體溫輸液控制的電路設(shè)計(jì)研究

趙云龍

(天津醫(yī)療器械質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心，天津 300384)

0 引言

靜脈輸液是我國(guó)治療疾病的主要方式，通過(guò)向患者血管內(nèi)注射藥物，實(shí)現(xiàn)消滅人體內(nèi)病毒和病菌的目的。然而由于藥液性質(zhì)不同，對(duì)個(gè)人所造成的傷害也有所差異，最常見(jiàn)的侵害方式就是溫度，很多藥液需要在陰涼的地方保存，直接輸入到人體內(nèi)會(huì)造成血管膨脹，患者也會(huì)感到不適，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)手腳發(fā)麻的情況。將電路溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)與體溫輸液融合，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)藥液的加熱，使患者靜脈注射過(guò)程更加舒適。

1 體溫輸液控制設(shè)計(jì)的必要性

1.1 減少不良反應(yīng)

由于靜脈輸液過(guò)程中，藥液與患者體溫處于不平衡狀態(tài)，過(guò)低的藥液溫度會(huì)導(dǎo)致人體的血液溫度隨之降低，患者會(huì)產(chǎn)生一系列的不良反應(yīng)。較輕的不良反應(yīng)包括身體發(fā)冷、血管凸起、血管疼痛，有一部分不良反應(yīng)在輸液完成之后會(huì)消失，但低溫藥液對(duì)體內(nèi)造成的影響是不可估量的。較為嚴(yán)重的不良反應(yīng)包括身體麻木、身體痙攣、胃部疼痛等，在低溫藥液的刺激下，會(huì)嚴(yán)重影響健康。因此，設(shè)計(jì)體溫輸液控制系統(tǒng)十分必要，通過(guò)加溫藥液的方式可以降低甚至消除患者輸液過(guò)程中的不適感，減少輸液并發(fā)癥的產(chǎn)生。

1.2 增加藥液吸收

人體藥液吸收效率受藥液溫度影響比較大，若人體的體溫高于藥液的溫度，則藥液進(jìn)入人體后的吸收程度會(huì)減弱；若藥液的溫度過(guò)高，會(huì)嚴(yán)重影響藥劑的穩(wěn)定性，甚至導(dǎo)致藥液失效。通過(guò)電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)藥液溫度的科學(xué)控制，保持藥液溫度不會(huì)過(guò)高或者過(guò)低，使其維持在穩(wěn)定的狀態(tài)，有益于患者對(duì)藥液的吸收，達(dá)到更好的治療效果。

1.3 特殊病人的需求

有很多特殊病人對(duì)藥液的溫度要求比較高，其中包括術(shù)后病人、老年人、嬰兒等，該類病人對(duì)藥液的敏感性比較強(qiáng)。術(shù)后病人由于開(kāi)刀導(dǎo)致體內(nèi)缺血，微量元素流失，身體會(huì)發(fā)冷，甚至有部分術(shù)后患者會(huì)產(chǎn)生高燒等不良反應(yīng)，在輸液時(shí)如果溫度控制不合理，導(dǎo)致不良反應(yīng)產(chǎn)生，會(huì)影響到術(shù)后效果，對(duì)病患的恢復(fù)會(huì)造成不利影響。嬰兒和老年人的身體素質(zhì)比較差，對(duì)藥液的承受力比較弱，他們極易在輸液過(guò)程中出現(xiàn)比較嚴(yán)重的不良反應(yīng)，因此，對(duì)藥液的溫度進(jìn)行控制非常必要。

2 體溫輸液控制系統(tǒng)理念

由于藥液需要在陰涼、潮濕、避光的區(qū)域保存，保障其藥效的穩(wěn)定性。醫(yī)院在為患者輸液前，由于藥品長(zhǎng)時(shí)間的低溫保存使得藥液溫度較低，很多醫(yī)院為了減少溫度過(guò)低對(duì)患者造成的影響，會(huì)用溫水泡一下藥液瓶，或者用暖水袋減緩輸液時(shí)的不良反應(yīng)，但有很多藥液無(wú)法進(jìn)行水泡。國(guó)外在輸液過(guò)程中嘗試使用化學(xué)藥品對(duì)藥液進(jìn)行加熱，這種加熱方法操作比較復(fù)雜，效率較低，每次輸液都需要耗費(fèi)一定的化學(xué)材料，成本比較高，溫度控制較為困難。通過(guò)控制加熱器與輸液口距離實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度控制，具有很多不可控因素。本文設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)是基于電路板和單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的傳感設(shè)計(jì)，溫度可控性比較高，經(jīng)過(guò)單片機(jī)傳感器的自動(dòng)調(diào)節(jié)，使其滿足不同患者對(duì)輸液溫度的需求[1]。

