智能翻身床

刘哲楠

摘 要 医学研究报告及临床现象表明，脑瘫患儿往往伴有肌无力的症状，不宜长期保持同一睡眠姿势，同时部分患儿因身体活动能力受限，在睡眠中不能随意转换体位，难以形成合适的、舒适的睡姿，这不仅影响了睡眠质量，引发了多种疾病，也导致家长或医护人员需要花费大量时间照顾患儿。本文先分析了脑瘫患儿的睡眠姿势及身体活动需求，并通过运用现有技术，设计一款针对性的医护设备，解决目前遇到的问题。最后，本文介绍了该设备的结构特点、工作原理、关键技术和实用效果等。

关键词 脑瘫患儿 肌无力 科技与医疗器械 医护设备

1. 设计背景

痉挛型脑瘫患儿睡眠不宜长期采用仰卧姿势，以防加重肌肉痉挛，该类型的患儿睡姿采用一侧卧位较好，这种姿势可令痉挛肌肉的张力得到改善，并使患儿感受到舒适；不随意运动型脑瘫患儿，常常出现角弓反张及身体各部位姿势不对称的现象，患儿宜采取头和双下肢抬高，使头部保持在中线位，双手放到胸前的睡姿，此种睡姿可以有效抑制患儿不对称异常姿势，并使患儿感到舒适。

舒适的睡姿对于脑瘫患儿保证充足的睡眠及运动功能的恢复非常重要。但一部分脑瘫患儿常常因活动受限，在睡眠中不能随意转换体位，形成合适的、舒适的睡姿。随着科学技术的不断发展，针对脑瘫患儿的病情及护理需求，本文介绍了一款智能翻身床，该智能翻身床可根据不同的脑瘫类型来调整患儿的睡姿，以提高患儿的睡眠舒适度。

2. 结构特点

设备整体与大部分床相似，床板为长方形，长宽为1200mm * 600mm，适用于六个月到五岁大的脑瘫患儿。根据《中国0至18岁正常儿童青少年身体比例生长规律的研究》文献数据，将床板划分为五个主要活动模块以及一个固定模块，如图一所示为设备整体及各模块划分图，主要活动模块为翻身运动模块，颈部运动模块，背部运动模块，下肢运动模块。

设备整体分为固定结构、运动结构及电路结构，固定结构由铝型材及固定角码组合成，保证了整体设备的结构稳定性。运动结构由电动推杆、各个床板主要活动模块及运动铰链组合成，并通过运动铰链与固定模块配合。电路模块由单片机STM32、压力传感器FSR402、呼吸检测仪、心率监测仪和显示屏OLED等电子元器件组合成，通过信号采集、分析，将数据与设定模式比对，并根据比对结果控制电动推杆带动主要活动模块，调整脑瘫患儿睡姿。

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图1 设备整体及各模块划分图

3. 关键技术

根据设计背景分析，该设备主要是基于压力传感器FSR402、显示屏OLED、电动推杆、呼吸检测仪、心率监测仪和单片机STM32组成的控制系统，设计一款智能翻身床，通过信号采集、分析，将数据与设定模式比对，并根据比对结果控制电动推杆带动主要活动模块，调整脑瘫患儿睡姿。设备工作流程图见图2，该设备分为两个运行模式。

图2 智能翻身床工作流程图

1. 睡眠检测模式

不同脑瘫类型仰卧位时，床面所感受身体的压力大小不同：痉挛型脑瘫仰卧位时，背部在床面形成的压力最大；不随意运动型脑瘫仰卧位时，头部和双肩在床面形成的压力最大；共济失调型脑瘫仰卧位时，身体各部位在床面所形成的压力是均匀的；混合型脑瘫根据所包括的脑瘫类型不同，所涉及的躯体部位不同。

针对不同的病情，由安置在床板上的压力传感器FSR402检测数据并与数据库存储的数据做对比，一旦发现某个部位长期被挤压，则通过STM32控制电动推杆，带动对应的运动模块，帮助患儿调整睡姿。

2. 辅助运动模式

不同类型的脑瘫患儿对睡姿的要求及翻身的需求不同，通过记录与设置好呼吸与心率数据，在运行时实时监测呼吸与心率数据并与数据库存储的数据做比对，一旦发现患儿有运动（翻身）需求时，通过STM32控制电动推杆，带动对应的运动模块，帮助患儿调整睡姿。不同类型的脑瘫患儿对睡姿的要求及翻身的需求如下：

1. 痉挛型脑瘫与共济失调型脑瘫

当患儿想调整睡姿，从仰卧位转换至左侧卧位时，患儿的心率升高，呼吸频率下降，左肩和左侧背部所在床面压力升高，此时翻身床床面自动向左倾斜25°，并轻微震动，患儿获得舒适的睡姿，此时心率、呼吸频率及左侧背部所在床面压力减小，恢复到基础水平；同样，当患儿想调整睡姿，从仰卧位转换至右侧卧位时，患儿的心率升高，呼吸频率下降，右肩和右侧背部所在床面压力升高，此时翻身床床面自动向右倾斜25°，并轻微震动，患儿获得舒适的睡姿，此时心率、呼吸频率及右侧背部所在床面压力减小，恢复到基础水平； 

2. 不随意运动型脑瘫

当患儿想调整睡姿，使头和躯干保持在中线位时，患儿的心率升高，呼吸频率下降，头和左右肩部在床面形成的压力减小，臀部压力升高，此时翻身床以臀部为中点，两端自动抬高25°，并轻微震动，患儿获得舒适睡姿，此时心率、呼吸频率及臀部压力减小；

3. 混合型脑瘫

当患儿想调整睡姿时，自动翻身床根据患儿的心率、呼吸频率及头、肩部、背部、臀部的在床面形成的不同压力变化来选择合适的睡姿，做出适当的调整。

4. 实用效果

经过设计与研发制作出的设备模型，通过在实验中模拟需求情况，确认设备能够实现预期的睡眠检测模式与辅助运动模式，从而达到辅助脑瘫患儿调整睡姿，辅助翻身的效果。该设备即能有效地防止患儿由于睡姿不正确导致身体躯干受压等情况，也能帮助家长或医护人员辅助患儿进行翻身动作，使患儿能在床上有意识地活动身体部位，甚至达到辅助康复运动的作用