可穿戴式创伤光子治疗装置的研制

张凯，陈林凯，柯天立，麦毅源，Lothar Lilge，曾怀萱，何泽月

1.北京理工大学珠海学院 光电成像技术与系统教育部重点实验室，广东 珠海 519088；2.University Health Network/University of Toronto，加拿大 多伦多 M5G1L7

引言

利用可穿戴式创伤光子治疗装置可以随时随地治疗各种创伤，是医疗仪器的一项创新。微电子技术的高速发展也为该技术的开发提供了必要的条件[1-3]。这类装置的大众化可以很好地提高人们的生活质量，具有重大意义。自21世纪以来，人们的生活水平不断提高，国家也越来越重视体育文化建设。因此人们对于运动越来越重视并积极参与其中，但是有些剧烈运动难免会对人造成意外而受伤，例如跑步摔倒擦伤，打篮球扭伤脚是司空见惯的事。再如病人所需要的手术，都会对皮肤细胞造成不同程度创伤。由此可见，对于创伤治疗显得异常重要[4-8]。目前国内关于创伤治疗的常用方法是药物外用和内服两种传统方法，其中外用药物以敷为主，伤者需要随身携带药物或到药品存放处取用，且伤口恢复周期长。而内服药物中成分复杂，尽管使用普遍且效果明显，但针对性不强，有的对人体其他组织器官会产生一定的副作用，若长期使用甚至会造成潜在威胁[9-10]。目前现有技术均为大型台式结构或落地式结构，体积较大，重量较重，不便于随身使用[11]。且不是所有的医院都有，需要专门的治疗空间和工具，操作步骤繁琐，不能满足大众自我治疗的需求，因此开发一种新型有效的人体创伤治疗装置是非常必要的。

陈志勇等[12]使用的是低能量红光对人表皮细胞株等进行刺激，对人皮肤有一系列良性反应，因此可将其用于人体皮肤一般伤口进行辅助治疗。车明海等[13]使用的是蓝红光结合对创伤性伤口进行治疗，由于蓝红光一起照射时会相互影响，其效果并不能达到一加一大于等于二，因此本研究将红光与蓝光分离，舍去蓝光而保留红光治疗皮肤创伤。张瑾等[14]介绍了真皮与创面再生或瘢痕愈合的关系，通过红光照射可以促进创面再生和瘢痕愈合，达到美容的效果而没有副作用。王海涛等[15]介绍了皮肤创伤愈合的一般生理机制，红光照射起到的作用是刺激皮肤创伤愈合的生理机制，使伤口更快愈合。康春福等[16]深入介绍了缺氧诱导因子对创伤愈合的影响，为本研究的使用方法提供了很好的方向。

本研究所描述的创伤治疗系统从治疗的角度出发，针对上述所提到的各种问题，提供了一种可穿戴式的解决方案。该装置由可充电锂电池供电，非常便携。该装置的技术采用红光LED阵列与微处理器结合，能在短时间内促使病变组织蛋白质固化，改善局部血液循环，增强免疫功能，促进局部组织的新陈代谢并产生一系列良性反应，促使新的鳞状上皮细胞生成，加速对渗出物的吸收，减弱肌张力，从而达到消肿，消炎，镇痛，根除糜烂组织，加速伤口愈合以致去病的目的。病人可根据自身创伤程度来设定红光LED照射时间。本装置制作在柔性电路板上，可佩戴于人体不同部位。本治疗装置由STM32芯片控制，并采用低功耗的OLED作为系统的显示界面。

1 系统设计

本创伤治疗系统的结构组成，见图1。单片计算机：采用STM32单片机，对不断输出的红光LED进行强度与时间的控制；可充电锂电池：3.7 V聚合物锂电池，90 mAh；充电管理电路：采用TP4056芯片，具有保护电路功能，可为锂电池充电；OLED显示屏：显示红光LED照射强度与时间等信息；LED驱动电路：恒流电源，保证LED发光强度恒定；红光LED：波长为650 nm左右，刺激皮肤胶原蛋白再生，促进新陈代谢，加速伤口愈合；蜂鸣器：当设定的照射时间结束时自动报警提醒；按键：手动按键，通过按键控制红外阵列照射时间。

