智能控溫遠紅外熱敷治療儀的研制

趙東亮，馮坤，陳寶龍

河南省正骨研究院，河南 洛陽 471002

骨傷科常見慢性疾患有頸椎病、腰椎間盤突出癥、骨性關節炎等，其共同的病理機制為局部軟組織微循環障礙。代謝產物積聚，局部發生無菌性炎癥反應，軟組織粘連水腫，刺激或擠壓神經纖維，臨床表現為疼痛、腫脹、活動障礙等。中藥熱敷可促進炎性因子的吸收，減輕關節腫脹，促進關節軟骨的修復和細胞增殖，具有改善局部血液循環、促進局部代謝、軟化組織粘連、緩解肌肉痙攣及鎮痛的作用[1-2]。中藥熱敷具有藥療和熱療的雙重作用，藥物通過局部吸收，避免了肝臟的首過效應，達到直達病灶的目的，使治療更直接、更有效，同時降低了藥物的副作用。中藥熱敷是傳統的中藥外治法，臨床療效明顯，且經濟方便，無任何副作用，患者易于接受，在治療骨傷科慢性疾患方面有獨特優勢[3]。然而，縱觀市場上的熱敷器具幾乎沒有可以同時對治療溫度和治療時間同時實現精確控制的熱敷儀。基于現有熱敷器具存在的不足之處，我們結合本院的實際臨床需求，研制出一種可以對人體四肢關節及頸肩腰等部位進行熱敷治療的、具有自動恒溫和自動定時功能的智能控溫遠紅外熱敷治療儀。

1 總體方案設計

根據目前我院熱敷治療的使用情況和控制要求，我們采取的總體技術方案：主要由透熱藥墊、溫度傳感器、遠紅外加熱器、連接電纜線、控制箱等部件構成[4]。透熱藥墊采用高分子透熱材料制成，吸附性好。熱敷治療時，先將透熱藥墊上蘸取適量的熬制好的對癥配方的溫熱藥液，敷在需要治療的病痛部位，遠紅外加熱器緊貼藥墊上方，并固定好；溫度傳感器固定在藥墊和遠紅外加熱器夾層處；控制箱中的控制系統保證為遠紅外加熱器輸出36V安全電壓，并將溫度控制在預設值附近，保持恒溫，保證患者治療時感覺舒適；遠紅外加熱器加熱速度快，且具有獨特的穿透力，其能量可作用到皮下組織一定深度，再通過血液循環，將能量達到深層組織及器官中，增強了中藥分子的滲透吸收，提高了治療效果。

傳感器和加熱器與控制箱之間采用電纜線及航空插頭連接固定，既安全又方便。

2 控制系統硬件設計

智能控溫遠紅外熱敷治療儀的控制系統結構框圖，見圖1。系統主要由信號采集元件（智能集成溫度傳感器DS18B20）、中心控制單元（AT89S52單片機）、輸入設備（按鍵開關）、信號輸出設備（數碼管）以及輸出負載（遠紅外加熱器）組成[5]。DS18B20（美國DALLAS半導體公司）用于測量熱敷藥墊的溫度，具有測溫系統簡單、測溫精度高、連接方便、占用口線少等優點。AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K 可編程Flash 存儲器，可靠性高，性價比高。

圖1 控制系統結構框圖

系統運行過程：用戶根據自己的耐熱程度和治療需求通過按鍵開關設置治療溫度和治療時間，設置完畢后，智能控溫 遠紅外熱敷治療儀便進入全自動運行狀態，工作指示燈亮。通過DS18B20溫度傳感器對熱敷藥墊的溫度進行測量，測量值與設定值做比較，當（設定值-測量值）<5℃時進入模糊控制狀態，通過AT89S52控制可控硅的導通或截止來控制遠紅外加熱器的開啟或關閉以達到恒溫控制的目的，同時開始治療并自動計時。數碼管用于顯示治療溫度和治療時間，當有設置按鍵按下時顯示治療溫度和治療時間的設定值，沒有設置鍵按下時，顯示治療實測溫度和剩余治療時間。達到設定的治療時間后，工作指示燈熄滅，蜂鳴器報警提醒，同時自動關閉電源。

3 控制系統軟件設計

控制系統的軟件采用模塊化、結構化的程序設計理念，便于程序的維護和移植。系統主要由主程序、中斷服務程序和控制子程序等組成。主程序對系統初始化，實現設置參數輸入并進行各種數據處理和子程序的調用等，其程序流程，見圖2。中斷服務程序實現定時功能及子程序所需要的延時功能以及輸出控制。子程序實現各自的控制要求[6]。當設定溫度值和測量溫度值的溫度偏差＜5℃時，進入模糊控制加溫狀態，模糊控制器采用單輸入單輸出型，輸入量為溫度偏差，輸出直接控制可控硅。模糊控制在設計中不需要建立被控對象的精確的數學模型，使得控制機理和策略易于接受與理解，具有良好的魯棒性和適應性，被控溫度達到調節時間短、超調量小且穩態誤差達到（±1）℃的技術要求。 當儀器進入模糊控制加溫狀態時才開始自動倒計時，這樣設計更人性化，便于收費管理。

圖2 主程序流程圖

4 結束語

該智能控溫遠紅外熱敷治療儀制作成功后，經過反復調試和修改程序，恒溫控制和自動定時報警燈等各項功能都達到了預期設計要求，控溫精度可達（±1）℃，最小計時單位1 min。用戶可以根據治療需求任意設置治療溫度和治療時間，治療實際溫度能夠恒定在設置溫度值附近，輸出負載電壓為36 V，具備智能化儀器的特征，使患者使用更安全、更方便。遠紅外加熱器的穿透作用使得中藥成分更容易被病痛部位所吸收，從而增強了治療效果。

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