王瑞,王蕊,孫信虎,陳德旗*

(1.徐州市中心醫(yī)院骨外科,江蘇 徐州 221009;2.徐州醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院麻醉科,江蘇 徐州 221006;3.江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 無(wú)錫 214000)

急性骨筋膜室綜合征(acute compartment syndrome,ACS)及深靜脈血栓(deep venous thrombosis,DVT)是創(chuàng)傷外科常見的急癥,其早期診斷和持續(xù)監(jiān)測(cè)是臨床工作中的難題。ACS常因血腫和組織水腫使室間隔內(nèi)容物體積增加或因外包扎過(guò)緊使室間隔容量減小,導(dǎo)致骨筋膜室內(nèi)壓升高,多發(fā)生于前臂及小腿,也會(huì)發(fā)生于手、腳和臀部[1]。主要是由骨折或擠壓傷導(dǎo)致的組織嚴(yán)重?fù)p傷引起,也可由輕微的損傷或醫(yī)源性損傷引起,其他原因如橫紋肌溶解、血管損傷也可導(dǎo)致ACS[2-3]。ACS病情發(fā)展迅速,4 h即發(fā)生肌肉壞死,12 h就可導(dǎo)致神經(jīng)不可逆性損傷[4]。如不及時(shí)處理會(huì)導(dǎo)致組織缺血壞死、肢體殘疾甚至威脅生命[5],一經(jīng)確診需要立刻切開減壓[6]。

患肢腫脹作為ACS及下肢DVT的首發(fā)體征[7-8],對(duì)疾病的預(yù)警及早期診斷有重要意義,如果可以通過(guò)對(duì)腫脹的簡(jiǎn)單監(jiān)測(cè)預(yù)防疾病的發(fā)生將對(duì)疾病的診斷有巨大幫助。傳統(tǒng)測(cè)量腫脹的方法是于患肢某一固定平面做標(biāo)記后用簡(jiǎn)單的測(cè)量工具如皮尺或棉線測(cè)量(見圖1a),這種測(cè)量方法存在操作誤差大、無(wú)法持續(xù)監(jiān)測(cè)、頻繁測(cè)量會(huì)引起醫(yī)患情緒過(guò)度緊張等問(wèn)題。因此實(shí)際臨床工作中常用皮膚顏色、患肢硬度、有無(wú)皮紋等指標(biāo)間接反映腫脹程度,很少進(jìn)行患肢周徑的精確測(cè)量,傳統(tǒng)診斷標(biāo)準(zhǔn)亦并未將腫脹率納入?yún)⒖贾笜?biāo)。柔性傳感器是采用柔性材料制成的傳感器,具有良好的柔韌性、延展性,可以自由彎曲甚至折疊。柔性傳感器相較于傳統(tǒng)傳感器具有高靈活性和可伸縮性的特點(diǎn),其部件重量輕、成本低、可彎曲,而且可以符合不同三維物體表面形態(tài)[9-12],因此廣泛應(yīng)用于可穿戴領(lǐng)域的電子設(shè)備、電子皮膚、軟機(jī)器人、智能家居以及醫(yī)學(xué)診斷[13-15]等。本文即介紹應(yīng)用同軸打印技術(shù)制作的個(gè)性化柔性傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)肢體周徑,為ACS及下肢DVT早期的診斷及病情發(fā)展的監(jiān)測(cè)提供不同于傳統(tǒng)診斷的新思路。

a 傳統(tǒng)腫脹測(cè)量法評(píng)估右下肢DVT患者的肢體腫脹程度 b 柔性傳感器制作流程圖

c 柔性傳感器外觀圖

d 電路模塊設(shè)計(jì)圖圖1 柔性傳感器的制作

1 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)分為柔性傳感器的制作和應(yīng)用測(cè)試兩個(gè)部分。制作部分包括可穿戴式傳感器的制作及性能測(cè)試、輸出設(shè)備的制作及可信度驗(yàn)證;應(yīng)用部分包括模擬肢體膨脹監(jiān)測(cè)及正常人上肢肌肉收縮引起的臂圍變化監(jiān)測(cè)。

