一種醫(yī)療儀器的溫度控制方法和控制裝置的研究

鄭傳權(quán) ，陳鼎興，黃雄京，劉博生，周凌宏

（1.南方醫(yī)科大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，廣東 廣州 510515；2.廣東省東莞市厚街醫(yī)院，廣東 東莞 523945 ）

在體外診斷設(shè)備（in vitrodiagnostics,IVD）中，例如化學(xué)發(fā)光免疫分析儀，其測量過程，對溫度都有一定的要求，一般反應(yīng)需要在37℃左右的環(huán)境中進(jìn)行。當(dāng)溫度超出范圍時(shí)，會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)異常，最終造成測量結(jié)果出現(xiàn)異常。由于在儀器中，其反應(yīng)過程一般都是在孵育盤中進(jìn)行，因此，準(zhǔn)確的保持孵育盤溫度，對整個(gè)測量過程，具有重要的意義。

目前，對于溫度的控制，主要是設(shè)定目標(biāo)溫度后，通過檢測加熱溫度與目標(biāo)溫度之間的差異，實(shí)施對加熱組件的控制。依據(jù)環(huán)境設(shè)定液體目標(biāo)溫度［1］，通過比較采集的液體溫度和目標(biāo)溫度，來控制加熱組件的工作狀態(tài)［2］。但是這種方法，僅限于液體溫度控制，且溫度控制需通過傳感器采集溫度信息讓處理器分析，處理效率不及時(shí)。

基于以上背景，針對液體溫度控制和溫度控制需通過傳感器采集溫度信息讓處理器分析，處理效率不及時(shí)問題，研究一種新的溫度控制方法和研發(fā)一種新型的溫度控制裝置。

1 研究一種溫度控制方法和開發(fā)一種溫度控制裝置

1.1 研究溫度控制方法

預(yù)先設(shè)定溫度補(bǔ)償曲線［3］，在實(shí)施溫控時(shí)，只需要設(shè)定目標(biāo)溫度，將溫度傳感器采集到的溫度信息代入溫度補(bǔ)償曲線中，計(jì)算所述孵育盤溫度和所述環(huán)境溫度的溫度差，基于溫度差和溫度補(bǔ)償曲線得出溫度補(bǔ)償值，根據(jù)溫度補(bǔ)償值，控制加熱組件使孵育盤溫度達(dá)到目標(biāo)溫度，若未達(dá)到目標(biāo)溫度，則重新獲取溫度補(bǔ)償值，加熱組件根據(jù)溫度補(bǔ)償值加熱孵育盤，在整個(gè)的溫度控制中，溫度補(bǔ)償曲線為不同的孵育盤溫度和/或不同的環(huán)境溫度的溫度差所對應(yīng)溫度補(bǔ)償值。

1.2 溫度控制裝置的研制

溫度控制裝置由恒溫腔、孵育盤、加熱組件、溫度傳感器以及溫控器等組成［4］。其中孵育盤、溫度傳感器以及加熱組件設(shè)置于恒溫腔內(nèi)；通過高溫防火線將溫控器與溫度傳感器以及加熱組件電連接；加熱組件用于對所述恒溫腔內(nèi)環(huán)境進(jìn)行加熱；溫度傳感器用于檢測孵育盤溫度和環(huán)境溫度，并將孵育盤溫度和環(huán)境溫度發(fā)送至溫控器。

溫控器為比例-積分-微分（proportion integration differentiation,PID）溫控器，溫控器預(yù)設(shè)有溫度補(bǔ)償曲線，用于設(shè)定目標(biāo)溫度，計(jì)算孵育盤溫度和環(huán)境溫度的溫度差，將溫度差和目標(biāo)溫度代入溫度補(bǔ)償曲線得到溫度補(bǔ)償值，根據(jù)溫度補(bǔ)償值，控制加熱組件加熱孵育盤直至目標(biāo)溫度。

溫度控制裝置還包括溫度保護(hù)開關(guān)，溫度保護(hù)開關(guān)與溫控器相連接［5］，溫控器設(shè)置有保護(hù)溫度，當(dāng)孵育盤溫度超出保護(hù)溫度時(shí)，溫度保護(hù)開關(guān)觸發(fā)使所述加熱組件停止加熱。

加熱組件懸掛于所述恒溫腔內(nèi)，加熱組件由電加熱片、陶瓷加熱片、碳纖維加熱片和硅膠加熱片中的至少一種組成。

2 技術(shù)路線

圖1 為溫度控制裝置示意圖。溫度控制裝置用于提供并保持預(yù)定的溫度環(huán)境［6］，本實(shí)施例中，溫度控制裝置為IVD（例如化學(xué)發(fā)光免疫分析儀）提供預(yù)定溫度的測量環(huán)境。

圖1 溫度控制裝置示意圖

其中，溫度控制裝置，包括：恒溫腔210、孵育盤220、加熱組件230、溫度傳感器240 以及溫控器250，孵育盤220、溫度傳感器240 以及加熱組件230 設(shè)置于恒溫腔210 內(nèi)；溫控器250 與溫度傳感器240 以及加熱組件230 電連接。

