基于靜脈曲張輔療功能的下肢智能穿戴鞋靴關鍵技術探討

王維君，李鑫，韓莉

（1.河北科技工程職業技術大學，河北 邢臺 054035；2.河北省服裝個性化定制技術創新中心，河北 邢臺 054035；3.南京際華五三零二服飾裝具有限責任公司，江蘇 南京 210031）

0 引言

我國一項在上海、安徽、山東的下肢靜脈曲張流行病統計結果顯示：15歲以上人群中患病率為9.26%，40歲以上人群中患病率為16.38%[1]。一些需要長時間站立的職業人群，如教師、紡織工、理發員、售貨員，交通警及軍人、重體力勞動者、肥胖者等人群都是靜脈曲張的高發群體，患者基數龐大，發病人群廣等特征。靜脈曲張襪是一種治療靜脈曲張類疾病的醫用治療器械，可用于治療或緩解慢性靜脈曲張、靜脈血流瘀滯、靜脈炎、妊娠期靜脈曲張、下肢腫脹等癥狀。當前靜脈曲張襪按照壓力等級可以分為保健型和治療型，級數越高，壓力越大，但壓力始終固定，不能滿足多條件下患者需求。

該論文基于靜脈曲張襪產品缺陷進行改進研究，擬通過一系列智能控制系統及相關機電技術設計一種可依據患者病情程度自行調節腿部及足部壓力的智能穿戴產品，以滿足患者在不同場合對足部、腿部壓力的要求，最大程度減輕患病時的苦楚。

1 國內外研究現狀及趨勢

1.1 國外研究現狀及趨勢

壓力醫療襪在預防和治療靜脈疾病方面的應用已經有100多年的歷史。20世紀初，國外就有學者開始對壓力襪的作用原理展開研究；20世紀70年代，開始出現了一些針對壓力襪的作用機制以及下肢健康關系的系統研究。

（1）壓力襪醫學應用研究。2010年，Maria等人通過對5名孩子在穿著壓力襪和鞋子后對兩腳背的周長進行對比，發現壓力襪可以控制淋巴水腫，但是不可治愈。2015年，Chacko C.J.等人通過研究血液向心臟回流原理，最終得到在促進腿部血液回流中壓力襪有作用。2006年，Partsch H.等人通過分別再人體和腿模上測試服裝壓力，首次提出實際人體上的壓力大小和分布應取代壓力等級作為醫療襪選擇的依據。2012年，Partsch H.提出不同生產商供應的產品，即使標注為同一壓力等級，不同人穿著形成的壓力分布是不同的，靜脈疾病的治療療效也不同。

（2）下肢智能穿戴研究。主要集中于負重及康復醫療的外骨骼設備研發方面。通過相關資料檢索發現，近幾年下肢穿戴類設備還有社交牛仔褲、衛星導航鞋等。社交牛仔褲是Replay推出的一款時尚的智能社交牛仔褲，支持藍牙功能，用戶可以打開藍牙，將牛仔褲與手機配對，當用戶需要即時通訊時，可以點擊褲子口袋上的小裝置，用戶可以在Facebook上分享個人的美好生活[2]。衛星導航鞋的腳后跟里安裝了一個全球定位系統，用戶使用時可以通過通用串行總線來設定目的地。鞋跟輕輕敲擊地面時鞋子會啟動、進入工作狀態，此時系統會點亮安裝在鞋尖上的節能發光二極管燈，一只鞋子提示此時所在位置與目的地的距離，另一只鞋子提示行走方向[3]。

1.2 國內研究現狀及趨勢

2014年李新陽以保健壓力襪工藝與壓力分布的研究為切入點，對輔助治療靜脈曲張的壓力襪原料的選擇、工藝的選用、不同部位不同工藝壓力的分析及測定，深入探討了醫療保健襪工藝設計方法與產品的服用性能；歐亞主要按照靜脈曲張襪尺碼和壓力等級進行試驗，研究送紗速度、針筒位置和壓針三角等工藝參數對襪子橫向尺寸或壓力影響上進行研究?？蓽p少廢品襪的數量、降低生產成本，提高效率。2018年，孫玉釵、趙燕敏、宮魯蜀等人進行的壓力襪穿著過程壓力分布規律研究，從患者穿著壓力襪的姿勢及腿型所產生的縱向壓力進行研究。通過對壓力襪進行穿著實驗，分析不同姿勢、不同腿型（正常腿、X型腿和O型腿）、運動過程中的受試者對測試部位壓力值的影響，得到相應的壓力分布規律，為壓力襪產品的開發和應用過程中的控制提供了參考值。2015年，郭美卿在《空氣壓力波聯合中藥外洗治療下肢深靜脈血栓形成后綜合征的臨床研究》提出具體實驗方法，通過空氣壓力波驗證輔助治療的可行性。

