基于微电流和电脉冲的智能绷带的设计与实现

王奕 徐伟 廖华超 邓慧琴 宋俊杰 李杨阳

摘要：基于微电流和电脉冲，运用“EMS”微电流和电脉冲技术，设计了一款智能绷带。详细阐述了设计原理，重点分析了微电流模块、电脉冲模块和给药模块的设计方法，最后给出了具体外观设计方案。该款绷带实现了“微电流和电脉冲的双功能刺激器”给电刺激加速伤口愈合和给药药量的智能调控。

关键词：微电流；电脉冲；智能绷带；设计

中图分类号：TP311     文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2023）36-0009-04

开放科学（资源服务）标识码（OSID）

0 引言

传统医疗绷带只能进行简单的伤口包扎，无法很好地实时感知伤口状态和愈合情况等，给伤口处理带来很大不便。据市场调查了解，目前市面上很少有感知伤口状态和促进愈合情况的智能绷带，并且在现有市场类似产品中，在“EMS”微电流和电脉冲技术相关智能绷带这方面涉及较少。本文基于微电流和电脉冲，设计了一款智能绷带。利用智能化的数控设计实现全自动实时远程调控，同时颠覆性地创新了传统药物替换式敷药的给药方式，搭载的柔性电子材料可实现伤口自动化愈合，同时通过核心芯片的运转实现伤口创面美化功能。

1 设计原理

1.1 微电流模块设计原理

通过发送微弱的电流信号，刺激皮肤组织，促进皮肤细胞的代谢和修复，从而加速伤口愈合过程。微电流的刺激还可以减少疼痛感，加强细胞的修复和美化疤痕。微电流模块的设计需要考虑电流的强度、频率和波形等因素，以确保安全、舒适和有效的刺激效果。

1.2 电脉冲模块设计原理

通过产生电脉冲信号，刺激皮肤细胞，促进血液循环和细胞代谢，从而加速伤口愈合。与微电流模块不同，电脉冲的刺激信号更强，可以穿透更深的皮肤组织，达到更好的刺激效果。电脉冲模块的设计需要考虑脉冲的幅度、频率和波形等因素，以确保安全、舒适和有效的刺激效果。

1.3 给药模块设计原理

通过智能化的给药方式，实现给药的自动化和智能化，提高了给药的效率和安全性。给药模块的设计需要考虑药物的种类、浓度、给药方式等因素，以确保药物的有效性和安全性。同时，给药模块还需要与微电流和电脉冲模块进行配合，实现药物和电刺激的协同作用。

如图 1 所示，三个模块功能的实现可以有效地加速伤口愈合、减少疼痛感和感染风险、提高处理效率和舒适度等优点。

2 微电流模块设计

2.1 微电流医学原理

通过发送低频温和的电波，透过皮肤组织，导入到人体体内，直达真皮层，刺激人体的电磁场，促进ATP（ATP是腺嘌呤核苷三磷酸的简称，是一种不稳定的高能化合物，由1分子腺嘌呤，1分子核糖和3分子磷酸基团组成，水解时释放出大量能量，是生物体内最直接的能量来源）产生，从而促进胶原蛋白生成，对皮肤组织起到美容的作用，加强了细胞修复[3]。

2.2 微电流控制原理

通过脉冲宽度调制控制改变其可控电阻阻值大小，实现不同低频电流的输出。脉冲宽度调制（PWM）是一种模拟控制方式，其主要作用是根据对应载荷的变化来调制晶体管基极或MOS管栅极的偏置，从而实现晶体管或MOS管导通时间的改变，最终达到调控开关稳压电源输出的目的[2]。

如图 2所示，UBE0=UBE1+IE1Re，所以IC1≈IE1=（UBE0-UBE1）/Re，式中的UBE0-UBE1只有几十毫伏，所以只要几千欧的Re，就可以得到几十微安的IC1。