1.1 柔性傳感器制作及測(cè)試 柔性傳感器由江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院設(shè)計(jì)并制作。本實(shí)驗(yàn)電纜采用高純度鎵銦合金(重量比:75.5%鎵,24.5%銦)作為電纜內(nèi)芯[16],聚二甲基硅氧烷(SE1700,Dow Corning Inc.)材料作為電纜外殼,以硅片作為打印基板,中國(guó)北京泰諾華科技有限公司生產(chǎn)的不銹鋼同軸噴嘴作為書寫頭,于3D打印機(jī)打印制作,制作過(guò)程參照Yan等[17]文章介紹。制作完成的電纜兩端插入導(dǎo)線并于接頭處固定,保護(hù)硅膠采用Ecoflex 00-20(Smooth-On Inc.America),按重量比1∶1混合Part A和Part B,倒入設(shè)計(jì)好的模具中,將電纜埋入其中一同固化。模具共有0.35 cm、0.7 cm、1.0 cm三種厚度,為比較硅膠條厚度與電阻變化關(guān)系,三種厚度分別制作柔性傳感器。固化完成后以不可伸縮的尼龍材料固定兩端,固定點(diǎn)超出電纜接頭處以保護(hù)接頭,完成柔性傳感器制作,流程示意圖見圖1b。

1.2 輸出顯示及報(bào)警裝置的制作及測(cè)試 本設(shè)計(jì)根據(jù)比例法電阻測(cè)量原理,以STC89C52單片機(jī)作為主控芯片,由時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、電源模塊、液晶顯示模塊、按鍵模塊、電阻測(cè)量模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog-to-digital converter,ADC)模塊、發(fā)光二極管(light emitting diode,LED)模塊組成。單片機(jī)上電自動(dòng)復(fù)位,電阻測(cè)量模塊工作原理是由10 Ω標(biāo)準(zhǔn)電阻和3路待測(cè)電阻在6 V的恒壓電源下分壓,然后由ADC 0809將采集的3路待測(cè)電阻兩端電壓值模擬量轉(zhuǎn)化得到數(shù)字量,傳遞給單片機(jī),最后將結(jié)果按函數(shù)關(guān)系計(jì)算出對(duì)應(yīng)電阻值并輸出到LCD 1602液晶屏依次顯示,達(dá)到設(shè)定的閾值時(shí),LED燈亮報(bào)警。輸出裝置制作完畢后,分別外接5 Ω和10 Ω固定電阻,重復(fù)3次,觀察顯示屏顯示數(shù)字及LED燈顯示情況判斷輸出顯示和報(bào)警裝置是否制作成功。

閾值報(bào)警的設(shè)計(jì)旨在減輕臨床護(hù)理工作的工作量,對(duì)有危險(xiǎn)因素的病例設(shè)置危險(xiǎn)值報(bào)警可在第一時(shí)間監(jiān)測(cè)到疾病的發(fā)生并采取相關(guān)治療措施,將疾病的危害降至最低,不同個(gè)體危險(xiǎn)值變化規(guī)律還需大量臨床實(shí)驗(yàn)總結(jié),下文暫定10 Ω(拉伸度約為25%)為報(bào)警閾值進(jìn)行相關(guān)測(cè)試。

1.3 柔性傳感器性能測(cè)試

1.3.1 拉伸度-電阻變化測(cè)定 將制作完成的三組柔性傳感器固定于拉力機(jī)上,以固定速度延長(zhǎng)拉伸度,拉伸度由0%變化至200%,觀察拉伸度-電阻變化關(guān)系。將單個(gè)傳感器重復(fù)1 000次測(cè)量,每組使用3個(gè)以上傳感器進(jìn)行重復(fù)驗(yàn)證,觀察柔性傳感器的數(shù)據(jù)可靠性及材料耐久性。

