新型智能医用充气保温毯的研究方法分析

　在医疗手术中普遍存在着病人在手术过程中体温异常[1，2]的现象，它会引发一系列问题，甚至影响手术的成功率，此外，在病人术后恢复过程中，体温降低现象也时常出现。采取有效措施，控制手术病人的体温非常必要。在国外，医疗控温设备较多，做得较好是德国和美国，德国致力于水循环控温仪器的研究，美国致力于充气式保温毯的研究，具有代表性的有美国CSZ公司和TYCO公司生产的手动医用充气保温毯。在我国，上海亚迈森医疗科技发展有限公司和天津市阿克弗技术发展有限公司等12个厂家生产保温毯。但是，目前国内外的医用保温毯不仅价格昂贵，而且存在着操作烦琐、安全性差、温度调节速度慢、智能化程度低、适应性差等缺点。因此，研制新型智能医用充气保温毯控制系统，具有较高的社会效益、经济效益以及广阔的应用前景。笔者设计的新型智能医用保温毯控制系统以性能优异的ATmega128单片机为主控核心。该单片机具有较强的数据处理能力、较多的内部资源、较快的处理速度，并且性能稳定，能很好地满足医用保温毯控制系统的性能要求。新型智能医用保温毯控制系统主要通过温度传感器将实时采集的人体各部位温度送达ATmega128[3，4]主控核心，经过一定的算法处理后，控制吹拂在人体表面各部位气体的流量和温度，稳定病人的核心温度。
　　1 系统的基本结构
　　如图1所示，新型智能医用保温毯控制系统由人体体温检测模块、过零检测模块、气体温度检测模块等构成。人体体温检测模块主要是通过在人体的不同特征部位放置温度传感器，并将所测模拟量转化成温度值存到数据存储[4]模块。LCD液晶显示模块主要以折线图形显示实时更新的温度值。按键输入模块是根据不同的情况设置系统的工作模式、所需的目标值、电源的通断、系统间的联机、系统的升级等。当人体核心体温低于预设值时，语音播报模块自动报警。气体加热模块以及气体流量控制模块主要是通过自适应模糊PID算法得到不同占空比的PWM波控制加热丝和鼓风机的功率。气体流量检测模块则是通过气流检测所得值，经单片机处理转换成风速值存储到数据存储模块。过零检测模块通过单片机外部触发方式记录用电器电压零点个数，将计算出的用电器实时功率用于自适应模糊PID的辅助控制，同时将功率显示出来。
　　2 系统硬件电路的设计
　　2.1 人体温度检测电路
　　图2中放大电路[5]的最终目的是将PN结温度传感器的微弱电压放大后送到模数采集模块，在此采用放大器OP07。OP07是一种低噪声、非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于OP07具有很低的输入失调电压，所以它在很多场合不需额外调零电压。OP07同时具有输入偏置电流低和开环增益高的特点，这种“低失调，高开环”增益的特性，使它适用于高增益的测量设备和放大器传感的微弱信号等，加之其成本低，适用于本控制系统。经计算，模拟输出电压为：
　　2.2 气体流量及温度控制电路
　　如图3所示，气体流量及温度控制电路采用MOC3021光耦隔离器实现低电压与高电压的隔离，再通过三极管9013的开关功能控制光耦隔离器高电压一端的通断，进而控制晶闸管BTA12的通断，最终达到控制鼓风机和加热丝的通断的目的，实现了低电压对高电压的控制。在给定时间内，用电器的功率（P为功率W，n为单位时通过交流电正弦波的个数，N为单位时间内交流电全导通正弦波的个数，U为可控硅在一个电源周期全导通时所对应的交流电压有效值，I为可控硅在一个电源周期全导通时所对应的交流电流有效值），U，N，I为固定值，因此，只要改变n就可以达到改变用电器功率的目的，n的大小可由图3隔离电路通过ATmega128单片机控制，从而实现对气体流量以及温度的控制。
