周文靜，張盛昭，李光星，簡冬生，張愛，梁振

1. 安徽醫(yī)科大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，安徽 合肥 230022；2. 浙江達(dá)美生物技術(shù)有限公司， 浙江 紹興 312000

引言

缺血預(yù)適應(yīng)訓(xùn)練是一種近年來廣泛研究的預(yù)防和治療方式，它通過短時間內(nèi)對組織進(jìn)行多次反復(fù)的缺血和再灌注刺激，誘導(dǎo)細(xì)胞產(chǎn)生保護(hù)性物質(zhì)，產(chǎn)生內(nèi)源性保護(hù)作用，使細(xì)胞對缺血、缺氧等刺激的耐受性提高[1-3]。缺血預(yù)適應(yīng)訓(xùn)練能夠使心臟[4]、腦[5-7]、肺[8]、腎[5]和下肢血管[9-10]等產(chǎn)生相應(yīng)的保護(hù)效應(yīng)，在腦卒中和腦梗死的預(yù)防治療和恢復(fù)、心肌缺血損傷的預(yù)防、腎臟手術(shù)缺血損傷的預(yù)防等方面都有廣泛的實驗研究，并得到了初步的驗證。

多種方式可以實現(xiàn)缺血預(yù)適應(yīng)訓(xùn)練，如通過一定強(qiáng)度的運(yùn)動[11]、冠狀動脈血管阻斷[12]、肢體血管阻斷[13-14]、腺苷受體激動類藥物[15]、亞低溫[16-17]等方式。其中對肢體進(jìn)行血管阻斷是較為簡單易行的方式，它能使遠(yuǎn)端的器官產(chǎn)生缺血保護(hù)性效應(yīng)，具體的實施方式是將袖帶套入上肢或下肢，通過周期性反復(fù)充氣加壓和泄氣泄壓，對肢體血管間歇性阻斷，誘導(dǎo)肢體的缺血和再灌注[18]。

目前專用于缺血預(yù)適應(yīng)訓(xùn)練的儀器較少，截至2021年，很多關(guān)于肢體阻斷方式的缺血預(yù)適應(yīng)訓(xùn)練的研究仍然是采用水銀血壓計或電子血壓計袖帶開展的[19-20]。血壓計不具備按照訓(xùn)練需求設(shè)置加壓和泄壓的周期、壓力值、時長等參數(shù)，并針對不同的疾病和病情設(shè)置不同的訓(xùn)練參數(shù)[21]等功能，給相關(guān)的實驗研究工作帶來不便。此外，缺血預(yù)適應(yīng)訓(xùn)練是長期且多次的治療過程，持續(xù)時間可能是數(shù)月甚至數(shù)年[22]，它需要對訓(xùn)練周期、加壓強(qiáng)度、每次訓(xùn)練時長進(jìn)行科學(xué)而規(guī)范的規(guī)劃，這些都對缺血預(yù)適應(yīng)訓(xùn)練診療數(shù)據(jù)的歸集和管理提出需求。

本文設(shè)計了一種家用式缺血預(yù)適應(yīng)訓(xùn)練儀，通過控制氣泵和電磁閥實現(xiàn)袖帶的加壓與泄壓，使袖帶在一段時間內(nèi)維持在一定的壓力區(qū)間，實現(xiàn)缺血預(yù)適應(yīng)訓(xùn)練。本訓(xùn)練儀提供4種不同訓(xùn)練時間和訓(xùn)練壓力區(qū)間的訓(xùn)練模式，用戶根據(jù)自身情況選擇訓(xùn)練模式，同時開發(fā)與缺血預(yù)適應(yīng)訓(xùn)練儀配套的缺血預(yù)適應(yīng)訓(xùn)練管理（Ischemic Preconditioning Training Management，IPTM）軟件，可以控制缺血預(yù)適應(yīng)訓(xùn)練儀進(jìn)行訓(xùn)練，實現(xiàn)用戶信息的管理、訓(xùn)練數(shù)據(jù)的存儲、顯示缺血預(yù)適應(yīng)訓(xùn)練儀狀態(tài)信息等功能。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

