醫用紅外測溫儀的軟件設計

毛坤劍　許新建*　張明旭　劉暾東　李達義

醫用紅外測溫儀的軟件設計

毛坤劍①許新建①*張明旭①劉暾東②李達義①

目的：基于紅外測溫原理和體溫折算法設計醫用紅外測溫儀軟件，以實現醫用紅外測溫儀的模塊功能運用。方法：采用匯編語言設計主程序、電池低電量檢測子程序、環境溫度檢測程序、待測溫度監測計算子程序、蜂鳴器報警子程序、EEPROM數據存儲子程序、體溫精度校準子程序以及按鍵檢測子程序等，并使用燒錄器進行燒錄。結果：醫用紅外測溫儀經過臨床測試，其軟件系統在環境溫度為24 ℃、26 ℃和28 ℃時進行精度測試，測試結果最大差值僅為0.2 ℃，測量溫度重復性較好，精度較高。結論：設計的醫用紅外測溫儀軟件系統在設置的不同環境溫度下測試精度高，重復性好，能夠滿足紅外測溫儀快速測溫的運用，為臨床提供準確的測溫數據。

紅外測溫；環境溫度補償；匯編語言；醫用軟件

[First-author’s address] Chenggong Hospital, Xiamen University and the 174thHospital of PLA, Xiamen 361003, China.

醫用紅外測溫儀是重要的非接觸測溫設備，其測溫速度快、操作簡單，受到醫療機構的青睞[1]。由于人體溫度與環境溫度相近，基于紅外測溫的工作原理，紅外測溫儀容易受環境溫度的影響，導致測量精度不高，在不同的環境溫度下測量溫度重復性較差，直接影響臨床對患者體溫的準確判斷。為此，本研究基于紅外測溫原理和體溫折算法，采用環境溫度補償方法進行軟件設計，以提高醫用紅外測溫儀溫度測量精度和重復性[2]。

1　醫用紅外測溫與體溫折算法原理

紅外溫度傳感器是一種基于Seebeck效應的熱電堆，人體的紅外線輻射到熱電堆內部的吸收膜，引起薄膜溫度上升，當內部熱電偶陣列兩端存在溫度梯度時回路中就會有電流通過，此時兩端之間存在Seebeck電動勢，為熱電動勢[3]。熱電堆輸出的電壓值V與待測溫度和環境溫度[4]的關系如公式1：

式中S為器件系數；ε1為待測物輻射率；δ為校正透射率；T1為待測物溫度；T2為傳感器溫度。

公式1熱電堆輸出的電壓值V與待測溫度和環境溫度的關系：當環境溫度固定時，待測溫度變化1 ℃時，V1電壓變化一般為數十個μV；當待測物溫度與紅外溫度傳感器溫度相同時，V1電壓值為0 V[5]。待測溫度與環境溫度的數學關系式如公式2：

當紅外測溫儀的微控制器單元(micro control unit，MCU)采集V1的電壓值和傳感器的環境溫度T1，建立環境溫度的V1對應待測溫度的表格，查此表得到當前T1對應的電壓值V2，將VTP與V2相加得到V3，通過反查此表得到待測物的溫度值

2　醫用紅外測溫儀系統軟件設計

軟件系統主要包括主程序、電池低電量檢測子程序、環境溫度檢測、待測溫度監測計算子程序、蜂鳴器報警子程序、EEPROM數據存儲子程序、體溫精度校準子程序以及按鍵檢測子程序等[7]。

2.1主程序設計

主程序設置紅外測溫儀開機后進行初始化測試和電池電量檢測，若電池電量足夠，根據環境溫度進行校正。開始使用時判斷模擬數字(analog digital，AD)數據采集是否完成，同時將測試結果顯示在LCD屏幕上。在開機后一直進行按鍵掃描程序，并根據掃描結果判斷是否進入睡眠模式[8]。其流程如圖1所示。

圖1　紅外測溫儀主程序流程圖

2.2數據采集程序設計

紅外測溫儀的數據采集主要分為電池電壓采集、負溫度系數(negative temperature coefficient，NTC)環境溫度采集以及V1待測物溫度采集。采集電壓數值時，采集頻率設置為12.5 ms，采集通道設置為VDD/5和VCM，將采集完10次累計減去最大值和最小值，再求平均，將計算后的AD值保存到變量，最后利用兩次測量的AD值計算，判斷電壓電量[9]。采集NTC環境溫度，采集設置為12.5 ms，第一采集通道設置為AN4和VCM，將采集完10次累加減去最大值和最小值，再求平均，將計算后的AD值保存到變量AN4；第二采集通道設置為AN2和VCM，將采集完10次累加減去最大值和最小值，再求平均，將計算后的AD值保存到變量AN2，最后利用3次量測的AD值Z計算得到電阻值，查表得到環境溫度值，其計算為公式3：