3 电脉冲模块设计

3.1 电脉冲医学原理

电脉冲治疗疾病的原理在于人体内含有不能导电的电介质和能够导电的电解质，使得人体同时具有电阻和电容的性质。当施加脉冲电流时，肌体会产生一系列生理化学反应，影响组织和器官的功能，从而提高新陈代谢速度、增强免疫能力、促进受损组织修复和再生。低频电流可以改变细胞的膜电位，使其兴奋并发生收缩；低频调制的中频电流可以促进粗纤维兴奋，抑制细纤维冲动的传导，具有良好的镇痛作用。高频电流治疗疾病时通过作用于机体组织产生的热效应和非热效应来实现[3]。同种电流在不同大小和使用方式下对人体的影响也不同。此外，不同组织和器官对电流的反应也有差异，不同的疾病状况对电流的反应也不相同。

3.2 脉冲控制原理

通过脉冲宽度调制控制改变其高低电平在同一周期中的占比，实现不同脉冲的输出。通过PWM调节，可以获得所需电脉冲。

如图3所示，通过控制CTL1和CTL2两者的不同电平来输出不同的电脉冲。

4 给药模块设计

4.1 给药结构设计

4.1.1 中控系统

中控系统整体处于绷带中层的U型PCB板上。中控系统包括中心数据分析处理器CPU、各类传感器、柔性电子电路。通过传感器采集伤口信息，柔性电子层电路传导，CPU进行数据分析，基于实验所得的伤口信息-最佳给药量关系，针对伤口实时信息控制击穿特制药盒的击穿电压和雾化装置的可编程电阻，从而控制药液流速；同时控制电脉冲部分的电流，实现智能化电脉冲疗法。

4.1.2 储药装置

储药装置位于绷带中层U型电路板中央，采用可替換直插式结构。药盒内部为单元结构，使用绝缘材料分隔，各单元装载基于实验所得的最佳单位药物承载量；与传感电路接触面可被特定电压击穿。使用时，通过处理器计算过的特定电压，击穿所需数量的单元，从而控制给药总量；药液通过特殊结构流向给药通道，实现药物传递（如图4所示）。

4.1.3 载药通道与敷面装置

载药通道位于U型电路板与药盒之间，采用疏水性材料制成，上方与药盒中的渠道结构终端相接，下层与内部接触层的敷料相接。药液通过通道进入下层缓释材料。缓释材料采用雾化装置配合可编程电阻构成。液体在通过网状结构时会受到阻力，此阻力与液体的速度成正比。基于此原理，通过控制可变电阻，控制雾化器的出雾量大小，进行药物缓释。与皮肤接触的敷料层采用水凝胶材料制成的载药敷面[6]。

4.2 材料应用

中控系统采用柔性U型PCB板，使用柔性FPC材料，实现元器件装配和导线连接的一体化。储药装置中特制药盒采用高可塑性环保材料；电路接触层采用电信号敏感材料。雾化装置组成主要包括雾化网片和压电陶瓷两部分。雾化片采用医用级Mesh微孔超声雾化片。压电陶瓷采用东方金荣公司所产压电陶瓷。可编程电阻AD5272，是一款msop 10管脚封装的芯片（如图5所示）。包括有工作电源、地线、与MCU连接的i2c接口，以及可变电阻的两端（A-W）。此外，还有一些辅助设置管脚。敷面装置采用人工合成的复合水凝胶材料。

5 外观设计

5.1 外观结构

本智能绷带主要包含以下8个部分：上外壳、PCB电路、下外壳、柔性电路、给药结构、击穿电极层、弹力带、防护结构（如图6所示）。

5.2 外观材料

外部防护层采用聚酯纤维材料。由有机二元酸与二元醇缩聚而成的聚酯经纺丝合成所得的高分子化合物，具有良好的抗皱性和保形性[8]。采用DWR涂层技术，利用纳米级涂层材料的微观结构，在纺织品表面形成一层致密薄膜，有效防止水、油、污垢等污染物渗透及灰尘、沙子等杂质附着。

