新型智能医用充气保温毯的研究方法分析
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 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。
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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