體溫輸液控制的電路設計研究

趙云龍

(天津醫(yī)療器械質量監(jiān)督檢測中心，天津 300384)

0 引言

靜脈輸液是我國治療疾病的主要方式，通過向患者血管內注射藥物，實現消滅人體內病毒和病菌的目的。然而由于藥液性質不同，對個人所造成的傷害也有所差異，最常見的侵害方式就是溫度，很多藥液需要在陰涼的地方保存，直接輸入到人體內會造成血管膨脹，患者也會感到不適，嚴重時甚至會出現手腳發(fā)麻的情況。將電路溫度調節(jié)系統與體溫輸液融合，可以實現對藥液的加熱，使患者靜脈注射過程更加舒適。

1 體溫輸液控制設計的必要性

1.1 減少不良反應

由于靜脈輸液過程中，藥液與患者體溫處于不平衡狀態(tài)，過低的藥液溫度會導致人體的血液溫度隨之降低，患者會產生一系列的不良反應。較輕的不良反應包括身體發(fā)冷、血管凸起、血管疼痛，有一部分不良反應在輸液完成之后會消失，但低溫藥液對體內造成的影響是不可估量的。較為嚴重的不良反應包括身體麻木、身體痙攣、胃部疼痛等，在低溫藥液的刺激下，會嚴重影響健康。因此，設計體溫輸液控制系統十分必要，通過加溫藥液的方式可以降低甚至消除患者輸液過程中的不適感，減少輸液并發(fā)癥的產生。

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，則藥液進入人體后的吸收程度會減弱；若藥液的溫度過高，會嚴重影響藥劑的穩(wěn)定性，甚至導致藥液失效。通過電路設計實現對藥液溫度的科學控制，保持藥液溫度不會過高或者過低，使其維持在穩(wěn)定的狀態(tài)，有益于患者對藥液的吸收，達到更好的治療效果。

1.3 特殊病人的需求

有很多特殊病人對藥液的溫度要求比較高，其中包括術后病人、老年人、嬰兒等，該類病人對藥液的敏感性比較強。術后病人由于開刀導致體內缺血，微量元素流失，身體會發(fā)冷，甚至有部分術后患者會產生高燒等不良反應，在輸液時如果溫度控制不合理，導致不良反應產生，會影響到術后效果，對病患的恢復會造成不利影響。嬰兒和老年人的身體素質比較差，對藥液的承受力比較弱，他們極易在輸液過程中出現比較嚴重的不良反應，因此，對藥液的溫度進行控制非常必要。

2 體溫輸液控制系統理念

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，由于藥品長時間的低溫保存使得藥液溫度較低，很多醫(yī)院為了減少溫度過低對患者造成的影響，會用溫水泡一下藥液瓶，或者用暖水袋減緩輸液時的不良反應，但有很多藥液無法進行水泡。國外在輸液過程中嘗試使用化學藥品對藥液進行加熱，這種加熱方法操作比較復雜，效率較低，每次輸液都需要耗費一定的化學材料，成本比較高，溫度控制較為困難。通過控制加熱器與輸液口距離實現對溫度控制，具有很多不可控因素。本文設計的溫度控制系統是基于電路板和單片機實現對溫度的傳感設計，溫度可控性比較高，經過單片機傳感器的自動調節(jié)，使其滿足不同患者對輸液溫度的需求[1]。

3 體溫輸液控制電路系統設計依據及可行性

3.1 設計依據

常規(guī)的輸液方式每分鐘內向人體輸入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，若想在患者體內輸入約為500 g的藥液，時間通常在90～120 min。本文以此為基礎對輸液控制系統下行管參數進行計算，科學選用電阻絲控制電流。

從倉庫或者藥房取出的藥物溫度多在20℃左右，最低為15℃，本設計以最低溫度為衡量標準。需要將其加熱到與患者體溫相適的36℃，假設每分鐘患者體內輸入的藥液數量為5 g，則產生的熱量約為418 J[2]。