2020年，以張?，摰热藶橹鬟M行的面向下肢靜脈曲張患者的遠程監護可穿戴設備優化設計，基于傳統靜脈曲張襪的壓力分布原理，在原有基礎上引入織物傳感器、關鍵部位設置擰緊裝置、藍牙控制器、手機App軟件開發等實現對下肢靜脈曲張患者的遠程檢測及調控。

綜上所述，國內外研究趨勢中，國內對靜脈曲張的相關研究機構與比較固定，研究內容主要以材料、壓力分布、遠程監測為主。雖然近年來國內外對于智能穿戴或防護產品的研究越來越多，但是在不弱化鞋靴實用功能的基礎上還能引入智能系統的研究相對偏少，究其原因，對智能產品了解的研究者普遍缺乏鞋靴相關專業知識。因此，在保證鞋靴實用功能不弱化的基礎上還能起到智能輔療就顯得非常必要了。

2 下肢智能穿戴鞋靴產品構想

2.1 整體產品設計構想

在進行產品構想過程中，首先要確保功能的實現，同時要考慮到下肢活動較為平凡，因此，可穿戴設備應當具有使用方便穿戴舒適，價格便宜和低功耗的特點[5]，我們在設計時，依據上述情況，分別設計了甲方案、乙方案，如圖1。甲方案屬于腰部攜帶式，即將主要功能組件電池、氣泵、智能控制芯片等放置于腰部，為防止滑落，在腰部專門設計了可供調節的腰帶。通過線路及氣管實現對靴筒及鞋子內部的氣囊調節，通過氣囊向內產生的壓力而實現緩解靜脈曲張病發時的疼痛感。有關靴筒可變壓力調節技術分析可參閱早期發表論文靜脈曲張輔療產品的設計構想與實驗分析[4]中詳細描述，此處不再贅述。按照設計輕巧、穿戴方便、低功耗和長續航就成為可穿戴設備在選型和設計時的必要考量因素[5-6]。我們對產品進行改良設計后便得到乙方案。乙方案與甲方案相比，基本功能組件并未發生改變，只是將主要控制器所在部位由腰部改到了大腿部，同時為了實現輕巧的目的，將原本的明線及氣管部位，改到了靴筒材料內部，同時考慮到行走方便，將膝蓋部位進行單獨挖切處理，方便彎曲，同樣為了防止主控屏的滑落，在其上額外加裝能夠進行松緊調節的固定帶。通過模數扣進行松緊調節及固定。上半部分的靴筒材料計劃采用更為輕便、透氣的彈力面料。

圖1 產品構想方案

2.2 系統總體設計

如圖2，系統功能采用智能控制器芯片W801作為主控，此控制器具有藍牙、WIFI無線通信功能?？蛻艨梢酝ㄟ^藍牙協議將手機與控制系統連接，將控制信息發送到手機中，也可以將WIFI信息發送到控制器，使控制器連接無線網絡。

圖2 系統框圖

其中電池、智能控制器（w801）、PWM驅動、微型氣泵等集合放置于主控屏之內，壓力傳感器分置于鞋子對應的腿部、腳部關鍵部位。工作原理為智能控制器（w801）促使PWM驅動，從而帶動微型氣泵充氣，微型氣泵通過氣管對鞋子氣囊進行充氣，充氣后的鞋子對腿部產生壓力，抵消靜脈曲張所產生的壓力，從而減緩病痛，壓力的大小可通過壓力傳感器鏈接的智能控制器（w801）實施調節。

在系統中主要的執行部分是氣泵，采用的MZB3005T06微型氣泵，其結構設計中陶瓷為驅動源，通過陶瓷的超聲波振動而作為空氣泵工作。該氣泵主要參數見表1。

表1 氣泵參數

除泵功能外，它還具有被動式閥門功能，在正壓力下驅動停止時，排氣開始。在加壓時和排氣時的空氣流動路徑會發生變化，如圖3。

圖3 氣泵加壓排氣

2.3 軟件功能構想

如圖4，整個系統具有開機、工作、待機、關機四個狀態，開機狀態中程序將對系統進行初始化，設置系統的中斷，寄存器，檢測單片機與外圍設備的通信功能，確認各個部分工作正常。系統初始化之后，讀取系統參數，設置網絡或者藍牙系統。程序從手機或者平臺獲取設備的設置信息，讀取用戶的設置習慣以及設備工作狀態。

