专利名称：低氧饱和度肌体保护训练仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种保护缺血器官的训练仪，特别涉及一种通过降低肢 体血氧饱和度的训练，激发肌体组织对缺血、缺氧的耐受潜能，提高重要器 官(如心、脑、肾、肝、肺、胃肠和下肢等)在缺血或低氧条件下的生存和 工作能力，从而改善和消除肌体缺血症状，抑制肿瘤生长的仪器。本实用新 型主要用于预防高原缺氧反应、预防心脑血管事件、治疗缺血性心脑血管病、 治疗糖尿病足和恶性肿瘤，降低猝死、中风、糖尿病足的发生率、重残率和 死亡率，提高器官移植成功率，抑制恶性肿瘤生长，属于医疗仪器技术领域。
背景技术：
自1986年Murry等首次报道了重复短暂地夹闭冠状动脉能縮小冠状动 脉长时间夹闭导致的心肌梗死面积以来，肌体对缺血的获得性耐受现象立刻 成为科学界的热点问题。"缺血预适应"的概念随即应运而生，即当某器官
预先经历重复、短暂的非致死性缺血打击后，可获得对随后持续的、致死性 缺血的耐受能力。研究发现缺血预适应现象在包括人类在内的近75%的物种 出现，能产生缺血预适应的器官包括心、脑、肝、肾、肺和骨骼肌等全身器官。
进一步研究发现，缺血预适应的保护作用不仅局限于重复缺血器官本 身，而且对远隔器官的缺血损伤也有保护作用，提示缺血预适应的作用具有 全身性。重复阻断冠状动脉、颈总动脉、胸主动脉，除分别增强心、脑、脊 髓等局部器官对缺血的耐受力，同时也增强其它远隔异位器官的缺血耐受
力，该现象被称为"远程缺血预适应"。动物实验已经发现，夹闭/放松大鼠 双侧股动脉能对随后的心脏和脑缺血起保护作用。由于该方法的有创性，限 制了其临床推广。肌体缺血的实质是缺氧，血氧饱和度下降是缺血组织发生
坏死前的重要病理过程。
首都医科大学脑血管病研究所吕国蔚教授于60年代率先在国际上创建了 小鼠低氧预适应模型，对低氧预适应的作用和机制进行了深入研究。2005年， 我院(宣武医院)在总结低氧预适应研究结果，结合远程缺血预适应的国际研究进展基础上，建立了降低肢体血氧饱和度的人类远程缺血预适应模型。该模 型采用了智能化肢体血流阻断与近红外监测相结合技术。由于该方法无创，简 便易行，具有广阔的临床应用前景。 发明内容
本实用新型的目的是提供一种适用于家庭个人操作和医疗单位使用的，安 全、简便、便携式的低氧饱和度肌体保护训练仪。该仪器采用智能化肢体血流 阻断与近红外监测相结合技术将受试者肢体的氧饱和度控制在目标水平；根据 治疗的不同阶段调节训练持续时间同时具备血压和脉搏监测功能，安全可靠。
为实现上述的目的，本实用新型采用以下的设计方案 一种低氧饱和度肌 体训练仪，它由壳体、安装在壳体上的按键、显示屏、与壳体相连的袖带和安 装在壳体内的充气泵、压力传感器、电磁阀、控制电路构成；其特征在于它 还包括有一血氧饱和度监测仪；
所述血氧饱和度监测仪的信号输出端与控制电路的一个控制信号输入端相
连
所述压力传感器与袖带相连，用于检测袖带内气体的压强以及压力振荡波， 其检测信号输出端与控制电路的信号输入端相连；
控制电路的控制信号输出端通过导线与充气泵的控制端相连，充气泵的气 源输出端与袖带的气源输入端相通；控制电路的另一控制信号输出端通过导线 与电磁阀的控制端相连，电磁阀串联在袖带的排气通路中。
本实用新型通过对30名健康受试者(18-70岁，平均42土6岁)进行了上 肢不同低氧饱和度程度(10%-60%)和不同持续时间(l-8min )的安全性和耐 受性试验。基础研究和临床试验结果表明，反复的特定低氧饱和度训练可诱导 肌体产生低氧诱导因子、组织保护物质和血管生长因子，而对收试者的心率、 血压、血糖和全身氧饱和度无明显影响，不适感轻微，提示该方法的安全性和 可行性，具备临床推广条件。同时，在进行的大鼠体内和体外恶性胶质瘤治疗 研究结果发现，低氧饱和度训练能抑制远程肢体恶性肿瘤细胞的生长，延长大 鼠存活时间，提示该方法在预防和治疗恶性肿瘤中的作用。临床试验结果已经 显示了该治疗方法的理想疗效。