將電阻絲纏繞制成加熱系統所需的電熱板。電阻絲參數設計為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。根據電流計算公式，計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電流為0.315 A，所需要的電壓參數為19 V，在滿足上述參數的基礎上實現對加熱系統的科學設計。

3.2 設計可行性

3.2.1 技術可行性

應用電流實現對物體的加熱是比較常見的方式，在我國早已普及，主要應用在恒溫電箱、恒溫電器等方面。雖然其在醫(yī)療領域中的應用并不常見，但電流加熱技術和溫度控制系統技術在我國已經逐漸完善。從技術角度看，應用電流實現對藥液的加熱，應用電阻可以改變加熱的溫度，在配置溫度傳感器的基礎上，傳遞藥液的溫度信號，實現對藥液溫度的科學檢測，單片機可以自動化調節(jié)加熱板的溫度大小，實現對藥液的恒溫調節(jié)與自動控制。單片機技術、傳感器技術在我國應用普遍，滲透在日常生產和生活的各個方面，將其與電流加熱系統融合，可以實現對溫度的科學控制，在技術開發(fā)和技術應用上具有可行性[3]。

體溫控制輸液模式滿足了大多數患者的需求。很多患者會采用熱水袋等物理方式對體溫進行控制，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，無法滿足整個輸液流程的需要。使用體溫輸液控制系統實現對溫度的自動控制、自動監(jiān)測，既方便了患者，又具有持續(xù)性。

3.2.2 經濟可行性

設計體溫輸液控制系統，按照相關參數設計電流和電阻，輔助應用單片機和溫度傳感器實現對溫度的控制以及監(jiān)測。與國外的化學加熱方式相比，所耗費的材料比較少，電路系統可以反復使用，并不像國外加熱方式一樣需要耗費大量的材料。所需要的資金主要用于技術試驗以及材料購買，一旦投入使用，只需要后期的維護費用即可。因此，該系統設計比較簡單，耗費材料比較少，可以反復使用，成本價格比較低廉，唯一比較耗費資金的地方就是單片機和傳感器設備的引進與使用，在經濟上具有可行性。

4 體溫輸液控制電路系統工作原理

4.1 電路組成

4.1.1 電源部分設計

電源部分是供給整個系統供電的核心裝置，為了保障整個電路系統的穩(wěn)定性，持續(xù)給予電力，可以將交流電源與直流電源融合。在設計過程中，嘗試應用蓄電池直接供給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，使用不會對人體造成危害的24 V電壓，保障輸液加溫過程的安全性。單片機控制系統電壓參數為5 V，供給24 V的直流電，輔助應用集成性比較高的穩(wěn)壓器作為電流提供裝置。加熱板運行過程中所使用的電壓參數為24 V，采用比較簡單的直流電供應方式，實現對溫度控制系統的電力供給[4]。

4.1.2 溫度檢測部分設計

為了保障整個輸液過程以及溫度控制方式在可控范圍內，使用傳感器裝置實現對整個輸液過程的溫度監(jiān)控，避免由于電源故障導致溫度過高或者過低對患者造成的不良影響。溫度檢測部分是電路系統設計的關鍵部分，本設計主要使用型號參數為PT100的熱電阻材料，當溫度產生相應的變化時，電阻也會隨之而改變。當藥液的溫度值為0℃時，傳感器的熱電阻阻值為70 Ω。傳感器在應用過程中與電位器等組成電橋電路，電位器在系統中的主要作用是調節(jié)電橋，確保整個輸液中電橋的平衡性以及穩(wěn)定性。設計同時應用集成運算放大器設備，本設計選擇質量較好，效率較高型號參數為TL27L2B的設備，其在系統中的主要功能是對電橋輸入電壓進行控制，使其可以達到放大電壓的效果。為了保障集成運算放大器的功能在可控的范圍內，輔助使用電路進行控制。