工作狀態，設備按照恒壓模式、分段模式、循環模式三種。恒壓模式：保證4個氣囊維持在40 Kpa，可以有效的維持靜脈壓迫。分段模式：單雙數氣囊循環充放氣，可以使得腿部放松，維護腿部血液循環。循環模式：將單個氣囊進行循環啟動，可以加速血液循環，幫助用戶改善血管。各種模式可以在平臺或者終端中進行設置，可以根據不同的場景進行自動切換，也可以通過時間進行自動切換?？梢员ＷC用戶穩定靜脈曲張的同時，也可以更好的促進恢復。

2.4 電路功能分析

2.4.1 電源部分

如圖5，充放電模塊采用IP5036主芯片，此芯片可以對電池進行充放電管理，可以邊充電邊放電。芯片采用5V電壓輸入，通過DC-DC電路，可以對電池進行充電，LED可以顯示電池電量以及充電狀態。按鍵可以通過短按和長按，查看LED的顯示狀態。電池通過VOUT輸出端口進行5V輸出。此模塊可以達到5V/2A輸入，以及5V/2A輸出。電池插座可以使用4.2V單節鋰離子電池，容量可以較大。此電池的選擇可以滿足一天的使用周期。

充氣泵需要10V電壓，項目中采用SX1308對5V電壓進行升壓。通過如下公式進行升壓。

默認VREF=0.6V，所以電路中，R14=47KΩ，R18=3KΩ，此時輸出電壓為10V，如圖6。

圖6 升壓電路

由于本系統具有模擬電源和數字電源的需求，所以采用了兩顆ASM1117-3.3線性穩壓芯片。此時對5V進行線性穩壓，V3D為數字電源輸出，V3C為模擬電源輸出。兩個電壓芯片輸出均是3.3V，如圖7。

圖7 穩壓芯片

2.4.2 串口通信

如圖8，本項目采用type-C接口，從電壓輸入5V，從自恢復保險F1之后，通過濾波電路，最終通過磁珠濾波之后，就可以輸出穩定的5V電壓。

圖8 USB接口

如圖9，從接口輸出的數字信號分別是D+與D-。數據信號直接傳輸到CH340E芯片，通過信號轉化通信協議將USB信號轉化為TTL串口信號。在這里分別使用RTS作為系統的復位信號，以及CTS作為系統的重啟信號，這兩個信號主要是幫助系統調試使用。RTS信號以及CTS信號是標準串口RS232的控制信號?？梢酝ㄟ^上位機進行編程實現引腳控制。

圖9 USB轉串口

2.4.3 射頻部分

如圖10，W801芯片集成度較高，在電路中，主要是實現射頻天線電路就可以實現藍牙與無線通信功能。J1是板載天線，天線可以通過2.4G無線信號。

圖10 射頻電路

2.4.4 氣泵控制電路

如圖11，氣泵采用DRV8870芯片進行控制。此芯片采用場效應管進行輸出。通過IN1與IN2輸入PWM信號，此信號采用26KHz進行控制。OUT1與OUT2進行輸出，采用10V高頻信號，使用控制信號輸出到氣泵，由于氣泵不分正負，只要有正確的頻率信號使得氣泵正常吸氣與排氣。

圖11 氣泵控制電路

2.4.5 主控部分

如圖12、13，主控部分采用40MHz時鐘，通過系統復位電路對系統進行重新復位。此處采用按鍵與自動復位方式進行電路復位。主控部分采用TTL串口，此串口部分既可以實現TTL電路通信，又可以實現編程下載。氣泵控制采用PB12到PB16進行PWM控制。電源部分都是采用3.3V數字與模擬電源。

圖12 主控模塊

圖13 時鐘與復位電路

如圖14，氣體傳感器采用GZP6816D傳感器，它的電源電壓：1.8V～3.6V，測量范圍0 kPa～100 kPa。內部信號處理器將壓力和溫度傳感器的輸出分別轉換為24位、16位數據。每個壓力傳感器已單獨校準并且包含校準系數，在應用中使用系數將測量結果轉換成真實的壓力和溫度值，傳感器測量和校準系數可通過串行I2C接口獲得。

圖14 氣壓傳感器

3 結語

任何產品的落地實施，在前期都需要經過反復推敲及驗證。隨著各行各業人工智能技術的不斷推進，傳統產品必將面臨智能化的更新換代，這就要求研究者面對產品具體問題時，要能夠不斷融入新的學科知識，來解決綜合性的問題，將產品不斷進行優化。雖然本研究已基于先行研究進行了升級，但是這還遠遠不夠。未來智能可穿戴設備的發展趨勢除了提高其功能性能外，還應該在價格、隱私保護以及續航時間上有所改變和提升。