本实用新型操作安全，患者无明显肢体不适感；对高原反应、心脑等重要 器官的缺血保护达到了最佳预防和治疗效果；操作简单，智能化，使用者可独立完成。
图1为本实用新型低氧饱和度肌体训练仪外部结构示意图； 图2为本实用新型低氧饱和度肌体训练仪控制电路原理框图； 图3为本实用新型血氧饱和度监测仪工作原理图； 图4为本实用新型利用示波法测量的被试者血压图； 图5为本实用新型控制电路具体电路图； 图6为差压式压力传感器的外观图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式
对本实用新型作进一步说明，并非对本实用 新型的限定。
图1为本实用新型公开的低氧饱和度训练仪外部结构示意图，图2为本实 用新型公开的低氧饱和度训练仪控制电路原理框图。如图1、图2所示，该低氧 饱和度肌体训练仪主要由壳体1、安装在壳体1上的按键2、显示屏3、与壳体 l相连的袖带4、安装在壳体1内的充气泵5、差压式压力传感器6、电磁阀7、 反馈控制电路8和安装在壳体外的血氧饱和度检测仪9构成。控制电路8通过 充气泵5、电磁阀7对袖带4内的气体进行闭环控制。控制电路8的控制信号输 出端通过导线与充气泵5的控制端相连，充气泵5的气源输出端与袖带4的气 源输入端相通。控制电路8通过控制充气泵5的启动/或停止，给袖带4充气， 增加其内部气体压强。同时，控制电路8的另一控制信号输出端通过导线与电 磁阀7的控制端相连，电磁阀7串联在袖带4的排气通路中，控制电路8通过 控制电磁阀7的导通/或关断，使袖带4放气，减小其内部气体压强。
差压式压力传感器6与袖带4相连，用于检测袖带4内气体的压强以及压 力振荡波，其检测信号输出端与控制电路8的信号输入端相连。A/D转换电路 将压力传感器6输出的模拟信号转换成数字信号后传输给控制电路8，控制电路 8根据检测到的袖带4内的气体压强，控制充气泵5启动给袖带4充气，增加其 内部气体压强；或，输出控制信号，打开电磁阀7，使袖带4放气，减小其内部 气体压强。
控制电路8的数据输入端通过导线与安装在壳体1上的按键2的数据输出 端相连，接收使用者通过按键2输入的各种指令。控制电路8的数据输出端通过导线与安装在壳体1上的显示屏3的数据输入端相连，显示各种数据、操作 提示符和信息。控制电路8的数据输入/输出端通过导线与存储器IO相连，读取 /存储数据。
根据本实用新型的发明目的，本实用新型所实现的主要功能是实现肢体
低血氧饱和度定量训练。为此，本实用新型通过血氧饱和度监测仪9对人体
远端肢体的血氧饱和度进行高精度检测，并将检测到的数据传输给控制电路
8;控制电路8根据检测到的数据，经运算后，通过气泵5、电磁阀7、袖带 4控制肢体血流的阻断，以达到有效间隔阻断使用者肢体血流，提高肌体的 抗/耐缺氧潜能，提高在缺氧条件下生存和工作的能力、保护抑制器官和抗 恶性肿瘤的目的。如图2所示，血氧饱和度监测仪9的信号输出端与控制电 路8的控制信号输入端相连。
本实用新型实现肢体低血氧饱和度定量训练的原理是血氧饱和度监测仪 实时检测阻断肢体远端的氧饱和度，与预置氧保护度值相比较，如果实时测量 值低于3%以上时，控制电路8就打开电磁阀7使袖带4减压；如果实时测量值
超过3%以上时，控制电路8就接通气泵加压；否则保持袖带内气压。根据选择
的不同治疗阶段，设置不同的低氧保护治疗持续时间。
如图3所示，血氧饱和度监测仪9包括红外光源、光电探测器、信号放 大处理电路和A/D转换电路。信号放大处理电路对来自光电探测器的信号进 行处理，信号经过放大、滤波后，得到一定幅度的信号；该信号经A/D转换 电路处理后，传输给控制电路8的单片机，单片机按照血氧算法计算后得到 血氧饱和度。
