一種具有反饋調節功能的紅外熱輻射治療設備設計

周宇新 鄧瀟彬 廣東省醫療器械質量監督檢驗所 （廣東 廣州 510663）

內容提要： 介紹一種具有反饋調節功能的紅外熱輻射治療設備的設計及論證其設計方案可行性。為了在紅外熱輻射治療設備進行治療時對治療部位的表面溫度進行采集與處理、對治療部位的表面溫度異常狀態進行識別及通過處理后的數據對紅外熱輻射治療設備進行反饋調節，實現整個設計目標，通過對臨床實際使用情況的調研、實驗和分析，最后確定具有反饋調節功能的紅外熱輻射治療設備的框架。

紅外線照射是臨床常用的康復護理方法之一，在實際使用過程中具有較好的療效。目前為止，尚無關于國家食品藥品監督管理局對使用紅外熱輻射治療設備所產生的嚴重不良反應進行報告的報道，因此，紅外熱輻射治療設備作為一種安全無創、操作簡便和不良反應少的物理治療設備，備受需要康復護理的機構青睞，在臨床護理學領域受到廣泛關注和應用。但目前市面上在售的紅外熱輻射治療設備在使用過程中也有很多問題不容忽視：首先，紅外熱輻射治療設備的使用條件通常來源于患者的主觀感受以及護理人員的經驗，使得紅外熱療設備的使用缺乏客觀科學性。其次，市場上現有的紅外熱輻射治療設備缺少反饋調節系統，自動化程度不高，使用過程繁復。再者，治療過程中溫度不穩定和高溫容易對患者造成二次傷害。

同時，目前市面上在售的紅外熱輻射治療設備在使用過程中仍存在以下不足：①缺乏療程的量化標準。紅外熱輻射治療設備的使用條件通常來源于患者的主觀感受以及護理人員的經驗，使得紅外熱療設備的使用缺乏客觀科學性。②治療工作的效率低。市場上現有的紅外熱輻射治療設備缺少反饋調節系統，自動化程度不高，使用過程繁復。市面上的紅外熱輻射治療設備往往只有定時和輸出檔位調節功能。一般醫院使用時由醫生指導，護士進行實際操作，需要達到理想的治療效果，需要醫護人員全程監控每個患者，這樣既消耗人力，同時也增加誤操作的概率。③安全性有待進一步提高。治療過程中溫度不穩定和高溫容易對患者造成二次傷害。當皮膚溫度到達41～44°C時，人即會感到灼痛，若高溫繼續上升，人體皮膚組織會受到不同程度的損害風險，人體皮膚溫度升至50°C就會大概率燙傷形成水皰，若皮膚溫度到達60°C超過1min，很可能造成Ⅲ度燙傷。因此由誤操作造成的高溫，可能對患者皮膚造成二次傷害[1,2]。

基于以上分析，為改善目前紅外熱輻射治療設備使用時出現的療效不穩定、治療過程無法量化、存在安全風險及治療工作效率低等問題提出設計方案。

1.設計方案

具有反饋調節功能的紅外熱輻射治療設備解決方案框架見圖1。其主要的組成部分包括顯示模塊、報警模塊、控制模塊、傳感模塊、電源模塊和紅外熱輻射治療設備；控制模塊分別與顯示模塊、報警模塊、控制模塊、傳感模塊和電源模塊通過電路連接，紅外熱輻射治療設備與電源模塊通過電路連接。

圖1. 具有反饋調節功能的紅外熱輻射治療設備解決方案框架

傳感模塊、顯示模塊與控制系統組成溫度監控系統，其功能是實施顯示患者治療部位表面溫度，為操作者提供具體的治療數據，從而滿足量化治療過程的需求。

傳感模塊、控制模塊、電源模塊與紅外熱輻射治療設備組成的反饋調節系統，其功能是通過治療部位溫度測量——PID程控——紅外熱輻射輸出這三個步驟形成的閉環控制，對患者進行自動可控的紅外熱輻射治療。

傳感模塊、控制模塊和報警模塊組成的報警系統，其功能是當患者治療部位測得溫度異常且通過反饋調節系統無法調控的時候，停止治療儀輸出，并發出聲學和光學報警信號，提示醫護人員及時進行處理。

