基于静脉曲张辅疗功能的下肢智能穿戴鞋靴关键技术探讨

王维君，李鑫，韩莉

（1.河北科技工程职业技术大学，河北 邢台 054035；2.河北省服装个性化定制技术创新中心，河北 邢台 054035；3.南京际华五三零二服饰装具有限责任公司，江苏 南京 210031）

0 引言

我国一项在上海、安徽、山东的下肢静脉曲张流行病统计结果显示：15岁以上人群中患病率为9.26%，40岁以上人群中患病率为16.38%[1]。一些需要长时间站立的职业人群，如教师、纺织工、理发员、售货员，交通警及军人、重体力劳动者、肥胖者等人群都是静脉曲张的高发群体，患者基数庞大，发病人群广等特征。静脉曲张袜是一种治疗静脉曲张类疾病的医用治疗器械，可用于治疗或缓解慢性静脉曲张、静脉血流瘀滞、静脉炎、妊娠期静脉曲张、下肢肿胀等症状。当前静脉曲张袜按照压力等级可以分为保健型和治疗型，级数越高，压力越大，但压力始终固定，不能满足多条件下患者需求。

该论文基于静脉曲张袜产品缺陷进行改进研究，拟通过一系列智能控制系统及相关机电技术设计一种可依据患者病情程度自行调节腿部及足部压力的智能穿戴产品，以满足患者在不同场合对足部、腿部压力的要求，最大程度减轻患病时的苦楚。

1 国内外研究现状及趋势

1.1 国外研究现状及趋势

压力医疗袜在预防和治疗静脉疾病方面的应用已经有100多年的历史。20世纪初，国外就有学者开始对压力袜的作用原理展开研究；20世纪70年代，开始出现了一些针对压力袜的作用机制以及下肢健康关系的系统研究。

（1）压力袜医学应用研究。2010年，Maria等人通过对5名孩子在穿着压力袜和鞋子后对两脚背的周长进行对比，发现压力袜可以控制淋巴水肿，但是不可治愈。2015年，Chacko C.J.等人通过研究血液向心脏回流原理，最终得到在促进腿部血液回流中压力袜有作用。2006年，Partsch H.等人通过分别再人体和腿模上测试服装压力，首次提出实际人体上的压力大小和分布应取代压力等级作为医疗袜选择的依据。2012年，Partsch H.提出不同生产商供应的产品，即使标注为同一压力等级，不同人穿着形成的压力分布是不同的，静脉疾病的治疗疗效也不同。

（2）下肢智能穿戴研究。主要集中于负重及康复医疗的外骨骼设备研发方面。通过相关资料检索发现，近几年下肢穿戴类设备还有社交牛仔裤、卫星导航鞋等。社交牛仔裤是Replay推出的一款时尚的智能社交牛仔裤，支持蓝牙功能，用户可以打开蓝牙，将牛仔裤与手机配对，当用户需要即时通讯时，可以点击裤子口袋上的小装置，用户可以在Facebook上分享个人的美好生活[2]。卫星导航鞋的脚后跟里安装了一个全球定位系统，用户使用时可以通过通用串行总线来设定目的地。鞋跟轻轻敲击地面时鞋子会启动、进入工作状态，此时系统会点亮安装在鞋尖上的节能发光二极管灯，一只鞋子提示此时所在位置与目的地的距离，另一只鞋子提示行走方向[3]。

1.2 国内研究现状及趋势

2014年李新阳以保健压力袜工艺与压力分布的研究为切入点，对辅助治疗静脉曲张的压力袜原料的选择、工艺的选用、不同部位不同工艺压力的分析及测定，深入探讨了医疗保健袜工艺设计方法与产品的服用性能；欧亚主要按照静脉曲张袜尺码和压力等级进行试验，研究送纱速度、针筒位置和压针三角等工艺参数对袜子横向尺寸或压力影响上进行研究。可减少废品袜的数量、降低生产成本，提高效率。2018年，孙玉钗、赵燕敏、宫鲁蜀等人进行的压力袜穿着过程压力分布规律研究，从患者穿着压力袜的姿势及腿型所产生的纵向压力进行研究。通过对压力袜进行穿着实验，分析不同姿势、不同腿型（正常腿、X型腿和O型腿）、运动过程中的受试者对测试部位压力值的影响，得到相应的压力分布规律，为压力袜产品的开发和应用过程中的控制提供了参考值。2015年，郭美卿在《空气压力波联合中药外洗治疗下肢深静脉血栓形成后综合征的临床研究》提出具体实验方法，通过空气压力波验证辅助治疗的可行性。