式中K為NTC校正參數；AN4為第一通道采集平均值。

采集待測物體參數時，采集頻率設置為20 ms，采集通道設置為AN0和VCM，將采集完10次累加減去最大值和最小值，再求平均，將計算后的AD值保存到變量AN0，最后利用體溫折算法得到待測物溫度值[10]。其程序如圖2所示。

圖2　紅外測溫儀AD采集子程序流程圖

2.3系統校正程序和溫度校準程序設計

系統設定紅外測溫儀開機后則自動校正，以查看其一些硬件基本情況和軟件程序設備，如有異常將自動重置。其程序流程如圖3所示。

醫用紅外體溫儀不僅受紅外溫度傳感器自身透鏡的透射率與機構引起的輻射角度的影響，還容易受環境溫度的影響，因此，必須進行參數校準以達到溫度補償[11]。其流程如圖4所示。

圖3　紅外測溫儀校正程序流程圖

圖4　紅外測溫儀校準程序流程圖

2.4按鍵掃描程序和蜂鳴器報警程序設計

紅外測溫儀的按鍵具有組合功能，其按鍵掃描程序每0.5 s對按鍵進行掃描，如有檢測被按下，就執行開機程序，如檢測到3 s未被按下，就進入睡眠狀態，如檢測到被按下3 s，系統進入關機狀態。當系統進入查看數據子程序時，每按下一次按鍵，就更新一個存儲數據[12]。

紅外測溫儀具有3個報警功能：①開機時校正正常后出現一聲“嘀”，提示設備準備就緒；②測試錯誤后出現兩聲“嘀嘀”，提示系統錯誤；③所測溫度超出設定溫度出現兩聲“嘀嘀”，提示患者體溫異常。系統根據不同的報警功能設置不同的驅動程序驅動蜂鳴器[13]。

3　醫用紅外測溫儀臨床測試結果

本系統在環境溫度24 ℃、26 ℃和28 ℃下，分別對同一患者的體溫進行5次測試，經過軟件溫度補償后，最大差值僅為0.2 ℃。整個系統在運用測試過程中，操作簡單，使用方便，反應速度快，性能穩定且重復性良好[14]。其測試數據見表1。

表1　同一患者不同環境溫度下體溫測試數據

4　結論

醫用紅外測溫儀具有響應速度快和靈敏度高等優點，被廣泛運用于患者體溫的快速測量。由于傳統的醫用紅外測溫儀各種設計缺陷而導致精度不高、重復性較低。本研究設計的紅外測溫儀軟件系統，能夠實現其各功能模塊的運用，并通過獨特的數據采集算法、校正算法和校準算法，能夠實現在不同的環境溫度下重復性較高、精度也較高，為醫務人員提供較為準確的臨床數據[15]。本系統使用簡單，測量速度快，能夠滿足患者快速測量體溫的需求。

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Software design of medical infrared temperature measuring instrument

MAO Kun-jian, XU Xin-jian, ZHANG Ming-xu, et al// China Medical Equipment,2016,13(11):4-6.

Objective: Design a application software for the function of the module of medical infrared thermometer based on the principle of infrared measuring temperature and temperature conversion method. Methods: In this paper, the assembly language was used in the main program, low battery detection subroutine, the ambient temperature detection, measure temperature monitoring calculation subroutine, buzzer alarm subroutine, EEPROM data storage subroutine, temperature precision calibration subroutine and key detection subroutine etc., and burner for burning. Results: After clinical testing, the environment temperature in the software system of medical infrared thermometer was 24 °C, 26 °C, 28 °C for accuracy test, and the maximum difference was only 0.2 °C. Conclusion: The software system of medical infrared temperature measurement has high precision and good repeatability, and can be used to meet the fast temperature measurement of infrared temperature measuring instrument.

Infrared temperature measurement; Ambient temperature compensation; Assembly language; Medical application software

1672-8270(2016)11-0004-03

R197.324

A

毛坤劍,男,(1981- ),本科學歷，工程師。解放軍第174醫院(廈門大學附屬成功醫院)器材科，從事醫療設備的維修、質量控制及使用管理等方面的研究工作。

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2016.11.002

①解放軍第174醫院(廈門大學附屬成功醫院)器材科 福建 廈門 361003

②廈門大學航空航天學院自動化系 福建 廈門 361003

329716820@qq.com

2016-06-22