的难题。 4 　结 　语 本智能翻身气垫在上海市某人民医院和社区敬 老院进行了试用。在翻身终了位置时 ,左、右 2 个气 囊的高度差可达到 150 mm ,翻身的角度约为 30°, 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。经测试 , 从平卧达到侧翻终了位置的时间约需 7 min ,再次 恢复平躺也约需 7 min ;在平卧状态保持 16 min ,完 成一个自动翻身最小周期为 30 min。卧床者感觉 翻身平稳 ,符合护理要求。 智能气垫能帮助卧床病人翻身 ,减少褥疮的发 生 ,减轻病人的痛苦 ,提高病人的生活质量 ,降低家 庭的护理费支出 ,适应了老年化社会的进程 ,实现对 卧床病人的关怀 ,符合和谐社会的需求 ,具有一定的 社会价值。 参考文献 : [1 ] 　中华人民共和国国家统计局. 2008 年国民经济和社会 发展统计公报 [ EB/ OL ] . (2009202226) [ 2009205207 ] . http :/ / www. stat s. gov. cn/ tjgb/ ndtjgb/ qgndtjgb/ t20090226_402540710. htm. [2 ] 　郑清月. 美国褥疮护理现状 [J ] . 国外医学 :护理学分 册 ,1996 ,15 (5) :2032205. [3 ] 　罗丽珊 ,赖建力 ,魏明霞 ,等. 自动交替承托侧翻床分散 和减少体压及预防褥疮的应用研究 [J ] . 长江大学学 报 :自科版 ,2005 ,18 (2) :1972198. [4 ] 　梁 　森 ,欧阳三泰 ,王侃夫. 自动检测技术及应用 [ M ] . 北京 :机械工业出版社 ,2006. [5 ] 　谢仁明. 陈闽鄂. 液压与气动技术 [ M ] . 北京 :人民邮电 出版社 ,2007. [6 ] 　冯铁成 ,单片机应用技术[ M ] . 北京 :人民邮电出版社 , 2009. [7 ] 　张震宇 ,王 　华. 基于凌阳单片机的语音识别技术及应 用[J ] . 微计算机信息 ,2007 ,123 (822) :1202121. [8 ] 　高耀闽.缓释气式气囊褥垫床[J ] . 国外医学 :护理学分 册 ,1996 ,15 (1) :38239. 692 上 　海 　电 　机 　学 　院 　学 　报 2009 年第 4 期