本設計中的電橋電路具備溫度信號轉化功能，將電壓與信號進行對比，通過將電壓的變化參數輸入到集成運放系統中，實現參數輸出，最終將其輸送到單片機的端口中。單片機具備強大的模擬功能和數據轉換功能，可以將模擬結果轉化為數字量，并在特定的單元內實現對數據的儲存。單片機的顯示電路可以實現對溫度的反饋，顯示出藥液相應的溫度。最后，單片機可以將內部儲存的溫度信號轉化為數字信號，控制端口輸入的脈沖信號參數。端口輸出控制主要應用干脈寬調制進行控制。基于上述電橋電路、傳感器和單片機的設計，共同實現對溫度參數的檢測與溫度信號的傳輸。

4.1.3 控制系統設計

在進行溫度檢測以及電源輸入設計后，需要對整個控制系統進行設計。控制系統是保障每個系統可以穩(wěn)定運行，輸出相關數據的關鍵，從而實現對問題的控制以及調節(jié)。因此，控制系統設計是整個系統設計的基礎，設計主要應用型號參數為STC12C5A60S2的單片機。該單片機最主要的功能輔助檢測系統實現對電壓數值的轉化，將其轉化為溫度值從而實現對溫度的控制。由2個端口負責數值的最后輸出，控制LED屏幕的數碼管，實現對溫度的準確顯示。此外，單片機還有一項功能就是對比系統中預先設定的溫度值和當前的溫度值，對比溫度值的高低，如果過高則降低溫度，如果過低則升高溫度。通過對端口脈沖的寬度控制，實現最終的溫度控制目的。該設計主要通過控制電流量實現溫度調節(jié)。

4.1.4 輸出控制部分設計

為了保障系統對溫度數值輸出以及控制的科學性和準確性，應用光耦驅動器進行電壓隔離，確保電路系統的功率可以支持整個系統的運行。本設計主要應用的驅動器型號參數為TLP250，該驅動器具有功率放大作用，可以隔離單片機與加熱板的高電壓，有效地實現光電隔離。輸出控制系統的設計是維持系統穩(wěn)定運行的關鍵，該部分可以將單片機的輸出端口和溫度有關的脈沖信號進行解碼驅動。設計驅動器功率管的參數為VT5，通過光耦驅動器的運行，實現對加熱板電流的控制。

4.2 工作原理

通過對體溫輸液控制電力系統各部分設計，賦予各部分相應的功能，在共同的作用下實現溫度的控制和調節(jié)。在設置好相關參數，確定最終的數值和材料后，對電路系統的運行原理進行分析。

系統中包括檢測電路、傳感器、液體溫度檢測、電橋電路數值轉換器，經過集成運放后將數值輸入到單片機系統中。單片機的主要作用是模擬信號，轉化模數，將信號儲存至相應的單元中。經過最終的計算后，將模數信號轉化為溫度值顯示在LED屏中。單片機可以實現對數字信號的控制，在電路板端口中輸出脈沖信號。脈沖信號控制主要采用比較常見的脈寬調制方法，實現對溫度的控制。系統運行期間，若傳感器采集數值轉化的溫度高于36℃，則端口輸入的電壓值會隨之產生變化，以數模轉化的方式增加單片機內存單元值，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，則端口模擬電壓值降低，經過單片機的控制，使脈沖寬度增加，實現對溫度的調節(jié)。如果傳感器采集的溫度數值為36℃，與設計的溫度相吻合，則端口輸出電壓為定值。系統通過編程方式，實現對溫度的控制，避免溫度過高或者過低。溫度控制系統電路如圖1所示。

圖1 溫度控制系統電路圖

5 結語

基于電路系統的體溫輸液控制效果比較好，輸液過程中的溫度具有一定的穩(wěn)定性，藥液流速不會對溫度產生影響。通過單片機的控制，可以將溫度控制在合理的范圍之內，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，本設計操作更加簡單，使用效果更加明顯，在技術上具有可行性，對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。