2020年，以张希莹等人为主进行的面向下肢静脉曲张患者的远程监护可穿戴设备优化设计，基于传统静脉曲张袜的压力分布原理，在原有基础上引入织物传感器、关键部位设置拧紧装置、蓝牙控制器、手机App软件开发等实现对下肢静脉曲张患者的远程检测及调控。

综上所述，国内外研究趋势中，国内对静脉曲张的相关研究机构与比较固定，研究内容主要以材料、压力分布、远程监测为主。虽然近年来国内外对于智能穿戴或防护产品的研究越来越多，但是在不弱化鞋靴实用功能的基础上还能引入智能系统的研究相对偏少，究其原因，对智能产品了解的研究者普遍缺乏鞋靴相关专业知识。因此，在保证鞋靴实用功能不弱化的基础上还能起到智能辅疗就显得非常必要了。

2 下肢智能穿戴鞋靴产品构想

2.1 整体产品设计构想

在进行产品构想过程中，首先要确保功能的实现，同时要考虑到下肢活动较为平凡，因此，可穿戴设备应当具有使用方便穿戴舒适，价格便宜和低功耗的特点[5]，我们在设计时，依据上述情况，分别设计了甲方案、乙方案，如图1。甲方案属于腰部携带式，即将主要功能组件电池、气泵、智能控制芯片等放置于腰部，为防止滑落，在腰部专门设计了可供调节的腰带。通过线路及气管实现对靴筒及鞋子内部的气囊调节，通过气囊向内产生的压力而实现缓解静脉曲张病发时的疼痛感。有关靴筒可变压力调节技术分析可参阅早期发表论文静脉曲张辅疗产品的设计构想与实验分析[4]中详细描述，此处不再赘述。按照设计轻巧、穿戴方便、低功耗和长续航就成为可穿戴设备在选型和设计时的必要考量因素[5-6]。我们对产品进行改良设计后便得到乙方案。乙方案与甲方案相比，基本功能组件并未发生改变，只是将主要控制器所在部位由腰部改到了大腿部，同时为了实现轻巧的目的，将原本的明线及气管部位，改到了靴筒材料内部，同时考虑到行走方便，将膝盖部位进行单独挖切处理，方便弯曲，同样为了防止主控屏的滑落，在其上额外加装能够进行松紧调节的固定带。通过模数扣进行松紧调节及固定。上半部分的靴筒材料计划采用更为轻便、透气的弹力面料。

图1 产品构想方案

2.2 系统总体设计

如图2，系统功能采用智能控制器芯片W801作为主控，此控制器具有蓝牙、WIFI无线通信功能。客户可以通过蓝牙协议将手机与控制系统连接，将控制信息发送到手机中，也可以将WIFI信息发送到控制器，使控制器连接无线网络。

图2 系统框图

其中电池、智能控制器（w801）、PWM驱动、微型气泵等集合放置于主控屏之内，压力传感器分置于鞋子对应的腿部、脚部关键部位。工作原理为智能控制器（w801）促使PWM驱动，从而带动微型气泵充气，微型气泵通过气管对鞋子气囊进行充气，充气后的鞋子对腿部产生压力，抵消静脉曲张所产生的压力，从而减缓病痛，压力的大小可通过压力传感器链接的智能控制器（w801）实施调节。

在系统中主要的执行部分是气泵，采用的MZB3005T06微型气泵，其结构设计中陶瓷为驱动源，通过陶瓷的超声波振动而作为空气泵工作。该气泵主要参数见表1。

表1 气泵参数

除泵功能外，它还具有被动式阀门功能，在正压力下驱动停止时，排气开始。在加压时和排气时的空气流动路径会发生变化，如图3。

图3 气泵加压排气

2.3 软件功能构想

如图4，整个系统具有开机、工作、待机、关机四个状态，开机状态中程序将对系统进行初始化，设置系统的中断，寄存器，检测单片机与外围设备的通信功能，确认各个部分工作正常。系统初始化之后，读取系统参数，设置网络或者蓝牙系统。程序从手机或者平台获取设备的设置信息，读取用户的设置习惯以及设备工作状态。