本系統(tǒng)由安卓終端、主臂帶機(jī)和從臂帶機(jī)構(gòu)成（圖1）。兩個臂帶機(jī)的主體均為袖帶式加壓阻斷裝置，可實現(xiàn)缺血預(yù)適應(yīng)訓(xùn)練功能。主臂帶機(jī)提供按鍵和屏幕，供用戶啟動訓(xùn)練和查詢訓(xùn)練信息，從臂帶機(jī)不提供按鍵和屏幕。安卓終端為市售的運(yùn)行安卓操作系統(tǒng)的平板電腦或手機(jī)，它安裝有自行編寫的IPTM軟件，該軟件可以控制主臂帶機(jī)和從臂帶機(jī)進(jìn)行缺血訓(xùn)練，對訓(xùn)練數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和讀取，管理用戶信息。安卓終端、主臂帶機(jī)、從臂帶機(jī)之間通過藍(lán)牙通訊，傳遞控制信息、訓(xùn)練數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計圖

1.1 主臂帶機(jī)硬件設(shè)計

主臂帶機(jī)主體為袖帶加壓阻斷裝置，具有缺血預(yù)適應(yīng)訓(xùn)練功能和測量功能，提供按鍵和屏幕，實現(xiàn)人機(jī)交互。訓(xùn)練功能：訓(xùn)練功能主要通過控制器對氣泵和電磁閥的控制，使袖帶維持在一定的壓力區(qū)間，達(dá)到對上肢加壓阻斷的目的，實現(xiàn)缺血預(yù)適應(yīng)訓(xùn)練。根據(jù)壓力維持時長和壓力區(qū)間的不同，臂帶機(jī)提供4種不同的訓(xùn)練模式。主臂帶機(jī)在啟動時，通過藍(lán)牙通訊模塊向從臂帶機(jī)發(fā)出指令，使從臂帶機(jī)同步進(jìn)入到相應(yīng)的訓(xùn)練模式。測量功能：實現(xiàn)舒張壓、收縮壓和心率的測量。

1.1.1 主臂帶機(jī)的電路設(shè)計

主臂帶機(jī)電路主要由主控制器、血壓測量模塊、藍(lán)牙模塊、電源管理模塊、電池、顯示屏、電磁閥、氣泵、按鍵和電量指示燈構(gòu)成，其電路設(shè)計框圖如圖2所示。電源管理模塊給整個主臂帶機(jī)供電，完成充電、電平轉(zhuǎn)換、電量顯示功能。主臂帶機(jī)主控制器控制血壓測量模塊、氣泵和電磁閥實現(xiàn)壓力控制和血壓測量，將實時壓力值和測量結(jié)果顯示到顯示屏上；通過藍(lán)牙模塊實現(xiàn)主臂帶機(jī)與從臂帶機(jī)、主臂帶機(jī)與安卓平板的數(shù)據(jù)傳輸。用戶通過按鍵實現(xiàn)主臂帶機(jī)的開關(guān)機(jī)、訓(xùn)練模式的選擇和切換等。

圖2 主臂帶機(jī)電路設(shè)計框圖

1.1.2 主臂帶機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

主臂帶機(jī)組件包括電路板、氣泵、電磁閥、電池、管路和袖帶。管路連接氣泵、電磁閥和袖帶，氣泵在電路的控制下對袖帶抽氣完成加壓，加壓完成后電磁閥在電路板的控制下開閥放氣，使臂帶機(jī)完成加壓訓(xùn)練。主臂帶機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3所示。

圖3 主臂帶機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

本裝置管路由五通和軟管構(gòu)成，五通的五個口分別和氣泵、快速放氣閥、慢速放氣閥、壓力傳感器和袖帶通過軟管相連。五通相連的5個部件的壓力維持一致，當(dāng)訓(xùn)練開始時，氣泵開始加壓，快速放氣閥和慢速放氣閥保持關(guān)閉，袖帶收縮，壓力傳感器檢測實時壓力，當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)定壓力區(qū)間時，氣泵停止加壓，氣路內(nèi)壓力維持壓力值，當(dāng)壓力傳感器檢測到的壓力值低于設(shè)定壓力區(qū)間時，氣泵繼續(xù)加壓，直至壓力達(dá)到設(shè)定壓力區(qū)間，如此過程持續(xù)至訓(xùn)練結(jié)束；訓(xùn)練結(jié)束時，快速放氣閥和慢速放氣閥打開進(jìn)行泄壓，達(dá)到泄壓規(guī)定壓力值后關(guān)閉，完成訓(xùn)練。