本实用新型的工作原理是当使用者将本实用新型的袖带缠绕到肢体上(例 如上臂)后，打开电源，控制电路就自动输出控制信号，使充气泵工作，给袖 带充气，增加其内部气体压强，使其对人体肢体内的血管施加压力；同时，通 过压力传感器实时检测袖带内气体的压强，并将检测的袖带内气体的压强值传 输给控制电路。控制电路接收压力传感器传输的关于袖带内气体的压强值，并 取最近3次测量值的平均值作为当前袖带内的气压值。控制电路在监测袖带内 气体压强的同时还通过血氧饱和度监测仪9对使用者的血压、血氧饱和度进行 实时监测，并根据监测的数据自动计算使用者的血压值，从而自动设定袖带的 阻断压力值，持续时间，间隔时间和反复次数。当袖带内的气体压强大于控制电路自设定的袖带阻断压力值时(例如袖带内的气体压强值大于阻断压值
200mmHg以上时)，控制电路输出控制信号，使充气泵停止工作，停止给袖带 充气；当袖带内的气体压强值小于控制电路自设定的袖带阻断压力值时(例如 袖带内的气体压强值小于阻断压值200mmHg以上时)，控制电路自动输出控制 信号，使充气泵工作，给袖带充气，增加袖带内气体的压强；在维持袖带内的 气体压强值等于袖带阻断压力值一段时间后(即到达控制电路设定的持续时间 后)，控制电路输出控制信号，打开电磁阀，放掉袖带内的气体，减小其内部气 体压强，减轻袖带对人体肢体内血管的压迫。间隔一段时间后(即到达控制电 路设定的间隔时间后)，控制电路重复上述过程，直到达到控制电路自设定的反 复次数为止。本实用新型就是通过这种重复压迫使用者肢体、有效间隔阻断使 用者肢体血流，从而激发肌体组织细胞的抗/耐缺血、缺氧潜能，提高肌体、 器官或组织在缺氧条件下生存和工作的能力，实现本实用新型的实用新型目 的。
本实用新型使用示波法实时测量使用者的血压。示波法需要使用袖带阻断 动脉血流，在放气过程中通过压力传感器实时检测袖带内气体的压力振荡波。 压力振荡波起源于血管壁的搏动，如图4所示，当袖带内静压大于收縮压时， 动脉关闭，袖带内因近端脉搏的冲击而出现细小的振荡波；当静压小于收缩压
时，波幅增大，静压等于平均动脉压时，动脉管壁处于去负荷状态，波幅达到
最大；静压小于平均动脉压时波幅逐渐减小；静压小于舒张压以后，动脉管壁 在舒张期已充分扩张，管壁刚性增加，而波幅维持较小的水平。放气过程中连 续记录的压力振荡波中的脉动成分呈现近似抛物线的包络，示波法的关键在于 找到充放气脉动压力波的包络及其与动脉血压之间的关系。示波法测量血压主 要是通过充气泵向袖带内充气，达到一定压力值后慢速放气，在放气过程中， 压力传感器将袖带内压力信号转换为电信号，电信号通过滤波得到抛物线包络 的脉动压力波，控制电路根据其已固化好的血压计算公式计算出人体收縮压、 舒张压和平均血压。
本实用新型还提供手动控制功能，也就是说，使用者可以根据自己的血压 值直接通过壳体上的按键2设定袖带阻断压力值、持续时间、间隔时间和反复 次数，然后进行操作，以满足个别患者的需要。本实用新型内置的可供使用者 选择的袖带阻断压力值为300mmHg以下的任意值。另外，使用者还可以根据自己的实际情况自主选择练习模式，练习强度从低到高逐步调节，达到最佳预防 及改善心脑缺血的效果，同时最大限度减轻使用者肢体长时间血流阻断的不适感。
如图2所示，所述控制电路8由微处理器芯片、A/D转换芯片、时钟芯片、 存储器芯片和电源电路构成。微处理器芯片的信号输入端通过A/D转换电路与 压力传感器6的信号输出端相连；其控制信号输出端分别与充气泵5和电磁阀7 的控制端相连；其数据输入端与按键2数据输出端相连，其数据输出端与显示 屏3数据输入端相连。微处理器芯片的数据输入端与时钟芯片的时间/日历信号 输出端相连，采集时间、日历信息，通过安装在壳体上的显示屏3显示时间、 日期。微处理器芯片的数据输入/输出端通过数据总线与存储器芯片的数据输入/ 输出端相连，存储各种数据，例如同一使用者不同时期的各种数据，以及不 同使用者的各自相关数据。
