熱療過程中體溫監測器的研制

侯惠亮，鄭小溪

1.華中科技大學同濟醫學院附屬同濟醫院 器材科，湖北 武漢 430030；2.廣州軍區武漢總醫院，湖北 武漢430070

熱療過程中體溫監測器的研制

侯惠亮1，鄭小溪2

1.華中科技大學同濟醫學院附屬同濟醫院 器材科，湖北 武漢 430030；2.廣州軍區武漢總醫院，湖北 武漢430070

目的 研制一種主要用于熱療過程中的體溫監測器，可提供實時體溫顯示，并根據設置的參考體溫值及時發出報警，為安全熱療提供保障。方法 采用溫度傳感器檢測體溫，通過對信號進行線性處理和放大，經模數轉換和單片機AT89C52處理，最終通過液晶對體溫進行顯示。結果 該溫監測器能夠在誤差小于±1%的條件下對熱療過程中的體溫進行測量。結論 該體溫監測器能夠實時、連續地對熱療過程中的體溫進行準確監測。

體溫監測器；熱療；熱敏電阻；單片機

0 前言

熱療（Hyperthermia）一詞源于希臘語，原意是指“高熱”或“過熱”[1]。熱療又名熏蒸，是中藥外治療法的分支，也是物理治療的一類。熱療是以各種熱源為介體，將熱傳遞到機體，以達到治療目的的療法[2]。德國醫學專家2009年9月22日公布的一項研究結果表明，在治療癌癥患者時使用熱療和化療相結合的方法比單一接受化療效果更好，無瘤期更長[3]。實驗證明，熱療后患者的免疫力和抗病能力明顯提高[4]。

正常人體溫度的變化一般在35～42℃之間。熱療過程中就是使患者的體溫升至40～42℃之間，人為的給人體創造“發燒”的環境[5]。全身加熱的關鍵就是將加熱后的體溫控制在40～42℃之間這個安全而又有效的范圍之內，否則會發生危險[6]。所以，對全身熱療系統來說，患者的體溫監測非常重要，只有這樣才能保證其組織在安全的溫度中進行熱療。

為保證熱療過程中的安全性，需要對患者體溫進行實時監測，這種測溫精度較高并且測溫范圍較小。常用的人體溫度計中，紅外測溫儀和電子測溫儀適合應用于此類實時測溫系統[7-8]。本文介紹一種基于單片機AT89C52系統的用于熱療過程中的體溫監測器的研制方法，其測量范圍在30～50℃，制作簡單，可以對熱療過程中的體溫進行有效地實時監測。

1 系統結構

本設計由熱敏電阻、測量信號調整與放大電路、A/D轉換電路、單片機系統、溫度顯示系統構成。系統結構如圖1所示。由熱敏電阻溫度傳感器將溫度變化轉換為電阻值的變化，經測量電路將電阻值的變化轉換為電壓的變化，經A/D轉換送至單片機系統，最后在單片機系統中通過運算得出體溫的測量值。此體溫監測器能實現對人體溫度的監測和顯示，可設置溫度的報警限并提供報警，以確保患者在熱療過程中的安全。

圖1 測溫系統的結構框圖

2 硬件電路設計

整體體溫測量電路包括溫度傳感器電路、信號放大電路及A/D轉換電路。體溫測試中，常用的溫度傳感器有熱電偶、熱電阻和集成溫度傳感器等[9]。針對人體測溫溫度變化范圍小，要求精度較高的特點，本設計選用精度為1‰的熱敏電阻溫度傳感器。

2.1 熱敏電阻溫度傳感器

熱敏電阻是利用半導體材料制成的熱敏元件。一般來說，半導體比金屬具有更大的電阻溫度系數。半導體熱敏電阻可分為：正溫度系數(PTC)、負溫度系數(NTC)、臨界溫度系數(CTR)熱敏電阻。