溫度控制方法流程見圖2。

圖2 溫度控制方法流程圖

溫度控制方法：第一步，預(yù)設(shè)溫度補(bǔ)償曲線。溫度補(bǔ)償曲線為不同的孵育盤溫度和/或不同的環(huán)境溫度的溫度差所對應(yīng)溫度補(bǔ)償值，見圖3。第二步，設(shè)定目標(biāo)溫度。第三步，獲取孵育盤溫度和環(huán)境溫度，計(jì)算孵育盤溫度和環(huán)境溫度的溫度差。第四步，基于溫度差和溫度補(bǔ)償曲線得出溫度補(bǔ)償值。第五步，根據(jù)溫度補(bǔ)償值，控制加熱組件加熱孵育盤直至目標(biāo)溫度。

圖3 溫度補(bǔ)償曲線圖

本方案提供的溫度控制方法和裝置預(yù)先設(shè)定溫度補(bǔ)償曲線［7］，在實(shí)施溫控時(shí)，只需要設(shè)定目標(biāo)溫度，將溫度傳感器采集到的溫度信息代入溫度補(bǔ)償曲線中，獲取溫度補(bǔ)償值，根據(jù)溫度補(bǔ)償值即可對孵育盤的溫度進(jìn)行控制，相對于傳統(tǒng)的方法更加簡單、快捷。

3 討論

本研究的創(chuàng)新之處：通過預(yù)先設(shè)定的溫度補(bǔ)償曲線，實(shí)現(xiàn)溫度的閉環(huán)動(dòng)態(tài)控制，以得到更為精準(zhǔn)的溫度。具體解析研究成果如下：預(yù)先測定溫度差（環(huán)境溫度與孵育盤溫度）與補(bǔ)償量的關(guān)系，獲得二者之間的補(bǔ)償曲線；設(shè)定目標(biāo)溫度，獲取環(huán)境溫度以及孵育盤的溫度；依據(jù)目標(biāo)溫度和孵育盤的溫度差，通過預(yù)先測定的補(bǔ)償曲線，獲得孵育盤溫度的補(bǔ)償量；依據(jù)溫度補(bǔ)償值，對孵育盤實(shí)施溫度控制；多次判斷以確認(rèn)孵育盤溫度達(dá)到目標(biāo)溫度后，加熱器停止工作。這些研究成果可以啟發(fā)同行探究不同的溫度補(bǔ)償方式，以達(dá)到更為優(yōu)秀的溫控方法。本方案僅僅研究了升溫（孵育盤等需要加熱的部分）的補(bǔ)償方式，后續(xù)可以進(jìn)一步研究降溫（試劑盤等需要制冷的部分）的補(bǔ)償方式。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中設(shè)置了3 個(gè)環(huán)境溫度（10℃、20℃,25℃），在這3 個(gè)溫度之下，分別作出新舊兩種方式的溫度曲線來進(jìn)行對比，通過SPSS 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并總結(jié)出測試數(shù)據(jù)，見圖4、圖5。

圖4 不同環(huán)境溫度時(shí)新舊兩種控制方式下的溫度曲線圖

圖5 不同溫度梯度下的性能表現(xiàn)

改變?yōu)樾驴刂品绞胶螅尤肓谁h(huán)境溫度的因素，其優(yōu)勢如下：①相比原控制方式，在低溫時(shí)，加熱到目標(biāo)溫度（37±0.3）℃后穩(wěn)定性更好；②在高溫時(shí)，可以保持原控制方式的效果。也就是說，加入環(huán)境溫度因素考量后，新控制方式能夠提升低溫時(shí)的加熱穩(wěn)定性。

5 結(jié)語

本研究基于目前IVD 行業(yè)中溫控精準(zhǔn)控制難題，利用預(yù)先設(shè)定的溫度補(bǔ)充方式，綜合考慮環(huán)境溫度等因素，提出了一種溫控補(bǔ)充的方式，通過預(yù)設(shè)溫度補(bǔ)償曲線，設(shè)定目標(biāo)溫度，獲取孵育盤溫度和環(huán)境溫度，計(jì)算孵育盤溫度和環(huán)境溫度的溫度差，根據(jù)溫度補(bǔ)償值即可對孵育盤的溫度進(jìn)行控制，簡單、快捷。獲得了更為精準(zhǔn)的溫度。后續(xù)可以據(jù)此研究，進(jìn)一步探究其他升溫過程中的溫控補(bǔ)償方式，也可以進(jìn)一步探究溫降的補(bǔ)償方式。

該項(xiàng)研發(fā)于2018 年4 月申報(bào)了發(fā)明專利（專利申請?zhí)枮镃N201810354743.7，公開/公告號：CN108427452A），2021 年獲得該發(fā)明專利的授權(quán)。此方案可以提升測試準(zhǔn)確性，進(jìn)一步降低測量誤差，從而提升診斷的準(zhǔn)確率，并節(jié)約醫(yī)療資源。此方案已經(jīng)在亞輝龍化學(xué)發(fā)光儀器上的4 000 多臺(tái)設(shè)備使用，效果反饋良好。