电源电路由AC-DC电源模块、转换开关、可更换充电电池及电量监控电路 构成，主要是为整个治疗仪提供5V、 IOV、 24V的工作电源。在壳体上设有外 接电源接口和电源开关，以便使用者使用。
在本实用新型的具体实施例中，本实用新型人选用了摩托罗拉公司生产的 型号为MPX5050DP的差压式压力传感器(如图6所示)。该差压式压力传感器 自带有温度补偿电路、信号放大电路和3倍超压保护电路，可输出0.5-4.5V信 号。差压式压力传感器内部带有的温度补偿电路可保证其在不同温度下的精 度；放大电路可预先对其输出的信号进行放大，以避免外部放大电路放大带 来的误差；超压保护电路可以保证当外部压力超过其额定工作值时自动卸压， 以保证差压式压力传感器不被损坏。
在本实用新型的具体实施例中，本实用新型选用的A/D转换芯片为双斜率 积分模拟-数字转换芯片，它可以提供50ppm的分辨率，其最大线性度误差为1 个计数值；零点误差小于10"V，零点漂移小于0.5u V/°C，完全能保证检测数 据的精度，最准确地反映袖带内的气体压强。
在本实用新型的具体实施例中，本实用新型选用的充气泵能提供300mmHg 以下的压强，能够满足不同使用者的需求。电磁阀控制袖带减压，可以在软件 保护失效的情况保护差压式压力传感器，实现超压保护。
在本实用新型的具体实施例中，本实用新型选用近红外光谱式血氧饱和度监测仪。
图5为本实用新型控制电路具体电路图。图中的芯片D6(型号P89V51RD2) 为微处理器芯片，芯片D3 (型号TLC7135C)为A/D转换芯片。差压式压力传 感器的信号输出端通过插座JP1与A/D转换芯片D3的模拟信号输入端IN+相 连，A/D转换芯片D3将差压式压力传感器检测的袖带4内的气体压强值转换成 数字数据传输给微处理器芯片D6的INT1管脚。微处理器芯片D6执行其内部 的控制程序，根据差压式压力传感器检测的袖带4内的压力，经管脚PIO、 Pll 输出控制信号，通过继电器K1、 K2分别控制充气泵5、电磁阀7的动作。
微处理器芯片D6的串口 TXD、RXD通过双路4选1芯片D5(型号CD4052)、 串行口通讯芯片D1、 D2 (型号MAX202E)、插座JP2、 JP4与安装在壳体上的 按键输出端相连，接收操作者输入的指令。微处理器芯片D6的数据输出端P00 一P07通过插座JP7与安装在壳体上的显示屏的数据输入端相连，显示各种数 据。
微处理器芯片D6的数据输入/输出端P25—P27与带有掉电保护功能和I2C 总线接口的E^ROM存储器芯片的数据输入/输出端WP、 SDA、 SCL相连，存 取各种数据。微处理器芯片D6的数据口 P16、 P17、 T0、 Tl与时钟/日历芯片 D4 (型号SD2000BLP)的SDA/SDAE、 SCL/SCLE、 INT1、 INT2 口相连，采集
时间、日历数据，并通过显示屏显示。
本实用新型存储器内设置有安全、有效和舒适的最佳肢体低氧饱和度训练 控制程序和有关高血压、糖尿病、高脂血症、早期心脑血管病、早期肿瘤等 健康宣教软件。
本实用新型存储器可以对多个患者进行数据保存，实现一台机器多个人使用。
由于本实用新型采用以上设计，故本实用新型具有以下优点
1、 采用血氧饱和度监测仪实时监测受试肢体远端血氧饱和度，并反馈、 调控肢体缺血强度。
2、 采用智能化肢体血流控制方式，将接受训练肢体的低氧饱和度程度 和持续时间控制在特定范围，确保治疗效果，同时减轻受试者不适感。
3、 通过带温度补偿和信号放大功能的差压式压力传感器及高精度的A/D 转换器检测袖带压强，测量精度高，可准确控制袖带压强及检测血压。4、 开机后可自动播放关于高血压、糖尿病、高脂血症、早期心脑血管 病和早期肿瘤等健康宣教材料。
5、 可提高人类肌体、器官或组织在缺氧条件下生存和工作的能力，对 预防高原反应、心脑血管疾病以及缺血性心脑病治疗都有显著的功效，从而 降低猝死和中风发生率。