本設計采用負溫度系數熱敏電阻。負溫度系數熱敏電阻具有很高的負溫度系數，特別適合于-100℃～+300℃的溫度測量使用。熱敏電阻的阻值隨溫度的上升而減小，它的溫度特性方程為：

中，RT為熱敏電阻，B為熱敏電阻常數。這里所選用的熱敏電阻為R25=10kΩ，熱敏電阻常數B25|50=3950。

由公式可知，熱敏電阻的熱電特性非線性嚴重，需要做線性化處理。為了改善線性，可在熱敏電阻兩端并聯補償電阻R，如圖2所示，使流過a、b的電流I=IR+IRT。由于補償電阻的作用，總電流I隨T變化的曲線變得平坦，從而改善了線性，但也降低了對溫度的敏感性，所以并聯補償電阻R不能取的過小，一般不能小于RT，這里的并聯補償電阻R取10kΩ。為了進一步改善溫度傳感器的線性，本設計還采用了串聯補償。R'是串聯補償電阻，它與熱敏電阻RT及其并聯補償電阻R相互串聯后接在+5V電源兩端，其線性補償原理和計算方法敘述如下：

當熱敏電阻溫度傳感器達到上限溫度TH=50℃時，熱敏電阻兩端a、b 的并聯電阻為RTH，則a、b兩端的輸出電壓為：

當熱敏電阻溫度傳感器達到中點溫度TM=40℃時，熱敏電阻兩端a、b 的并聯電阻為RTM ，a、b兩端的輸出電壓為

當熱敏電阻溫度傳感器達到下限溫度TL=30℃時，熱敏電阻兩端a、b的并聯電阻為RTL，a、b兩端的輸出電壓為

由于中點溫度為上限溫度和下限溫度的平均值，要使這3個溫度點上傳感器的輸出電壓與溫度成線性，中點溫度的輸出電壓應該為上限溫度和下限溫度時輸出電壓的平均值：

將(2)、(3)、(4)式代入(5)式求解，可得線性串聯補償電阻：

將上限溫度、中點溫度和下限溫度時熱敏電阻溫度傳感器兩端并聯的電阻值代入(6)式，就可以算出線性串聯補償電阻的阻值，從而使輸出電壓與溫度更接近線性[10-11]。

2.2 運算放大器A1和A2

從溫度傳感器獲得的與溫度相關的電壓信號，通過反相放大器A1放大后，使得溫度電壓信號由原來的隨傳感器溫度上升電壓信號遞減轉變為隨傳感器溫度上升反相放大器A1的輸出電壓遞增的關系，這樣就可以獲得電壓與溫度的對應關系。反相放大器A1選用單電源儀表放大器AD623。AD623允許使用單個增益設置電阻進行增益編程,在無外接電阻條件下, AD623被設置為單位增益(K=1)；在接入外接電阻RG后, AD623可編程設置增益,其增益最高可達1000倍。反相放大器A1的正相輸入端接由分壓電位器RP分壓后的直流電壓，調節分壓電位器RP可改變放大器的靜態直流輸出電壓。在體溫監測器的調試過程中，當傳感器溫度處于下限30℃時，調節分壓電位器RP，使反相放大器A1的輸出電壓為0V；當傳感器溫度上升到最大值50℃時,調節電阻RG，使反相放大器A1的輸出電壓為5V，這樣就使溫度傳感器的溫度從30～50℃變化時，反相放大器A1的輸出電壓從0～5V相應地發生變化。A2選用雙電源供電低噪聲精密運放作為射極跟隨器，可提高帶負載能力。

2.3 A/D轉換電路

為了提高精度，本設計采用MAX191 12位模數轉換電路。MAX191是一種CMOS型模數轉換芯片（ADC），內置參考電壓和內部時鐘，A/D轉換時間為7.5μs。本設計的A/D轉換受單片機控制，單片機通過讀寫口啟動A/D進行轉換。轉換完畢后向單片機送出高電平，經單片機查詢后，分兩次讀出轉換數據的低8位和高4位。A/D轉換電路如圖3所示。