1.3.2 拉伸度-LED顯示電阻變化測(cè)定 將制作完成的柔性傳感器與輸出顯示和報(bào)警裝置相連接,將柔性傳感器置于拉力機(jī)上勻速拉伸,拉伸度由0%變化至200%,觀察拉伸度與電阻顯示數(shù)值變化關(guān)系,并比較前一部分中拉伸度-電阻變化關(guān)系曲線,觀察電阻測(cè)量數(shù)據(jù)可信度。

1.3.3 報(bào)警模塊可信度測(cè)定 設(shè)置10 Ω為報(bào)警閾值,將顯示器與傳感器連接,于拉力機(jī)緩慢拉伸材料,拉伸度由0%變化至200%,重復(fù)多次觸發(fā)報(bào)警時(shí)的拉伸度數(shù)值及電阻顯示數(shù)值,驗(yàn)證LED報(bào)警模塊可信度。

1.4 氣球膨脹模擬肢體膨脹監(jiān)測(cè) 本設(shè)計(jì)尚未應(yīng)用于臨床病例,故選擇替代物模擬肢體腫脹進(jìn)行試驗(yàn)。因氣球充放氣簡(jiǎn)單快捷,且長(zhǎng)條形的氣球的圓柱體外形與肢體相似,故實(shí)驗(yàn)選擇長(zhǎng)條形氣球模擬四肢膨脹進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。將氣球充氣以獲得適當(dāng)?shù)某跏寂蛎浡?符合傳感器尺寸且有足夠的后續(xù)膨脹空間),將傳感器貼合初始弧度固定于氣球表面,設(shè)置10 Ω為報(bào)警閾值,緩慢充氣使氣球膨脹,直至超過(guò)報(bào)警值,重復(fù)3次,觀察記錄顯示器讀數(shù)變化及觸發(fā)報(bào)警時(shí)的拉伸度。

1.5 肢體運(yùn)動(dòng)膨脹率測(cè)量 在受試者前臂完全放松時(shí),將傳感器于實(shí)驗(yàn)者肘關(guān)節(jié)下方約4.0 cm處固定,使傳感器有輕微的初始拉力,隨后先后進(jìn)行握拳、屈肘活動(dòng)依次使上臂屈指、屈腕、屈肘肌群收縮,從而引起前臂周徑變化,記錄傳感器讀數(shù);同樣在上臂完全放松(肘關(guān)節(jié)微屈)時(shí)將傳感器固定于腋窩下方4.0 cm處,給予傳感器輕微的初始拉力,隨后肘關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)至完全伸直位再緩慢屈曲引起上臂伸、屈肘肌群先后收縮,從而引起上臂臂圍變化,記錄傳感器讀數(shù),參照電纜拉伸度-電阻變化曲線繪制運(yùn)動(dòng)過(guò)程中傳感器電阻及拉伸度變化曲線。

2 結(jié) 果

2.1 傳感器和報(bào)警裝置的制作 制作完成的電纜內(nèi)徑0.4 mm,外徑1.3 mm,長(zhǎng)度5.0 cm,管徑粗細(xì)均勻。傳感器長(zhǎng)7.0 cm,寬3.5 cm,電纜平行于保護(hù)硅膠長(zhǎng)軸且相互平行,無(wú)明顯彎曲,有效拉伸區(qū)域長(zhǎng)4.0 cm(見圖1c)。電路設(shè)計(jì)見圖1d,根據(jù)電阻串聯(lián)分壓原理[UOUT=U0(R1x)/(R00+R1x)]可測(cè)得目標(biāo)電阻。傳感器量程0～99.9 Ω,通過(guò)5.0 Ω和10.0 Ω固定電阻測(cè)定傳感器準(zhǔn)確度良好(見表1)。