3 體溫輸液控制電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)依據(jù)及可行性

3.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

常規(guī)的輸液方式每分鐘內(nèi)向人體輸入40～60滴的藥液，受環(huán)境和重力等因素影響，速度和滴液的重量有所差別，每10滴左右的藥液重量為1 g左右。常規(guī)的輸液方式下，若想在患者體內(nèi)輸入約為500 g的藥液，時(shí)間通常在90～120 min。本文以此為基礎(chǔ)對(duì)輸液控制系統(tǒng)下行管參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，科學(xué)選用電阻絲控制電流。

從倉(cāng)庫(kù)或者藥房取出的藥物溫度多在20℃左右，最低為15℃，本設(shè)計(jì)以最低溫度為衡量標(biāo)準(zhǔn)。需要將其加熱到與患者體溫相適的36℃，假設(shè)每分鐘患者體內(nèi)輸入的藥液數(shù)量為5 g，則產(chǎn)生的熱量約為418 J[2]。

將電阻絲纏繞制成加熱系統(tǒng)所需的電熱板。電阻絲參數(shù)設(shè)計(jì)為20 Ω/m，完成最終的電阻絲纏繞需要3.5 m，最終電阻絲的總電阻為70 Ω。根據(jù)電流計(jì)算公式，計(jì)算出所需要的電壓和電流。最終所得溫度控制電路板電阻絲的通過(guò)電流為0.315 A，所需要的電壓參數(shù)為19 V，在滿足上述參數(shù)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱系統(tǒng)的科學(xué)設(shè)計(jì)。

3.2 設(shè)計(jì)可行性

3.2.1 技術(shù)可行性

應(yīng)用電流實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的加熱是比較常見(jiàn)的方式，在我國(guó)早已普及，主要應(yīng)用在恒溫電箱、恒溫電器等方面。雖然其在醫(yī)療領(lǐng)域中的應(yīng)用并不常見(jiàn)，但電流加熱技術(shù)和溫度控制系統(tǒng)技術(shù)在我國(guó)已經(jīng)逐漸完善。從技術(shù)角度看，應(yīng)用電流實(shí)現(xiàn)對(duì)藥液的加熱，應(yīng)用電阻可以改變加熱的溫度，在配置溫度傳感器的基礎(chǔ)上，傳遞藥液的溫度信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)藥液溫度的科學(xué)檢測(cè)，單片機(jī)可以自動(dòng)化調(diào)節(jié)加熱板的溫度大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)藥液的恒溫調(diào)節(jié)與自動(dòng)控制。單片機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)在我國(guó)應(yīng)用普遍，滲透在日常生產(chǎn)和生活的各個(gè)方面，將其與電流加熱系統(tǒng)融合，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的科學(xué)控制，在技術(shù)開(kāi)發(fā)和技術(shù)應(yīng)用上具有可行性[3]。

體溫控制輸液模式滿足了大多數(shù)患者的需求。很多患者會(huì)采用熱水袋等物理方式對(duì)體溫進(jìn)行控制，但這種控制方式受環(huán)境因素限制比較大，熱水袋的降溫速度也比較快，無(wú)法滿足整個(gè)輸液流程的需要。使用體溫輸液控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的自動(dòng)控制、自動(dòng)監(jiān)測(cè)，既方便了患者，又具有持續(xù)性。

3.2.2 經(jīng)濟(jì)可行性

設(shè)計(jì)體溫輸液控制系統(tǒng)，按照相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)電流和電阻，輔助應(yīng)用單片機(jī)和溫度傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制以及監(jiān)測(cè)。與國(guó)外的化學(xué)加熱方式相比，所耗費(fèi)的材料比較少，電路系統(tǒng)可以反復(fù)使用，并不像國(guó)外加熱方式一樣需要耗費(fèi)大量的材料。所需要的資金主要用于技術(shù)試驗(yàn)以及材料購(gòu)買，一旦投入使用，只需要后期的維護(hù)費(fèi)用即可。因此，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，耗費(fèi)材料比較少，可以反復(fù)使用，成本價(jià)格比較低廉，唯一比較耗費(fèi)資金的地方就是單片機(jī)和傳感器設(shè)備的引進(jìn)與使用，在經(jīng)濟(jì)上具有可行性。