图1 创伤治疗系统框图

整个系统由可充电电池供电，电压不高于5 V，因此对于人体是绝对安全的。各个组成电路的原理图，见图2。

其中，红光LED阵列用恒流源驱动，以保证LED的发光功率稳定输出。并且，红光LED阵列使用柔性电路板制作，易于弯曲，适用于各个部位照射，见图3。定时设置可通过按键设置并显示在OLED显示屏上，按下确定键后，OLED显示屏开始计时，每过一秒LED指示灯就闪烁一次，同时STM32单片机控制恒流源驱动红光LED阵列开始发光，当设定时间一到，红光LED阵列停止照射，同时启动声音报警。整个治疗装置，见图4。

图2 创伤治疗系统各个组成电路原理图

图3 柔性LED电路板

图4 实物图

2 结果及讨论

整个系统设计完成后，装配在一片30 mm×30 mm的双面印刷电路板上，并配用3D打印技术完成的柔性机壳。红光LED阵列照射功率检测准确性的标定，采用美国Newport公司生产的843-R型激光功率计测量，该功率计是根据美国国家标准局的要求标定的。由于该创伤装置主要是用来治疗伤口的，因此使用创可贴及纱布等作为阻碍物。经实验测得，红光LED阵列在无任何阻碍物及有阻碍物照射时的光功率，见表1～2。

表1 红光LED阵列透过不同创可贴后的光功率读数

表2 红光LED阵列在透过不同层数的白纱布后的光功率读数

根据表1，经过实测，光衰弱最高的云南白药创可贴光密度值为1.067 ，对应的光功率为9 mW/cm²。因此，即使在伤口处有包扎或使用创口贴等情况下，该创伤光子治疗装置依然有效。云南白药创可贴与邦迪苯扎氯铵贴是含有药物的加厚创可贴，由于创可贴本身阻碍作用再加上药物吸收部分红光或产生漫反射导致光功率衰弱较大，因此在使用本装置的情况下建议使用普通创可贴疗效更佳，或适当延长红光LED阵列照射时间即可。根据表2可知，光功率是随纱布层数增加而递减的，一般而言病人是根据不同伤口程度进行不同层数包扎的，包扎层数过多对创伤部位的伤口愈合不利，一般不超过6层，该层数依然比一般创可贴效果要好，因为纱布有许多小孔，有助于更多的红光照射到伤口。另外，即使在光功率最强的情形下，也没有超过国际激光安全标准IEC60825-1-2007所规定的皮肤表面照射功率密度200 mW/cm²的阈值。每次的光照时间是用户可调节的，就是说当使用的纱布层数少而透过的光功率密度较大时，可以适当减小照射时间。

关于本光子治疗装置的功能，本系统采用红光LED阵列，产生红光波段，其光生物作用主要是光化学作用。由于红光的刺激可以使纤维细胞数目增加，增加胶元蛋白的形成，故可以加强细胞的新生，并可以促进肉芽组织生长，增强细胞的新陈代谢，促进细胞合成，从而加速伤口愈合。对于手术后伤口愈合也有很好的促进作用。

3 结语

针对体表创伤这个巨大的应用空间，本文所描述的可穿戴式创伤光子治疗装置，利用了光子对组织的消炎、止痛、促进伤口愈合的作用，与现有的大型红光治疗仪器相比，具有便携、灵活、可随时随地使用等明显优点。所采用的红光LED阵列可配合创可贴或其他伤口敷料使用，可用于使用者身体表面的任意部位而无任何负面影响。而且也适合于在战场上对伤员的包扎处理。

近年来LED生产工艺有了很多改进，柔性电路板的价格也在逐渐下降，下一步的工作可以研究采用柔性的OLED发光体取代表面贴片式的刚性LED芯片，在发光驱动模式方面，可以研究脉冲式方式，通过提高峰值光辐射功率来加大光子穿透深度，从而提高伤口愈合速度。随着现代半导体技术的发展，预计这项技术将会很快普及，造福人类。

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