表1 報(bào)警裝置準(zhǔn)確度測(cè)試結(jié)果

2.2 柔性傳感器性能測(cè)試 拉伸度-電阻變化曲線平穩(wěn),變化率隨拉伸度增加緩慢上升,不同傳感器間測(cè)量值略有差異,同一傳感器重復(fù)1 000次測(cè)量結(jié)果相似。硅膠材料拉力值隨拉伸度升高而升高,一定范圍內(nèi)變化趨勢(shì)接近線性,曲線斜率隨著保護(hù)硅膠厚度增加而增加(見圖2)。結(jié)果顯示該傳感器可信度較高,重復(fù)性好,拉伸張力可通過(guò)保護(hù)硅膠厚度調(diào)節(jié)。另外,因?yàn)閭鞲衅麟娮柚蹬c拉伸度變化相關(guān),所以縮短可拉伸區(qū)域長(zhǎng)度可增加傳感器的靈敏度。

a 傳感器拉伸度-電阻變化曲線 b 傳感器拉伸度-電阻變化率曲線

c 單個(gè)傳感器重復(fù)1 000次拉伸電阻變化率曲線 d 不同厚度保護(hù)硅膠拉力-長(zhǎng)度變化曲線圖2 柔性傳感器性能及準(zhǔn)確率評(píng)估

為進(jìn)一步測(cè)定傳感器的測(cè)量值可信度及重復(fù)測(cè)量時(shí)是否導(dǎo)致?lián)p耗及誤差,將輸出設(shè)備連接電纜后于拉力機(jī)測(cè)量拉伸度-電阻輸出值變化關(guān)系,輸出值與前文拉伸度-電阻曲線變化關(guān)系基本一致。將傳感器進(jìn)行拉伸,觸發(fā)報(bào)警時(shí)記錄當(dāng)時(shí)的拉伸度(%),10 Ω報(bào)警閾值下,重復(fù)100次試驗(yàn)觸發(fā)報(bào)警,各次觸發(fā)報(bào)警的拉伸度均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(n=3,P>0.05,見圖3)。結(jié)果顯示輸出設(shè)備測(cè)量值可信,可實(shí)現(xiàn)精確報(bào)警。

圖3 觸發(fā)報(bào)警時(shí)的拉伸度作

2.3 氣球模擬肢體腫脹實(shí)驗(yàn)結(jié)果 傳感器易于貼合氣球表面,隨著氣球膨脹電纜可拉伸區(qū)域逐漸拉長(zhǎng)。將同一柱形氣球由小周徑充氣至大周徑,同時(shí)記錄周徑變化對(duì)應(yīng)傳感器讀數(shù),6 V穩(wěn)定電壓下顯示器讀數(shù)隨著氣球充氣膨脹而增加,在增加值到達(dá)報(bào)警閾值(10 Ω)時(shí)報(bào)警燈即閃爍(見圖4),重復(fù)充放氣實(shí)驗(yàn)顯示器讀數(shù)變化趨勢(shì)與氣球外徑變化一致。以氣球膨脹簡(jiǎn)單模擬病理情況下肢體膨脹,實(shí)驗(yàn)結(jié)果滿意,多次重復(fù)充放氣顯示器讀數(shù)變化與氣球外徑變化趨勢(shì)一致,可初步滿足病理?xiàng)l件下肢體周徑監(jiān)測(cè)的要求。

