大數(shù)據(jù)技術(shù)支撐下的醫(yī)療設(shè)備溫控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)研究

吳運華

(織金縣人民醫(yī)院， 貴州， 畢節(jié) 552100)

0 引言

近幾年，中國人均收入逐漸增加，再加上老齡化程度的加重，使得人們對健康重視度逐漸上升，為醫(yī)療體系帶來了極大的壓力。隨著科技的不斷發(fā)展與進步，多種多樣的醫(yī)療設(shè)備被相繼研發(fā)，可以更加精細、準確地檢查人們身體健康情況，也為醫(yī)療體系降低了一定的工作量[1-2]。

國內(nèi)外大量高精度溫度控制系統(tǒng)采用控制方法之后，針對半導(dǎo)體制冷的特點，設(shè)計并研制了新型的溫度控制器，具有溫度控制精度高、位寬廣、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定時間長等優(yōu)點。國外的先進控制方式不斷地被引入，并且不斷地被創(chuàng)新，我國在溫控系統(tǒng)中的控制模式也越來越趨向于智能化，并且出現(xiàn)了一批性能優(yōu)異的溫控系統(tǒng)及儀表，在工業(yè)生產(chǎn)和生活中起到了無法取代的作用[3]。醫(yī)療設(shè)備結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，部件多種多樣，會產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，為溫度控制帶來了一定的難度，希望通過大數(shù)據(jù)技術(shù)的支撐，提升溫控系統(tǒng)的整體應(yīng)用性能，保障醫(yī)療設(shè)備的穩(wěn)定運行[4]。

1 醫(yī)療設(shè)備溫控系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 主控芯片選取單元

LTC1923主控芯片實質(zhì)上是一種脈沖寬度調(diào)制器，能夠?qū)囟仍O(shè)備進行雙向驅(qū)動。另外，LTC1923主控芯片能夠利用較少的部件與溫度控制回路，控制醫(yī)療設(shè)備的溫度環(huán)境[5-6]。LTC1923主控芯片內(nèi)置TEC驅(qū)動電路形式為H橋電路，該電路結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 H橋電路示意圖

在醫(yī)療設(shè)備溫度控制過程中，LTC1923主控芯片通過內(nèi)置放大器對EAOUT引腳與CT引腳上的波形進行比較，以此來對電流方向進行控制。

1.2 電源單元

在醫(yī)療設(shè)備溫控系統(tǒng)中，每個單元與模塊都需要電壓支撐，為了保障設(shè)計系統(tǒng)的壽命與穩(wěn)定性，在直流電源接入時，需要加入軟啟動電路[7-8]。軟啟動電路示意圖如圖2所示。

圖2 軟啟動電路示意圖

如圖2所示，在軟啟動電路中，電源開關(guān)電路主要由三極管Q1與MOS管M1構(gòu)成。在軟啟動電路運行時，開關(guān)S1閉合，電容C5與C6充電，M1導(dǎo)通，電源電流內(nèi)阻較小，并采用2512進行封裝[9]。

2 醫(yī)療設(shè)備溫控系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 溫度數(shù)據(jù)采集與處理模塊

當DS18B20溫度傳感器核心芯片引腳CS為低電平時，向溫度控制模塊傳輸12位的醫(yī)療設(shè)備溫度數(shù)據(jù)[10-11]。利用大數(shù)據(jù)技術(shù)對其進行去均值化處理，處理公式為

(1)

式中，u(k)與y(k)分別表示輸入真實值與輸出真實值；u*(k)與y*(k)分別表示輸入實測值與輸出實測值；u0與y0分別表示輸入穩(wěn)態(tài)值與輸出穩(wěn)態(tài)值。

2.2 溫度控制模塊

以上述采集、預(yù)處理后的溫度數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，基于模糊PID控制器實現(xiàn)醫(yī)療設(shè)備溫度的實時控制，為醫(yī)療設(shè)備運行安全提供保障[12]。標準PID控制器表達式為

(2)

式中，Uk表示標準PID控制器輸出值；Kp、Ki與Kd表示PID控制參數(shù)；ek、ei、ek與ek-1表示不同時刻的溫度偏差；out0表示輸出溫度初始值。構(gòu)建梯形隸屬度函數(shù)，其計算公式為

(3)

式中，a,b,c,d分別表示梯形4個頂點在坐標系中的坐標信息[13]。對模糊PID控制器輸出數(shù)值進行轉(zhuǎn)化的過程。此研究選取重心法對輸出數(shù)據(jù)進行解模糊計算，表達式為

μΔp=min{μ(e),μ(ec)}

(4)

式中，μΔp表示兩者取小值；min表示的是取小運算；μ(e)與μ(ec)分別表示偏差及其偏差變化率的隸屬度。

2.3 主控網(wǎng)絡(luò)配置模塊

主控網(wǎng)絡(luò)配置是否合理，直接決定著設(shè)計系統(tǒng)是否能夠順利運行，采用一鍵配網(wǎng)方式實現(xiàn)主控網(wǎng)絡(luò)配置功能，為設(shè)計系統(tǒng)提供穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)支撐。設(shè)計系統(tǒng)通過SmartConfig發(fā)送UDP廣播包來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)智能配置。UDP廣播包中數(shù)據(jù)格式如表1所示。

表1 UDP廣播包中數(shù)據(jù)格式表

通過上述硬件單元與軟件模塊的設(shè)計，實現(xiàn)了醫(yī)療設(shè)備溫控系統(tǒng)的運行，為醫(yī)療設(shè)備的安全提供更加有效的系統(tǒng)支撐。

3 系統(tǒng)應(yīng)用性能分析

3.1 實驗環(huán)境搭建

大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用對系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)具有較高的需求，故需要在實驗前，搭建良好的實驗網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，具體如圖3所示。

圖3 實驗網(wǎng)絡(luò)環(huán)境示意圖

3.2 實驗對象選取

為了保障實驗結(jié)果的準確性，選取不同級別、不同種類、不同數(shù)量的醫(yī)療設(shè)備作為實驗對象。將實驗對象隨機劃分為多個實驗組別，為后續(xù)實驗進行做準備。

實驗組別具體情況如表2所示。

表2 實驗組別表

3.3 實驗結(jié)果分析

依據(jù)上述搭建的實驗環(huán)境，選取的實驗對象，進行醫(yī)療設(shè)備溫度控制實驗。通過溫度調(diào)節(jié)時間及其超調(diào)量來反映系統(tǒng)的應(yīng)用性能，具體實驗結(jié)果分析過程如下。

通過實驗獲得系統(tǒng)應(yīng)用性能數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 系統(tǒng)應(yīng)用性能數(shù)據(jù)表

由表3數(shù)據(jù)顯示，現(xiàn)有系統(tǒng)溫度調(diào)節(jié)時間范圍為34.26～46.78 ms，超調(diào)量范圍為4.23%～6.48%；設(shè)計系統(tǒng)溫度調(diào)節(jié)時間范圍9.45～21.46 ms，超調(diào)量范圍為0.80%～1.47%。與現(xiàn)有系統(tǒng)相比較，設(shè)計系統(tǒng)溫度調(diào)節(jié)時間大幅縮短，充分證實了設(shè)計系統(tǒng)醫(yī)療設(shè)備溫控效果更好。

4 總結(jié)

此研究在大數(shù)據(jù)技術(shù)的支撐下，設(shè)計了新的醫(yī)療設(shè)備溫控系統(tǒng)，極大地縮短了溫度調(diào)節(jié)時間，減小了超調(diào)量，能夠為醫(yī)療設(shè)備使用安全性提供更加有效的保障，也為溫控研究提供一定的參考。