本实用新型通过重复压迫使用者肢体的手段，有效地间隔阻断使用者肢 体血流，从而激发肌体组织细胞的抗/耐缺血、缺氧潜能，提高肌体、器官 或组织在缺氧条件下生存和工作的能力。
6、 本实用新型操作简便，使用者可独立完成操作，适合家庭、个人单独使 用。另外，使用者可根据自身情况自主手动选择练习模式，练习强度从低到高 逐步调节，达到最佳预防及改善心脑缺血的效果，并最大限度减轻使用者肢体 长时间血流阻断的不适感。
本实用新型的特定实施例已经对本实用新型的内容做了详尽的说明。对本 领域的一般技术人员而言，在不背离本实用新型精神的前提下对它所做的任何 显而易见的改动，特别是对若干部件的等同替换，都构成对本实用新型专利权 的侵犯，将承担相应的法律责任。
权利要求1、一种低氧饱和度肌体训练仪，它由壳体、安装在壳体上的按键、显示屏、与壳体相连的袖带和安装在壳体内的充气泵、压力传感器、电磁阀、控制电路构成；其特征在于它还包括有一血氧饱和度监测仪；所述血氧饱和度监测仪的信号输出端与控制电路的一个控制信号输入端相连；所述压力传感器与袖带相连，用于检测袖带内气体的压强以及压力振荡波，其检测信号输出端与控制电路的信号输入端相连；控制电路的控制信号输出端通过导线与充气泵的控制端相连，充气泵的气源输出端与袖带的气源输入端相通；控制电路的另一控制信号输出端通过导线与电磁阀的控制端相连，电磁阀串联在袖带的排气通路中。
2、 根据权利要求1所述的低氧饱和度肌体训练仪，其特征在于所述控制 电路通过充气泵、电磁阀对袖带内的气体迸行闭环控制。
3、 根据权利要求2所述的低氧饱和度肌体训练仪，其特征在于所述控制 电路的数据输入端通过导线与安装在壳体上的按键的数据输出端相连；控制电 路的数据输出端通过导线与安装在壳体上的显示屏的数据输入端相连。
4、 根据权利要求1或2或3所述的低氧饱和度肌体训练仪，其特征在于.-所述控制电路由微处理器芯片、A/D转换芯片、时钟芯片、存储器芯片和电源电路构成,-微处理器芯片的信号输入端通过A/D转换电路与压力传感器的信号输出端 相连；其控制信号输出端分别与充气泵和电磁阀的控制端相连；其数据输入端 与按键数据输出端相连，其数据输出端与显示屏数据输入端相连；微处理器芯片的数据输入端与时钟芯片的时间/日历信号输出端相连；微处 理器芯片的数据输入/输出端通过数据总线与存储器芯片的数据输入/输出端相 连。
5、 根据权利要求4所述的低氧饱和度肌体训练仪，其特征在于所述压力传感器为差压式压力传感器。
6、 根据权利要求5所述的低氧饱和度肌体训练仪，其特征在于所述压力 传感器为自带有温度补偿电路、信号放大电路和超压保护电路的差压式压力传 感器。
7、 根据权利要求6所述的低氧饱和度肌体训练仪，其特征在于所述充气 泵可提供300mmHg以下的压强。
8、 根据权利要求4所述的低氧饱和度肌体训练仪，其特征在于所述存储 器芯片为带有掉电保护功能和"C总线接口的E2PROM存储器。.
专利摘要本实用新型公开了一种低氧饱和度肌体训练仪，它由壳体、安装在壳体上的按键、显示屏、与壳体相连的袖带和安装在壳体内的充气泵、压力传感器、电磁阀、控制电路以及血氧饱和度监测仪构成。血氧饱和度监测仪的信号输出端与控制电路的一个控制信号输入端相连；压力传感器与袖带相连，用于检测袖带内气体的压强以及压力振荡波，其检测信号输出端与控制电路的信号输入端相连。控制电路通过充气泵、压力传感器、电磁阀对袖带内的气体进行闭环控制。本实用新型根据被试者的血氧饱和度以及血压，重复压迫使用者肢体、有效间隔阻断使用者肢体血流，从而激发肌体组织细胞的抗/耐缺血、缺氧潜能，提高肌体、器官或组织在缺氧条件下生存和工作的能力。
文档编号A61H1/00GK201316381SQ20082012363
公开日2009年9月30日 申请日期2008年11月11日 优先权日2008年11月11日
发明者严汉民, 莎 党, 吉训明, 吕国蔚, 建 张, 罗玉敏, 赵士勇, 俊 陈 申请人:首都医科大学宣武医院