圖3 A/D轉換電路圖

當輸入的模擬量為0～5V時，轉換后的12位數碼為二進制原碼。此12位數碼表示1個正數碼，其數碼與模擬電壓值的對應關系為：

另外，根據線性化后的溫度變化與電壓輸出的關系，可得如下關系式：

根據(7)式(8)式的關系，就可由A/D轉換的數碼換算出所要測量的體溫:

2.4 單片機系統

本設計采用AT89C52單片機系統。AT89C52單片機是一個低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內含8k bytes的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和256 bytes的隨機存取數據存儲器（RAM），兼容標準MCS-51指令系統，片內置通用8位中央處理器和Flash存儲單元。AT89C52單片機正常工作時，啟動A/D進行模數轉換。每當查詢到轉換完成后，分兩次從P1口讀出所轉換的低8位和高4位數據。將重復采樣讀得的數據進行平均計算，換算成對應的溫度送至液晶DY12864CBL進行顯示。

本實驗將體溫的測量范圍選擇在30～50℃。在此溫度范圍內，分別測量各攝氏度時的溫度，選用精度高達0.05℃的高精度溫度測量儀測量的溫度作為實際溫度進行參照，得到21組實驗數據。實測溫度與實際溫度的曲線如圖4所示。圖中T1表示實際溫度，T2表示實測溫度。

圖4 實際溫度與實測溫度曲線

2.5 液晶顯示

液晶顯示是人機交互的重要部分。本設計采用的液晶是圖形點陣液晶DY12864CBL，該液晶由128×64點陣組成，可以顯示圖形、數字和漢字。

該液晶供電電壓為+5V，液晶驅動模塊整合在液晶電路板內，使用起來較為方便。在電路中使用單片機的P2和P0端口作為液晶的控制線和數據線，其接口電路如圖5所示。

圖5 液晶顯示電路

3 軟件流程圖

圖6給出了熱療過程中體溫監測器的軟件流程圖。在實際測量中，根據熱療的具體情況需要事先設定參考溫度，參考溫度介于43～50℃。將所測量的溫度與參考溫度進行比較，若超過警報就予以報警，同時不斷重復進行測量過程。軟件流程圖如圖6所示。

4 結束語

本文研制的體溫監測器設計方法簡單，測量精度較高，安全可靠，根據需要還可實現多路擴展。與同類熱療過程中使用的測溫裝置進行比較，此溫監測器具有無水銀、低功耗、高性價比的特點，能夠快速、連續地對體溫進行實時監測。經實驗測試，熱療過程中對人體溫度進行實時監測，其有效溫度測量范圍在30～50℃，誤差在±0.1℃以內，具有較高的準確性和重復性。此體溫監測器的成功研制，將為患者在熱療過程中帶來便利。

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Development of Monitoring Implement for Body Temperature in Hyperthermia

HOU Hui-liang1，ZHENG Xiao-xi2
1.Equepment Department,Tongji Hospital Tongji Medical College of Hust Tongji Medical College Huazhong University of Science & Technology,Wuhan Hubei 430030,China;2. Wuhan General Hospital of Guangzhou Military Region, Wuhan Hubei 430030,China

Objective To develop a monitoring implement of body temperature in hyperthermia. It can display the result of body temperature and send out alarm to protect the security of patients according to the reference in hyperthermia. Methods To test the body temperature by using temperature sensor. The body temperature is displayed finally by LCD through signal disposed by linearity and amplification. It also can be disposed by AD converter and chip microprocessors. Results The implement can check the body temperature under the error of ±1% in hyperthermia. Conclusion The implement can measure the body temperature accurately and continuously at the real time in hyperthermia.

hyperthermia; thermistor; chip microprocessors

TH772+.2；R456+.1

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2011.08.010

1674-1633(2011)08-0032-04

2010-03-29

2011-05-04

本文作者：侯惠亮，主管技師，碩士。

作者郵箱：houhl01@163.com