1.2 從臂帶機(jī)硬件設(shè)計

1.2.1 從臂帶機(jī)的電路設(shè)計

從臂帶機(jī)電路主要由主控制器、藍(lán)牙模塊、壓力傳感與測量電路、電源管理模塊、電池、電磁閥和氣泵構(gòu)成，其電路設(shè)計框圖如圖4所示。從機(jī)主控制器通過控制壓力傳感與測量電路實現(xiàn)壓力控制；通過控制藍(lán)牙模塊實現(xiàn)與主臂帶機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。

圖4 從臂帶機(jī)電路設(shè)計框圖

1.2.2 從臂帶機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

從臂帶機(jī)組件包括電路板、氣泵、電磁閥、電池、管路和袖帶。管路連接氣泵、電磁閥和袖帶，氣泵在電路板的控制下對袖帶抽氣完成加壓，加壓完成后電磁閥在電路板的控制下開閥放氣，使臂帶機(jī)完成加壓訓(xùn)練。從臂帶機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計與主臂帶機(jī)相同。

2 軟件設(shè)計

2.1 臂帶機(jī)軟件設(shè)計

根據(jù)主控制器采用的STC15W4K48S4芯片，本系統(tǒng)臂帶機(jī)軟件采用C語言編程，開發(fā)軟件為Keil uVsion4。STC平臺提供了大量的開源庫，使用者可以很方便地移植自己所需要的例程。臂帶機(jī)軟件實現(xiàn)主臂帶機(jī)和從臂帶機(jī)的開關(guān)機(jī)、訓(xùn)練模式的選擇、血壓測量、訓(xùn)練數(shù)據(jù)的傳送、設(shè)置訓(xùn)練儀內(nèi)置時間和電量顯示等功能。

用戶可以通過按鍵的切換來選擇進(jìn)入訓(xùn)練模式或測量模式：① 訓(xùn)練模式：進(jìn)入訓(xùn)練模式后可通過選擇鍵進(jìn)行訓(xùn)練模式的選擇，本訓(xùn)練儀根據(jù)個體不同的血流動力參數(shù)以及缺血預(yù)適應(yīng)訓(xùn)練對于腦卒中的防治制定了不同訓(xùn)練模式的袖帶壓力區(qū)間和持續(xù)時間[23-25]，提供了4種不同的訓(xùn)練模式，4種訓(xùn)練模式具體壓力區(qū)間設(shè)定及訓(xùn)練時間如表1所示?；颊吒鶕?jù)自身血壓和病情，選擇訓(xùn)練模式，對于腦卒中潛在患者的預(yù)防使用和血壓正?；颊叩娜粘ｎA(yù)防治療，可選擇設(shè)定壓力值較低、訓(xùn)練時間較短的訓(xùn)練模式1；對于腦卒中患者的治療使用和高血壓患者的預(yù)防腦卒中使用，可根據(jù)訓(xùn)練前測得的血壓值選擇壓力值設(shè)定較高和訓(xùn)練時間較長的訓(xùn)練模式2～4。訓(xùn)練模式工作流程如圖5所示。② 測量模式：進(jìn)入測量模式后訓(xùn)練儀將會進(jìn)行血壓和心率的測量，測量結(jié)果將呈現(xiàn)在主臂帶機(jī)的顯示屏上。

圖5 訓(xùn)練模式流程圖

表1 訓(xùn)練模式數(shù)據(jù)

2.2 IPTM軟件設(shè)計

本訓(xùn)練儀設(shè)計了運(yùn)行在安卓平臺下的操作軟件，即IPTM軟件。IPTM軟件具有控制臂帶機(jī)訓(xùn)練和測量、臂帶機(jī)電量查詢、存儲及查詢用戶信息和訓(xùn)練數(shù)據(jù)、用戶訓(xùn)練數(shù)據(jù)分析等功能，IPTM軟件各界面如圖6所示。

圖6 IPTM軟件界面展示

用戶在IPTM軟件選擇訓(xùn)練模式，IPTM軟件將指令通過藍(lán)牙發(fā)送至主臂帶機(jī)，主臂帶機(jī)接收指令并通過藍(lán)牙發(fā)送指令至從臂帶機(jī)，主臂帶機(jī)和從臂帶機(jī)共同完成缺血訓(xùn)練。訓(xùn)練完成后，主臂帶機(jī)將訓(xùn)練數(shù)據(jù)發(fā)送至IPTM軟件，IPTM軟件對訓(xùn)練數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和存儲。