6 实现

智能绷带主要分为两个部分：载体绷带＋智能芯片结构。整体外观上为嵌套式外形，便于产品进行局部替换，延长产品使用寿命，从而实现产品的多次循环使用。绷带由传感器、芯片、电池、导电纤维、PB分子和布料制成，易于制造和获取。使用大量柔性电子材料，具有可弯曲、可延展、轻薄、便捷且易于收纳携带的特点。绷带两侧是弹性可延伸布料，可根据病发部位调整长度。内侧附嵌两块魔力贴，对伤痛部位进行加固。智能绷带的立体示意图和侧面示意图如图7、图8所示。

智能芯片的结构主要包括三个部分：外部防护层（放置药品保护设备）+中间电路层（给电信号传输）+ 内部接触层（信号采集部位）。外部防护层主要采用聚酯纤维，用来隔绝外部物理因素对设备的影响，延长设备使用寿命；中间电路层采用柔性U型PCB板，用来放置主控芯片及各种元器件；内部接触层主要采用了水凝胶类敷料，防止体外微生物感染和体液散失，可传输氧气，促进伤口愈合，扩散给药以及放置传感器引脚并采集数据。外部防护层、中间电路层和内部接触层这三层之间存在一条水凝生物通道，方便药物从防护层沿生物通道直接抵达内部接触层，并与伤口产生药理反应；电路层传感器由相应数据采集引脚连通至内部接触层；智能芯片内部结构展示如图9所示。

以PIC16LF1936作为本产品的主控芯片；选用BS812A-1压力传感器芯片，主要用于检测伤口外部对伤口产生的压迫力，并由ADDA通道将所采集的信息传送给主控芯片；通过装载NCD4437S1芯片的心率血氧传感器，采集智能绷带穿戴人士的相关健康数据，便于患者更加清楚直观地了解自身的身体状况。采用“皮肤贴片”传感器，通过化学传感和血压检测对伤口愈合情况以及对人体健康信息进行更加仔细完善的采集处理；通信模块利用蓝牙通信方式，采用CC2640R2FRHBR蓝牙芯片；基于“EMS微电流”，通过发送低频温和的电波，透过皮肤组织，导入人体体内，直达真皮层，刺激人体的电磁场，促进ATP产生，从而促进胶原蛋白生成，对皮肤组织起到美容作用，加强细胞修复。基于“电脉冲疗法”，通过对皮肤实施短而强的电流刺激，增加血管通透性，帮助血管将白细胞和氧气输送到伤口，加快伤口愈合。同时，电流大小可根据局部伤口的发展状况动态化调节。智能给药系统通过传感器收集伤口数据，由主控芯片进行分析后，对雾化装置的可编程电阻进行调节控制电阻网络从而控制药液流速，对伤口进行给药。

7 结束语

本文基于微电流和电脉冲的设计并实现了一款智能绷带。通过刺激皮肤组织，促进胶原蛋白生成，加速伤口愈合，同时具有美容作用。该款智能绷带创新给药方式，实现给药药量的智能调控，降低伤口感染风险，有效延长产品的使用周期，具有智能化、自动化和便捷化的特点，具有较高的实际应用价值。

参考文献：

[1] 俞磊，张雨婷，熊倩倩，等.基于STC89C52单片机的智能家用料理机的设计与实现[J].佳木斯大学学报（自然科学版），2019，37（2）：202-205，210.

[2] 崔建国，宁永香.基于负阻特性的脉冲宽度调节电路[J].电子世界，2020（17）：172-173.

[3] 郝炳金.浅议电流对人体的作用及电疗方法[J].中国西部科技，2014，13（2）：91-92.

[4] 本刊綜合.智能电子绷带或可加快糖尿病伤口愈合[J].人人健康，2023（7）：17.

[5] 吴海燕.智能绷带，伤口报警器[J].养生保健指南：中老年健康， 2015（11）：7.

[6] 志原.澳大利亚发明防感染智能绷带[J].纺织装饰科技，2011（3）：26.

[7] 张梦然.智能绷带促伤口无痕修复[J].老同志之友（下半月），2023（3）：47.

[8] 蒋泽锋，刘颖.浅析草木染在不同面料上的运用[J].山东纺织经济，2019（9）：42-44.

【通联编辑：李雅琪】