傳感模塊實現的功能是通過體表溫度傳感器測得治療部位溫度，并轉化為數字信號輸入到控制模塊。此為具有反饋調節功能的紅外熱輻射治療設備最重要的組成部分。

具有反饋調節功能的紅外熱輻射治療設備的傳感模塊設計備選方案有以下三種。

第一種，非接觸式紅外體溫傳感器（見圖2）。通過紅外測溫系統對患者體表溫度進行測量，原理是通過紅外探測器測量物體發出的輻射功率，并將其轉化成為電信號。其優點是，測量過程無需與患者接觸，不會再治療過程中造成不適，測溫系統直接安裝在紅外熱輻射治療設備上，使用時無需額外操作，操作簡便。其缺點是紅外測溫系統的測量準確性受很多因素影響，其主要影響包括來自環境溫度的影響及來自距離的影響。

圖2. 非接觸式紅外體溫傳感器

此方案紅外測溫系統需安裝在熱輻射源附近，受到熱脹冷縮的影響，紅外測溫系統中的輻射功率傳感器焦鏡會產生形變，影響精確度，長期在變化環境溫度下使用，會降低其預期壽命和使用性能。此外，紅外測溫系統測量距離受距離系數的限制，而距離系數越大的傳感器，成本越高。除了上述兩個主要因素對紅外測溫系統產生影響，使用時還需紅外傳感器一直對準測量部分，若治療過程中未能對準患者治療部份，則無法準確測量被照射區域的體表溫度。

第二種，接觸式有線連接體溫傳感器（見圖3）。接觸式體溫傳感器工作原理是通過熱敏電阻（常用鉑電阻）或熱電偶將溫度信號轉化為電信號，優點是技術成熟，在低成本預算情況下依然能實現高精度的體表溫度測量[3,4]。缺點是其連接方式為有線連接，使用時需要將溫度傳感器固定在患者治療部位，一是可能產生繞線的麻煩，二是在治療過程中造成患者不適。此外，固定在患者體表的傳感器會遮擋需要治療的部分，影響療效。

圖3. 接觸式有線連接體溫傳感器

從需求角度分析，有線連接精度高，且使用時受環境影響最少，若能解決傳感器遮擋治療部位的問題，就能滿足療效需求。

第三種，藍牙通訊體表溫度傳感器（見圖4）。其測溫原理與第二種方案的接觸式體溫傳感器相同，而其與反饋調節系統間的通訊是通過無線藍牙通訊技術實現，這種設計的最大優點是最大限度地減少對患者活動的限制，同時保證高質量的體表溫度采集精度。缺點是結構復雜，紅外熱輻射治療設備上的調節系統和患者身上的體溫傳感器都需要配備藍牙通訊系統，同時脫離紅外熱輻射治療設備工作的體表溫度傳感器需要額外的電源供電，這就不得不在患者端的傳感器上配備電池，再加上模數轉換器，傳感器將變得非常累贅。

圖4. 藍牙通訊體表溫度傳感器

本文主要對具有反饋調節功能的紅外熱輻射治療設備進行了詳細的方案論證，從而得出合適的設計方案，通過得出具有反饋調節功能的紅外熱輻射治療設備的整體設計框架以及介紹其主要的功能，最后就具有反饋調節功能的紅外熱輻射治療設備的設計難點進行了說明。

2.軟件設計

2.1 總體設計

具有反饋調節功能的紅外熱輻射治療設備的軟件裝載在控制模塊，通過接收按鍵傳遞過來的電信號和傳感模塊傳來的電信號，獲得設定參數和治療部位溫度參數，通過條件篩查和PID算法對運行部分輸出功率進行調整或根據情況對報警模塊傳遞信息進行報警（圖5）。

如圖5所示，程序主要分為三個階段，分別為升溫階段、治療階段、終止階段。

升溫階段指具有反饋調節功能的紅外熱輻射治療設備通過PID算法控制調節紅外熱輻射治療設備對治療部份輸出紅外熱輻射，并使其到達治療溫度的過程。

治療階段指升溫階段結束后，具有反饋調節功能的紅外熱輻射治療設備通過PID算法控制調節紅外熱輻射治療設備對治療部份輸出紅外熱輻射，并使其溫度穩定在治療溫度區間的過程。

