前庭雙溫試驗中冷熱水刺激儀溫度控制的改進

陳月玲 張道宮 呂亞峰 樊兆民*

前庭雙溫試驗即冷熱試驗，是一種針對眩暈疾病診治的檢查方法，檢查中當外界環境溫度低于10 ℃加熱時間會加長，直接影響檢查效率。通過分析前庭雙溫試驗原理，改進前庭雙溫冷熱水溫度控制電路，從而減小誤差，同時提升輸出水溫的穩定性及精準性。

1 前庭雙溫試驗原理

向患者外耳道內灌注溫度分別為30 ℃和44 ℃的冷熱水，溫度經熱傳導改變半規管對應點的內淋巴液溫度，在半規管內淋巴液中形成溫度差，進而形成密度差，在重力作用下形成有規律的流動，刺激壺腹嵴，產生眼震。觀察分析不同耳別、不同溫度刺激下產生的眼震強度、持續時間以及頻次等參數，即可判斷受試者前庭功能[1]。試驗中注入冷熱水的溫度直接決定在半規管內淋巴液中形成的溫度差，從而決定了密度差，與內淋巴液流動的程度直接相關，同時與產生眼震的強度直接相關。因此注入冷熱水的溫度直接影響試驗結果，因此冷熱水溫度的準確性和穩定性非常重要。

2 設備現狀與改進方法

2.1 設備現狀

目前，多種冷熱水刺激儀的結構基本相同，均有一級溫度控制，在設備機箱內部有2個水箱，水箱的容量為1 L左右，其中一個水箱儲存水的溫度控制在30 ℃(試驗意義上的冷水)，另一水箱內水的溫度控制在44 ℃(試驗意義上的熱水)。工作時，通過電磁閥切換冷水或熱水，隔膜泵將水泵出，經過長約2 m的管路流到手柄，操作人員將手柄上的軟性管路插入受試者外耳道并將水灌注入。

由于灌注過程流經電磁閥、隔膜泵以及管路，在流動過程中其溫度會發生變化，變化量與管路保溫性能、長度及環境溫度均有關系，可能造成灌注水溫不準確。為此，分別測量室溫為10 ℃和25 ℃時手柄出水口的水溫，發現冷水溫度變化約±0.3 ℃，熱水溫度變化約±0.5 ℃。基于上述原因，在設備手柄上設計第二級溫度控制[2-3]。保留原有的2個水箱及溫度控制，但將水箱內水溫度略微調低，通過手柄上的二級溫度控制進行二次加溫，二次加溫選用模擬量控制方式而不是開關量控制，既降低了灌注水的波動性，又降低了灌注水流經管路產生的降溫及環境溫度的影響[4]。

2.2 二級溫控實現方案

(1)選用型號為MF51-503-3950(廣東東莞星響電子科技有限公司)的負溫度系數(negative temperature coefficient，NTC)熱敏電阻為測溫元件，其具有體積小、質量小、熱容量小、熱慣性小、方便安裝和反應時間快等優點[5]。

NTC熱敏電阻的電阻值隨溫度上升而下降，其電阻值(RT)的計算為公式1：

式中RT為當溫度為T ℃時的電阻值，R25為溫度25 ℃時的電阻值，B為溫度系數。

MF51-503-3950的R25為50 kΩ，B為3950。通過公式(1)可以算出R30為40.18 kΩ，R44為22.59 kΩ。

(2)選用電阻分壓網絡為測溫電路(如圖1所示)[6-8]；測溫電路電壓(VT)的計算為公式2：

圖1 測溫電路圖

式中VSS為供電電壓，選用12 Vdc為供電電壓。R0選用10 kΩ電阻，RT為熱敏電阻D的電阻值。

(3)控溫電路如圖2所示，對應冷水或熱水的參考電壓(VREF)的計算為公式3：

圖2 控溫電路圖

式中R0選用10 kΩ，針對冷水或熱水R1分別選用與熱敏電阻在30 ℃和44 ℃時阻值相同的電阻。

實際應用時，參考電壓有2個分別對應冷水和熱水，參考電壓通過2選1開關選擇后，供后續電路使用(如圖3所示)。

圖3 二級控溫電路圖

圖3 中VT為測溫電路的電壓，VREF為對應冷水或熱水的參考電壓。R2和R3為10 kΩ，C1為0.1 μF電容，R4為4.7 MΩ，功率三極管為TIP127，RL為負載電阻即加熱元件。

當水溫低于設定溫度時，VT＜VREF，運算放大器LM358[9]輸出正電壓驅動功率三極管打開，電流流過負載為水加熱。當水溫低于但接近設定溫度時，運算放大器輸出的電壓正比于VREF-VT，流過負載的電流正比于VREF-VT，加熱元件的發熱功率正比于VREFVT。當水溫等于或高于設定溫度時，運放輸出為零，功率三極管關閉，無電流流過負載，加熱元件不加熱[10]。以上設計避免開關控制加熱元件產生的溫度波動。

(4)加熱元件。刺激儀水流量每秒＜6.25 ml，將冷水及熱水水箱溫度設置低于要求溫度2 ℃內，加熱元件需在1 s內將6.25 ml的水加熱2 ℃，其功率P的計算為公式4：

式中ρ為水的密度，V為每秒流過水的體積，C為水的比熱，ΔT為水升高的溫度[11]。

根據上述公式計算出加熱元件功率≥50 W，因此選用72 W電熱絲繞制的電熱棒作為加熱元件，供電為12 Vdc，電阻為2 Ω，其計算為公式5：

式中R為加熱元件的電阻值，U為供電電壓，P為加熱元件的功率。

(5)手柄結構。將內徑為2 mm銅管緊密纏繞在棒狀加熱元件上，用環氧樹脂固定，在銅管與加熱棒的空隙處填滿導熱硅脂，銅管外側用隔熱材料包裹。測溫元件緊貼在距加熱元件上端(出水端)1/3處的銅管外側與隔熱包裹層之間，用環氧樹脂固定。

3 效果分析

在室溫條件下分別測試10次單次控溫和二次控溫后比較出水口冷熱水的溫度，其精準度和穩定度均得到相應提高，見表1。

表1 電路改進前后輸出溫度的比較(℃)

4 小結

前庭雙溫冷熱水溫度控制電路經過改進，采用模擬量控制二次控溫設計，使灌注水的溫度波動性誤差實測值＜0.1 ℃。在接近灌注點的手柄上增加二次控溫，避免了水流過管路造成的溫度變化，也避免了環境溫度的影響，使溫度準確性誤差＜0.2 ℃，整體溫度的穩定性和精準性均明顯提高，使用二級加熱元件加快了升溫速度，提高了檢查效率。

然而，在手柄處增加電路控制存在不足，其與設備間有2 m左右的連線增加了故障概率；二級控溫在長時間應用后的穩定性也有待檢測觀察，由于目前設備主機與手柄間連線較長造成使用不便也是今后前庭雙溫設備改進的研究方向。