圖4 氣球模擬肢體腫脹測(cè)量實(shí)驗(yàn)示意圖

2.4 肢體運(yùn)動(dòng)情況下腫脹測(cè)量效果觀察 本文作者作為受試者試戴柔性傳感器,硅膠材質(zhì)傳感器佩戴無(wú)不適感,通過(guò)綁帶調(diào)節(jié)可以使傳感器很好地貼合手臂弧度,隨著肢體運(yùn)動(dòng),顯示器讀數(shù)隨之變化,變化趨勢(shì)與肌肉收縮規(guī)律符合(見圖5a)。前臂及上臂傳感器電阻-時(shí)間變化與測(cè)量部位肌肉收縮引起的肢體膨脹變化規(guī)律相同,對(duì)比拉伸度-電阻變化曲線可以得到相應(yīng)的拉伸長(zhǎng)度(見圖5b～c)。通過(guò)相關(guān)性分析得出,前臂傳感器電阻值與測(cè)量部位肢體周徑變化具有線性正相關(guān)性(r=0.977 8,P<0.000 1,擬合曲線方程y=0.115 4 x+0.003 454),上臂傳感器電阻值與測(cè)量部位肢體周徑變化同樣具有線性正相關(guān)性(r=0.904 5,P<0.000 1,擬合曲線方程y=0.136 1 x+0.0146 3)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的傳感器可快速準(zhǔn)確反映出受試者肢體周徑的變化,精度較高,有良好的應(yīng)用前景。

a 前臂肌群收縮周徑測(cè)量實(shí)驗(yàn)示意圖

b 前臂運(yùn)動(dòng)-傳感器電阻-拉伸長(zhǎng)度關(guān)系三次重復(fù)測(cè)量結(jié)果

c 上臂運(yùn)動(dòng)-傳感器電阻-拉伸長(zhǎng)度關(guān)系三次重復(fù)測(cè)量結(jié)果圖5 健康人試戴觀察傳感器在肢體運(yùn)動(dòng)情況下腫脹測(cè)量效果

3 討 論

本傳感器可以準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)肢體膨脹率并實(shí)現(xiàn)閾值報(bào)警功能。通過(guò)不同保護(hù)硅膠厚度可以調(diào)節(jié)袖套張力大小,避免對(duì)肢體產(chǎn)生壓迫從而加重遠(yuǎn)端缺血;通過(guò)縮短傳感器可拉伸部分的長(zhǎng)度,可增加拉伸度變化率,提高監(jiān)測(cè)靈敏度。此外,材料制作過(guò)程簡(jiǎn)單,保護(hù)材料可根據(jù)不同的實(shí)際情況優(yōu)化(如透氣材料、抑菌材料等),適宜的穿戴張力于臨床工作中亦有利于減輕患肢腫脹及預(yù)防血管疾病的發(fā)生。

DVT常發(fā)生在下肢,可自發(fā)形成,也可由手術(shù)、外傷或長(zhǎng)期臥床等臨床條件引起,長(zhǎng)途飛行也是誘因之一[18-19]。下肢DVT又稱股白腫,該病發(fā)病急驟,數(shù)小時(shí)內(nèi)整個(gè)患肢即出現(xiàn)明顯腫脹[20-21],部分患者會(huì)有疼痛、壓痛,少數(shù)患者無(wú)明顯不適癥狀。靜脈血栓如不及時(shí)處理,很容易脫落并引起嚴(yán)重并發(fā)癥,有數(shù)據(jù)顯示90%的急性肺栓塞由DVT引起[22-24]。肺栓塞發(fā)病兇險(xiǎn),是外科常見的死亡原因,因此早期診斷治療可顯著降低DVT患者死亡率[25],對(duì)改善疾病預(yù)后有重要意義。