3 設(shè)計結(jié)果及關(guān)鍵性能指標(biāo)測試

3.1 設(shè)計結(jié)果

根據(jù)前文的硬件電路設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計和軟件設(shè)計，制作的家用式缺血預(yù)適應(yīng)訓(xùn)練儀原理樣機(jī)如圖7所示。經(jīng)測量，本裝置單個臂帶機(jī)機(jī)體部分長12.58 cm、寬9.47 cm、高2.47 cm，僅重435 g，由于本裝置臂帶機(jī)的硬件及結(jié)構(gòu)部分高度集成于袖帶之上，且體積小、重量輕，具有便攜性，使用戶在使用時，無需固定的位置進(jìn)行訓(xùn)練，同時訓(xùn)練過程中可進(jìn)行大范圍的活動，適用于家庭及戶外使用。

圖7 家用式缺血預(yù)適應(yīng)訓(xùn)練儀原理樣機(jī)示意圖

3.2 壓力控制穩(wěn)定度測試

測試本訓(xùn)練儀壓力控制的穩(wěn)定度，實驗人員身體保持靜止并且兩袖帶保持在同一高度。臂帶機(jī)袖帶通過三通導(dǎo)管連接到壓力測量設(shè)備，在訓(xùn)練時間內(nèi)，每隔10 s同時記錄臂帶機(jī)袖帶壓力測量值（通過電腦串口顯示臂帶機(jī)袖帶當(dāng)前壓力），以測量結(jié)果和設(shè)定的壓力區(qū)間來判斷壓力測量的穩(wěn)定度。對4個訓(xùn)練模式分別進(jìn)行10次測試，將每個時間點所測數(shù)據(jù)求平均值作為所測時間點壓力值，取訓(xùn)練開始前5 min的壓力值繪制時間——壓力值曲線圖。如圖8所示，每個訓(xùn)練模式的設(shè)定壓力值上限用紅線標(biāo)出、設(shè)定壓力值下限用藍(lán)線標(biāo)出。由圖8可以看出，本訓(xùn)練儀4種訓(xùn)練模式的初始加壓時間都在25 s左右，達(dá)到設(shè)定壓力值后，壓力基本能保持在設(shè)定壓力區(qū)間范圍內(nèi)，4種訓(xùn)練模式的整個訓(xùn)練訓(xùn)練過程中的壓力值的最大偏差和最小偏差如表2所示，由此可以看出，本訓(xùn)練儀壓力控制的穩(wěn)定度良好。

圖8 臂帶機(jī)壓力控制曲線圖

表2 4種訓(xùn)練模式壓力維持階段最大及最小偏差

3.3 血壓心率測量準(zhǔn)確度測試

測試本訓(xùn)練儀血壓、心率測量的準(zhǔn)確性，將本訓(xùn)練儀與歐姆龍血壓計所測的舒張壓、收縮壓和心率進(jìn)行對照。歐姆龍血壓計是目前行業(yè)內(nèi)測量血壓和心率準(zhǔn)確度較高的品牌，故本訓(xùn)練儀測試數(shù)據(jù)與其對照具有可行性。

為了保證實驗的準(zhǔn)確性，選年齡為20～30歲、身體健康的5名男性和5名女性作為實驗對象，對10位實驗對象分別使用本訓(xùn)練儀和歐姆龍血壓計各進(jìn)行10次舒張壓、收縮壓和心率3個指標(biāo)的測量，每位實驗對象在測量前都至少靜坐5 min，測量時實驗對象須保持手臂放松且與心臟位置在相似高度，并且將本裝置和歐姆龍血壓計先后對實驗對象同一手臂的同一位置進(jìn)行測量，經(jīng)調(diào)研，重復(fù)測量血壓時有無間隔時間對血壓值的影響可忽略[26]。本訓(xùn)練儀所測舒張壓、收縮壓和心率數(shù)據(jù)與歐姆龍所測舒張壓、收縮壓和心率數(shù)據(jù)的對比如圖9所示，圖中橫坐標(biāo)表示實驗對象編號，縱坐標(biāo)表示實驗對象10次測量平均值。對10位實驗對象用兩設(shè)備所測得舒張壓、收縮壓、心率數(shù)據(jù)分別使用S-W檢驗（Shapiro—Wilk Test）驗證其正態(tài)性，檢驗結(jié)果顯示測量數(shù)據(jù)均服從正態(tài)分布。為了判斷本訓(xùn)練儀所測舒張壓、收縮壓和心率與歐姆龍所測是否有差異，使用配對檢驗檢測這兩個設(shè)備所測數(shù)據(jù)的差異。由于本次實驗采集的數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布，因此采用配對樣本t檢驗，檢驗結(jié)果表明：本訓(xùn)練儀所測舒張壓、收縮壓和心率與歐姆龍所測結(jié)果進(jìn)行對比，差異均無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）（表3），故本裝置血壓心率測量的準(zhǔn)確性良好。