4 體溫輸液控制電路系統(tǒng)工作原理

4.1 電路組成

4.1.1 電源部分設(shè)計(jì)

電源部分是供給整個(gè)系統(tǒng)供電的核心裝置，為了保障整個(gè)電路系統(tǒng)的穩(wěn)定性，持續(xù)給予電力，可以將交流電源與直流電源融合。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，嘗試應(yīng)用蓄電池直接供給24 V電力，但這種方式受蓄電池壽命影響比較大，因此采用更加穩(wěn)定的交流與直流融合的電力供給方式，使用不會(huì)對(duì)人體造成危害的24 V電壓，保障輸液加溫過(guò)程的安全性。單片機(jī)控制系統(tǒng)電壓參數(shù)為5 V，供給24 V的直流電，輔助應(yīng)用集成性比較高的穩(wěn)壓器作為電流提供裝置。加熱板運(yùn)行過(guò)程中所使用的電壓參數(shù)為24 V，采用比較簡(jiǎn)單的直流電供應(yīng)方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度控制系統(tǒng)的電力供給[4]。

4.1.2 溫度檢測(cè)部分設(shè)計(jì)

為了保障整個(gè)輸液過(guò)程以及溫度控制方式在可控范圍內(nèi)，使用傳感器裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)輸液過(guò)程的溫度監(jiān)控，避免由于電源故障導(dǎo)致溫度過(guò)高或者過(guò)低對(duì)患者造成的不良影響。溫度檢測(cè)部分是電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，本設(shè)計(jì)主要使用型號(hào)參數(shù)為PT100的熱電阻材料，當(dāng)溫度產(chǎn)生相應(yīng)的變化時(shí)，電阻也會(huì)隨之而改變。當(dāng)藥液的溫度值為0℃時(shí)，傳感器的熱電阻阻值為70 Ω。傳感器在應(yīng)用過(guò)程中與電位器等組成電橋電路，電位器在系統(tǒng)中的主要作用是調(diào)節(jié)電橋，確保整個(gè)輸液中電橋的平衡性以及穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)同時(shí)應(yīng)用集成運(yùn)算放大器設(shè)備，本設(shè)計(jì)選擇質(zhì)量較好，效率較高型號(hào)參數(shù)為T(mén)L27L2B的設(shè)備，其在系統(tǒng)中的主要功能是對(duì)電橋輸入電壓進(jìn)行控制，使其可以達(dá)到放大電壓的效果。為了保障集成運(yùn)算放大器的功能在可控的范圍內(nèi)，輔助使用電路進(jìn)行控制。

本設(shè)計(jì)中的電橋電路具備溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化功能，將電壓與信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)將電壓的變化參數(shù)輸入到集成運(yùn)放系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)參數(shù)輸出，最終將其輸送到單片機(jī)的端口中。單片機(jī)具備強(qiáng)大的模擬功能和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能，可以將模擬結(jié)果轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，并在特定的單元內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存。單片機(jī)的顯示電路可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的反饋，顯示出藥液相應(yīng)的溫度。最后，單片機(jī)可以將內(nèi)部?jī)?chǔ)存的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，控制端口輸入的脈沖信號(hào)參數(shù)。端口輸出控制主要應(yīng)用干脈寬調(diào)制進(jìn)行控制。基于上述電橋電路、傳感器和單片機(jī)的設(shè)計(jì)，共同實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度參數(shù)的檢測(cè)與溫度信號(hào)的傳輸。