對(duì)于ACS及下肢DVT早期診斷至關(guān)重要,但往往難度較大。目前對(duì)于ACS的診斷主要依靠“5P”(pain,paresthesia,pallor,paralysis and pulselessness)癥狀,難以做到早期診斷,且受醫(yī)務(wù)人員主觀性影響較大。筋膜室壓力(intracompart-mental pressure,ICP)測(cè)量是目前診斷的金標(biāo)準(zhǔn),一般認(rèn)為ICP高于30 mm Hg為手術(shù)指征[26]。目前常用的ICP檢測(cè)手段包括傳統(tǒng)有創(chuàng)測(cè)量及無(wú)創(chuàng)測(cè)量。傳統(tǒng)有創(chuàng)測(cè)量包括Whiteside法及其改良方法,需要將注射器刺進(jìn)筋膜間隙,利用液壓平衡原理于血壓計(jì)或傳感器上顯示筋膜室內(nèi)壓。傳統(tǒng)的ICP測(cè)量手段屬于有創(chuàng)檢查,有加重?fù)p傷的可能,一般僅用于高危患者,另外,連續(xù)監(jiān)測(cè)ICP往往會(huì)引起醫(yī)護(hù)人員及患者對(duì)臨界值的緊張情緒從而導(dǎo)致過(guò)度治療[27]。無(wú)創(chuàng)ICP測(cè)量手段有近紅外光譜超聲設(shè)備和激光多普勒流量計(jì)[28]等,受設(shè)備局限性的影響,臨床應(yīng)用較少。對(duì)于下肢DVT,多普勒超聲血管檢查是診斷的常用手段,下肢血管造影是診斷的金標(biāo)準(zhǔn),這兩者都是在發(fā)現(xiàn)患肢明顯腫脹或出現(xiàn)癥狀后作為診斷或排除的手段。

無(wú)論是ACS還是DVT,診療的關(guān)鍵都是一個(gè)“早”字。然而患者常因?yàn)榘Y狀被原發(fā)疾病掩蓋,或者根本無(wú)癥狀而缺乏警覺(jué)性,再加上衣物的遮擋,病情很容易被忽視,從而貽誤治療時(shí)機(jī)。實(shí)際上,對(duì)于ACS及DVT患肢腫脹往往是最早出現(xiàn)的體征,對(duì)早期診斷有重要意義。例如,對(duì)于ACS而言,當(dāng)ICP明顯升高、疼痛出現(xiàn)、患肢遠(yuǎn)端動(dòng)脈搏動(dòng)消失、膚色皮紋發(fā)生改變、肢體硬度明顯增加時(shí)往往意味著腫脹程度已經(jīng)超過(guò)肢體代償極限,“5P”癥狀出現(xiàn)時(shí)疾病更是已經(jīng)發(fā)展至不可逆轉(zhuǎn)的程度。對(duì)于DVT而言,預(yù)防性監(jiān)測(cè)肢體腫脹率則可以將大部分患者的診斷提前,早期采取治療措施以預(yù)防并發(fā)癥的發(fā)生,改善預(yù)后。

不同患者四肢周徑及腫脹程度差異較大,應(yīng)用腫脹程度預(yù)防及診斷ACS及四肢DVT要求對(duì)腫脹率進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、對(duì)比,其高拉伸性、高敏感性、良好的循環(huán)重復(fù)特性、簡(jiǎn)單的制作工藝及個(gè)性化定制的特點(diǎn)同樣極好地適應(yīng)于四肢周徑的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。同軸打印技術(shù)制備柔性傳感器的制作步驟之前的文章已作詳細(xì)介紹[17],本實(shí)驗(yàn)采用同軸打印制作的柔性傳感器,制作工藝簡(jiǎn)單,精確度高,靈活性強(qiáng),使其不僅適用于ACS及下肢DVT的臨床預(yù)防及診斷,還可用于其他不同臨床應(yīng)用需求,例如局部急性血腫病情監(jiān)測(cè)、腹水患者腹圍監(jiān)測(cè)、水腫治療療效觀察等。

本設(shè)計(jì)處于初步階段,顯示器大小、連接方式及其他材料設(shè)計(jì)需要改進(jìn),相關(guān)動(dòng)物及臨床試驗(yàn)有必要在隨后開展,以嘗試尋找ACS及下肢DVT患者患肢膨脹率隨病情發(fā)展的變化規(guī)律,為相關(guān)臨床診療提供新方案。

綜上所述,應(yīng)用同軸打印技術(shù)制作的柔性傳感器可實(shí)現(xiàn)肢體周徑的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),為ACS及下肢DVT高危人群或病程早期患者提供患肢膨脹率的精準(zhǔn)測(cè)量,為相關(guān)疾病的監(jiān)測(cè)提供新思路及手段。