表3 測量數(shù)據(jù)配對t檢驗結(jié)果（±s）

表3 測量數(shù)據(jù)配對t檢驗結(jié)果（±s）

組別 舒張壓/mmHg 收縮壓/mmHg 心率/（次/min）本訓(xùn)練儀 67.104.97 113.603.86 72.501.00歐姆龍 67.604.69 114.303.95 72.401.00 t值 -0.520 -0.540 -0.170 P值 0.610 0.600 0.870

圖9 本訓(xùn)練儀和歐姆龍舒張壓、收縮壓、心率對比圖

4 討論

本文設(shè)計研發(fā)了一種適用于缺血性腦卒中患者和高危人群進(jìn)行康復(fù)和預(yù)防訓(xùn)練的家用式缺血預(yù)適應(yīng)訓(xùn)練儀。它是由2個獨立的加壓袖帶裝置和裝有IPTM軟件的安卓終端構(gòu)成，可以實現(xiàn)缺血訓(xùn)練和血壓、心率測量功能。本裝置通過控制氣泵和電磁閥實現(xiàn)袖帶的加壓、壓力維持及泄壓，根據(jù)個體不同的血液動力參數(shù)設(shè)定了4種訓(xùn)練模式不同的壓力區(qū)間和訓(xùn)練時間，用戶可根據(jù)自身情況選擇適合的訓(xùn)練模式；同時開發(fā)了與缺血預(yù)適應(yīng)訓(xùn)練儀配套的IPTM軟件，可以控制缺血預(yù)適應(yīng)訓(xùn)練儀進(jìn)行訓(xùn)練，實現(xiàn)用戶信息的管理、訓(xùn)練數(shù)據(jù)的存儲、顯示缺血預(yù)適應(yīng)訓(xùn)練儀狀態(tài)信息等功能。經(jīng)壓力控制穩(wěn)定度測試和血壓、心率測量準(zhǔn)確度測試，本裝置壓力維持性能良好，對于血壓、心率測量的準(zhǔn)確性較高。由于本裝置臂帶機(jī)的硬件及結(jié)構(gòu)部分高度集成于袖帶之上，且體積小、重量輕，具有優(yōu)秀的便攜性，使用戶在使用時，無需固定的位置進(jìn)行訓(xùn)練，且訓(xùn)練過程中可進(jìn)行大范圍的活動，適用于家庭及戶外使用。

缺血預(yù)適應(yīng)訓(xùn)練對與腦卒中防治的優(yōu)秀效果已經(jīng)得到廣泛認(rèn)可[2,27]，目前，市場上現(xiàn)存的缺血預(yù)適應(yīng)訓(xùn)練儀訓(xùn)練模式單一、不具智能性且訓(xùn)練體位固定，不具便攜性，本文設(shè)計的家用式缺血預(yù)適應(yīng)訓(xùn)練儀解決了市場上缺血預(yù)適應(yīng)訓(xùn)練儀訓(xùn)練體位固定的問題，使患者可以更加靈活地進(jìn)行訓(xùn)練，同時多種訓(xùn)練模式能滿足更多用戶的訓(xùn)練需求，設(shè)計的IPTM軟件能更加有效智能地實現(xiàn)缺血訓(xùn)練和管理訓(xùn)練數(shù)據(jù)?，F(xiàn)階段本訓(xùn)練儀的功能較為單一，沒有設(shè)計對于除血壓、心率外其他生理指標(biāo)的檢測，未來將進(jìn)一步優(yōu)化升級該缺血預(yù)適應(yīng)訓(xùn)練儀，加入血氧飽和度檢測等功能，同時也會朝著更加智能化的方向發(fā)展。