4.1.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在進(jìn)行溫度檢測(cè)以及電源輸入設(shè)計(jì)后，需要對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)?？刂葡到y(tǒng)是保障每個(gè)系統(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)行，輸出相關(guān)數(shù)據(jù)的關(guān)鍵，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)問(wèn)題的控制以及調(diào)節(jié)。因此，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)主要應(yīng)用型號(hào)參數(shù)為STC12C5A60S2的單片機(jī)。該單片機(jī)最主要的功能輔助檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓數(shù)值的轉(zhuǎn)化，將其轉(zhuǎn)化為溫度值從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。由2個(gè)端口負(fù)責(zé)數(shù)值的最后輸出，控制LED屏幕的數(shù)碼管，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的準(zhǔn)確顯示。此外，單片機(jī)還有一項(xiàng)功能就是對(duì)比系統(tǒng)中預(yù)先設(shè)定的溫度值和當(dāng)前的溫度值，對(duì)比溫度值的高低，如果過(guò)高則降低溫度，如果過(guò)低則升高溫度。通過(guò)對(duì)端口脈沖的寬度控制，實(shí)現(xiàn)最終的溫度控制目的。該設(shè)計(jì)主要通過(guò)控制電流量實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)。

4.1.4 輸出控制部分設(shè)計(jì)

為了保障系統(tǒng)對(duì)溫度數(shù)值輸出以及控制的科學(xué)性和準(zhǔn)確性，應(yīng)用光耦驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行電壓隔離，確保電路系統(tǒng)的功率可以支持整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。本設(shè)計(jì)主要應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)器型號(hào)參數(shù)為T(mén)LP250，該驅(qū)動(dòng)器具有功率放大作用，可以隔離單片機(jī)與加熱板的高電壓，有效地實(shí)現(xiàn)光電隔離。輸出控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是維持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，該部分可以將單片機(jī)的輸出端口和溫度有關(guān)的脈沖信號(hào)進(jìn)行解碼驅(qū)動(dòng)。設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)器功率管的參數(shù)為VT5，通過(guò)光耦驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱板電流的控制。

4.2 工作原理

通過(guò)對(duì)體溫輸液控制電力系統(tǒng)各部分設(shè)計(jì)，賦予各部分相應(yīng)的功能，在共同的作用下實(shí)現(xiàn)溫度的控制和調(diào)節(jié)。在設(shè)置好相關(guān)參數(shù)，確定最終的數(shù)值和材料后，對(duì)電路系統(tǒng)的運(yùn)行原理進(jìn)行分析。

系統(tǒng)中包括檢測(cè)電路、傳感器、液體溫度檢測(cè)、電橋電路數(shù)值轉(zhuǎn)換器，經(jīng)過(guò)集成運(yùn)放后將數(shù)值輸入到單片機(jī)系統(tǒng)中。單片機(jī)的主要作用是模擬信號(hào)，轉(zhuǎn)化模數(shù)，將信號(hào)儲(chǔ)存至相應(yīng)的單元中。經(jīng)過(guò)最終的計(jì)算后，將模數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)化為溫度值顯示在LED屏中。單片機(jī)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字信號(hào)的控制，在電路板端口中輸出脈沖信號(hào)。脈沖信號(hào)控制主要采用比較常見(jiàn)的脈寬調(diào)制方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。系統(tǒng)運(yùn)行期間，若傳感器采集數(shù)值轉(zhuǎn)化的溫度高于36℃，則端口輸入的電壓值會(huì)隨之產(chǎn)生變化，以數(shù)模轉(zhuǎn)化的方式增加單片機(jī)內(nèi)存單元值，減少脈沖輸出的寬度，從而使溫度降低。若傳感器采集的溫度低于36℃時(shí)，則端口模擬電壓值降低，經(jīng)過(guò)單片機(jī)的控制，使脈沖寬度增加，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的調(diào)節(jié)。如果傳感器采集的溫度數(shù)值為36℃，與設(shè)計(jì)的溫度相吻合，則端口輸出電壓為定值。系統(tǒng)通過(guò)編程方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制，避免溫度過(guò)高或者過(guò)低。溫度控制系統(tǒng)電路如圖1所示。

圖1 溫度控制系統(tǒng)電路圖

5 結(jié)語(yǔ)

基于電路系統(tǒng)的體溫輸液控制效果比較好，輸液過(guò)程中的溫度具有一定的穩(wěn)定性，藥液流速不會(huì)對(duì)溫度產(chǎn)生影響。通過(guò)單片機(jī)的控制，可以將溫度控制在合理的范圍之內(nèi)，安全性、舒適性、可靠性等均可以得到保障。與普通的加溫輸液不同，本設(shè)計(jì)操作更加簡(jiǎn)單，使用效果更加明顯，在技術(shù)上具有可行性，對(duì)于提高患者藥液吸收程度、降低藥液輸入影響具有積極的作用。