工作状态，设备按照恒压模式、分段模式、循环模式三种。恒压模式：保证4个气囊维持在40 Kpa，可以有效的维持静脉压迫。分段模式：单双数气囊循环充放气，可以使得腿部放松，维护腿部血液循环。循环模式：将单个气囊进行循环启动，可以加速血液循环，帮助用户改善血管。各种模式可以在平台或者终端中进行设置，可以根据不同的场景进行自动切换，也可以通过时间进行自动切换。可以保证用户稳定静脉曲张的同时，也可以更好的促进恢复。

2.4 电路功能分析

2.4.1 电源部分

如图5，充放电模块采用IP5036主芯片，此芯片可以对电池进行充放电管理，可以边充电边放电。芯片采用5V电压输入，通过DC-DC电路，可以对电池进行充电，LED可以显示电池电量以及充电状态。按键可以通过短按和长按，查看LED的显示状态。电池通过VOUT输出端口进行5V输出。此模块可以达到5V/2A输入，以及5V/2A输出。电池插座可以使用4.2V单节锂离子电池，容量可以较大。此电池的选择可以满足一天的使用周期。

充气泵需要10V电压，项目中采用SX1308对5V电压进行升压。通过如下公式进行升压。

默认VREF=0.6V，所以电路中，R14=47KΩ，R18=3KΩ，此时输出电压为10V，如图6。

图6 升压电路

由于本系统具有模拟电源和数字电源的需求，所以采用了两颗ASM1117-3.3线性稳压芯片。此时对5V进行线性稳压，V3D为数字电源输出，V3C为模拟电源输出。两个电压芯片输出均是3.3V，如图7。

图7 稳压芯片

2.4.2 串口通信

如图8，本项目采用type-C接口，从电压输入5V，从自恢复保险F1之后，通过滤波电路，最终通过磁珠滤波之后，就可以输出稳定的5V电压。

图8 USB接口

如图9，从接口输出的数字信号分别是D+与D-。数据信号直接传输到CH340E芯片，通过信号转化通信协议将USB信号转化为TTL串口信号。在这里分别使用RTS作为系统的复位信号，以及CTS作为系统的重启信号，这两个信号主要是帮助系统调试使用。RTS信号以及CTS信号是标准串口RS232的控制信号。可以通过上位机进行编程实现引脚控制。

图9 USB转串口

2.4.3 射频部分

如图10，W801芯片集成度较高，在电路中，主要是实现射频天线电路就可以实现蓝牙与无线通信功能。J1是板载天线，天线可以通过2.4G无线信号。

图10 射频电路

2.4.4 气泵控制电路

如图11，气泵采用DRV8870芯片进行控制。此芯片采用场效应管进行输出。通过IN1与IN2输入PWM信号，此信号采用26KHz进行控制。OUT1与OUT2进行输出，采用10V高频信号，使用控制信号输出到气泵，由于气泵不分正负，只要有正确的频率信号使得气泵正常吸气与排气。

图11 气泵控制电路

2.4.5 主控部分

如图12、13，主控部分采用40MHz时钟，通过系统复位电路对系统进行重新复位。此处采用按键与自动复位方式进行电路复位。主控部分采用TTL串口，此串口部分既可以实现TTL电路通信，又可以实现编程下载。气泵控制采用PB12到PB16进行PWM控制。电源部分都是采用3.3V数字与模拟电源。

图12 主控模块

图13 时钟与复位电路

如图14，气体传感器采用GZP6816D传感器，它的电源电压：1.8V～3.6V，测量范围0 kPa～100 kPa。内部信号处理器将压力和温度传感器的输出分别转换为24位、16位数据。每个压力传感器已单独校准并且包含校准系数，在应用中使用系数将测量结果转换成真实的压力和温度值，传感器测量和校准系数可通过串行I2C接口获得。

图14 气压传感器

3 结语

任何产品的落地实施，在前期都需要经过反复推敲及验证。随着各行各业人工智能技术的不断推进，传统产品必将面临智能化的更新换代，这就要求研究者面对产品具体问题时，要能够不断融入新的学科知识，来解决综合性的问题，将产品不断进行优化。虽然本研究已基于先行研究进行了升级，但是这还远远不够。未来智能可穿戴设备的发展趋势除了提高其功能性能外，还应该在价格、隐私保护以及续航时间上有所改变和提升。