終止階段指治療時間結束后或觸發報警程序時，具有反饋調節功能的紅外熱輻射治療設備結束治療程序的過程。

不管是在治療程序開始前還是治療程序開始后，操作者都可對具有反饋調節功能的紅外熱輻射治療設備參數進行設定，這是為了方便醫護人員對治療過程有更多的調整靈活性。

程序主要由報警條件篩查和PID運算兩大部分組成，程序將優先處理報警條件篩查，確保治療儀工作狀態正常后，進入PID運算。

2.2 升溫階段

升溫階段是一個治療前的準備階段，此階段紅外熱輻射治療設備處于最大輸出狀態，而患者端的治療部位同樣處于一個升溫過程，溫度狀態不穩定。此階段既要保證設備穩定輸出，同時也要在完整的報警篩查程序介入前，識別會影響到升溫過程的異常情況。

如圖5所示，升溫階段從溫度信號采集開始，每個循環都會進行探頭脫落報警條件篩查和升溫超時報警條件篩查。

探頭脫落報警是為了保證治療過程開始時，患者端治療部位的溫度傳感器連接良好，若探頭脫落，會造成治療過程不可控。通過測得溫度和設定脫落溫度對比，當測得治療部位溫度低于脫落溫度，也就是人體體表應有溫度時，觸發探頭脫落異常報警。

圖5. 主程序流程圖

升溫超時報警是為了避免治療部位長時間不能進入治療溫度，最終影響療效的情況。兩種情況出現，具有反饋調節功能的紅外熱輻射治療設備將停止輸出并報警。升溫超時確定探頭無脫落情況及升溫時間不超限值，且溫度低于設定溫度下限的情況下，進入到PID運算，控制設備輸出。若測得溫度高于設定溫度下限，程序進入治療階段。

2.3 治療階段

經過升溫階段后進入治療階段，此時溫度已進入治療所需的溫度。治療階段需要保證治療溫度穩定在設定的區間，同時完整的報警條件篩查程序介入其中，確保治療過程的異常情況能準確識別出來。

治療階段從信號采集開始，首先進入到報警條件篩查程序，確定患者治療部位表面溫度沒有異常后，進入計時器計數，并判斷是否到達治療時間。若治療過程出現異常狀況將直接進入報警程序，若到達治療時間限值，將終止治療程序，否則繼續治療程序。

2.4 終止階段

終止階段是治療程序正常、異常終止的階段，正常終止情況為程序結束，也可以是手動終止程序，程序結束后停止輸出并發出提示音，按任意按鍵后，系統初始化；報警條件篩查過程中識別出異常情況后進入的是報警程序，進入報警程序后立刻停止設備輸出，并發出聲學和光學報警信號，報警信號需要操作者輸入密碼后才能解除，解除報警后系統初始化。

2.5 報警程序設計

報警程序應能識別溫度波動、溫度偏離、超溫、探頭脫落四種異常情況進行篩查。一旦出現滿足報警條件的情況，就會觸發報警程序。

2.6 小結

本章圍繞量化治療過程需求、工作效率需求、安全性需求三個方面設計了具有反饋調節功能的紅外熱輻射治療設備的軟件程序。軟件運行分為三個階段進行，分別時升溫階段、治療階段、終止階段，其功能分別是提升治療部位溫度、穩定治療部位溫度和結束治療過程。整個治療過程中系統對患者表面溫度進行實施監測，根據不同階段進行不同的報警條件篩選，識別治療過程中出現的異常情況。以上軟件功能與硬件設計組成的具有反饋調節功能的紅外熱輻射治療設備在實現完全自動的治療過程同時，能有效地識別對患者有害的異常情況，終止治療過程并發出報警信號。

3.后續工作

首先，在臨床方面，紅外熱輻射治療設備反饋治療系統除了用于實際紅外熱輻射治療過程，它也是一種臨床試驗的方法，與過往單純用紅外熱輻射治療儀療效和對照組對比的方法相比，紅外熱輻射治療設備反饋治療系統可以細分出不同溫度對人體的生理效應。另一方面，一直以來，紅外熱輻射對人體治療效果只有熱效應被臨床數據所證明，而非熱效應方面的療效或對人的生理效應又是如何，以本論文設計的具有反饋調節功能的紅外熱輻射治療設備作為平臺進行臨床試驗，必將得到更為豐富的數據，以支撐進一步的研究。