　　2.3 过零检测电路
　　过零检测电路的作用是实现当50 Hz的交流电压通过零点时取出其脉冲。此系统采用2个光电耦合器TLP521实现过零控制，交流电经电阻R13加到2个反并联的光电二极管上，在交流电源的正、负半周，二极管轮流导通，导通期间，OUTPUT端输出低电平，只有在交流电过零的瞬间输出高电平，每秒向ATmega128单片机申请相应次数的中断，以实现每秒不同次数的中断控制周期。在本系统的过零检测电路中，每当电源电压通过零点时就产生准确的过零脉冲，且工作稳定，能满足本系统的工作要求。过零检测电路的最终目的是对用电器的实时功率进行跟踪，用于自适应模糊PID[8，9]对气体流量和温度的辅助控制，并在LCD和上位机上显示实时功率，使整个人体体温控制系统更加人性化。
　　3 软件的设计
　　程序运行时首先通过温度传感器采集人体不同部位的温度值，并将采集所得温度值与目标值相比较，若温度值达不到要求就启动自适应模糊PID算法[7-9]控制气体的流量和温度，同时把过零检测得到的数据辅助自适应模糊PID的调节，同时把实时温度值用折线的形式显示出来，直到人体表面温度达到要求。
　　4 实验结果及其分析
　　在系统测试过程中，人体表面温度的精确测量显得至关重要，直接影响到人体核心温度的准确性，通过相关资料查得，人体直肠以及鼓膜的表面温度最接近人体的核心温度，但是在这些部位安装温度传感器非常困难，因此该系统选取口腔、额头、腋窝、肚皮四个部位作为测试部位。为了验证系统的准确性，笔者采用测量比较法，以医用水银温度计测量值为校验值，此系统温度检测所得值为待校验值。当室温为15 ℃时，对人体口腔、额头、腋窝、肚皮等核心部位进行检测，得　通过对人体不同部位检测的实验数据与校验值比较可得，整个实验系统的误差在±0.2 ℃的范围内，达到了试验系统的工作要求（见表1）。将表1的实验数据进行统计分析，得到图6所示人体不同部位温度的分布情况。对图6进行分析可知，人体不同部位的温度有明显的差异，所以在新型智能医用充气式保温毯使用的过程中，针对不同的部位设定了不同的目标值，避免使用过程中保温毯气孔流出的气体在与人体表面不同部位接触时造成意外烫伤或低温的危险，提高了该系统的安全系数。
　　为了进一步测试系统的性能，在室温15 ℃时，将控制模式设置为手动模式，手动输入目标值为36.8 ℃（保温毯气孔流出 的气体温度），鼓风机的功率为700 W，加热丝的功率为800 W，输气管直径为4厘米，管子长度为1.2米。得到的实验数据如图7所示，由图中可以看出，由于调节的初始阶段数据相差较大，所以调节得比较快，这个阶段是粗调阶段。在调节过程中，当温度值与目标值的差值逐渐缩小后，系统进入自适应调节阶段，气体的温度值越来越接近目标值，由于系统对加热丝的控制具有一定的滞后性，所以检测到的温度值在目标值附近小幅度振动，控制精度达到了±0.3 ℃，所检测到的人体表面温度与保温毯气孔流出的气体温度误差较小，能满足试验系统的要求。通过图7，我们很清楚地看到新型智能医用充气式保温毯对温度调节具有快速性、
　　稳定性等优越性能。
　　5 结束语
　　在以ATmega128为主控核心的基础上，设计出了新型智能医用充气保温毯的基本框架。对各个模块的测试和得出的实验数据分析表明，系统以实际多点温度反馈值与相应目标温度的差值为参照对象，采用微调与粗调兼备的调节模式，经模糊PID算法处理后对人体温度进行梯度调节，有效防止了系统产生的突发误差对系统造成的干扰，同时解决了系统调节滞后等问题，实现了对人体表面温度的智能控制。该系统响应迅速，成本低，具有广阔的应用前景和社会经济效益。
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