基于半導(dǎo)體變溫技術(shù)的離體腎臟保存箱溫度控制系統(tǒng)的研制

丁志良，胡亮，湯國平

1.嘉興市第二醫(yī)院，浙江 嘉興314000；2.浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第四醫(yī)院，浙江 義烏 322000

基于半導(dǎo)體變溫技術(shù)的離體腎臟保存箱溫度控制系統(tǒng)的研制

丁志良1，胡亮2，湯國平2

1.嘉興市第二醫(yī)院，浙江 嘉興314000；2.浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第四醫(yī)院，浙江 義烏 322000

0 前言

慢性腎臟疾?。–hronic Kidney Disease，CKD）的進(jìn)展過程被認(rèn)為是不可逆的，最終必將進(jìn)展至終末期腎?。‥nd Stage Renal Disease，ESRD）[1-2]。目前血液透析、腹膜透析和腎移植是終末期腎病患者替代治療的主要方法，其中，終身透析治療費用高昂，會使患者家庭和社會均不堪重負(fù)；腎移植是根治ESRD的最終方法[3-6]。

腎移植術(shù)是將供體腎臟移植到受體體內(nèi)，使其恢復(fù)血液供應(yīng)并能在受體體內(nèi)發(fā)揮腎臟功能的技術(shù)[7]。離體腎臟保存期間，其活力的維持是腎移植成功的重要前提[8]，低溫可以抑制一系列酶促反應(yīng)，降低能量消耗，減慢細(xì)胞內(nèi)酶破壞器官生命力成分的速度，但是溫度過低將引起組織細(xì)胞損害[9]。因此，精確控制離體腎臟的保存溫度對提高腎移植手術(shù)的成功率有著非常重要的意義。研究表明，當(dāng)器官處于低溫狀態(tài)（4 ℃）時，其細(xì)胞代謝速率僅為正常狀態(tài)時的10%～12%，且其組織細(xì)胞不會受到損害，因此4 ℃是器官體外保存的最佳溫度[8]。

目前國內(nèi)常采用的離體腎臟保存方案為：取出供體腎臟，灌注4 ℃的腎臟保存液，灌注完畢后將其保存于外部有冰水混合液的金屬盒內(nèi)。此方案的缺點為溫度控制不精確、降溫速率不高，影響離體腎臟移植的成功率[10-11]。為此，筆者研制了一種基于半導(dǎo)體變溫技術(shù)的離體腎臟保存箱，具有加熱制冷雙向工作、體積小、重量輕、無震動、無噪音、可靠性高、熱慣性小等特點，其中溫度控制系統(tǒng)是該保存箱的關(guān)鍵。本文闡述了該溫度控制系統(tǒng)的研制過程。

1 半導(dǎo)體變溫技術(shù)的基本原理與應(yīng)用

1834年法國物理學(xué)家帕爾貼發(fā)現(xiàn)，當(dāng)外加的直流電流流過由兩種不同材料組成的封閉回路時，回路兩端的結(jié)點將產(chǎn)生吸熱或放熱現(xiàn)象，稱為帕爾貼效應(yīng)[12]，即半導(dǎo)體變溫技術(shù)的基本原理。半導(dǎo)體制冷技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)上有著廣泛的應(yīng)用[13-14]，如快速病理切片[15]、PCR儀[16]、亞低溫療法[17]、冷凍止血、冷凍切除白內(nèi)障以及血清、疫苗和血漿的低溫存儲等。

2 離體腎臟保存箱溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

離體腎臟保存箱溫度控制系統(tǒng)主要由溫度數(shù)據(jù)采集模塊、線性校正與放大模塊、PID控制模塊、功率輸出模塊、變溫模塊、電源模塊等組成，結(jié)構(gòu)框圖見圖1。

圖1 離體腎臟保存箱溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)主要工作原理為：高精度的鉑電阻溫度傳感器（Pt100）測量腎臟保存箱的實際溫度信號，該溫度信號經(jīng)過線性校正與放大后送入PID控制器，PID控制器將實際測量值與系統(tǒng)設(shè)定值的差值進(jìn)行PID處理后，經(jīng)脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制功率輸出的大小，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)變溫的精確控制。系統(tǒng)的電源采用開關(guān)電源，交直流兩用；充電電池的電壓為24 V，容量為40 AH，在400 W脈沖導(dǎo)通時可以提供數(shù)小時的冷藏供電，以便在無市電供應(yīng)的情況下保證系統(tǒng)的正常工作。

3 離體腎臟保存箱溫度控制系統(tǒng)的溫度控制策略

系統(tǒng)的溫度控制采用PID控制器實現(xiàn)。PID控制器是一種應(yīng)用廣泛的自動控制器，具有原理簡單、容易實現(xiàn)、魯棒性強等優(yōu)點[18]。

3.1 測溫電路設(shè)計

準(zhǔn)確快速的溫度測量是實現(xiàn)溫度精確控制的關(guān)鍵，離體腎臟的保存要求溫度傳感器測溫要迅速、線性要好。因此，系統(tǒng)的測溫傳感器采用鉑電阻（Pt100），在溫控范圍（0～5 ℃）內(nèi)具有比較好的線性，線性校正也相對簡單。為了滿足實驗要求，本研究將Pt100傳感器放入不銹鋼圓套中，中間充以硅膠，并用環(huán)氧樹脂封裝。另外，為使溫度控制更加準(zhǔn)確，本研究選用兩個Pt100傳感器，將其對稱放置在腎臟保存箱的內(nèi)壁上。

3.2 PID控制原理

PID控制原理框圖，見圖2。PID控制系統(tǒng)主要由PID控制器與被控對象組成。

圖2 PID控制系統(tǒng)框圖

將偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進(jìn)行控制，其控制公式為：

傳遞函數(shù)形式為：

式中： KP為比例系數(shù)， Ti為積分時間常數(shù)， Td為微分時間常數(shù)。

采用離散化表達(dá)，PID控制系統(tǒng)輸出u(k)可表示為：

式(4)也可表示為：

由式(5)可推導(dǎo)出：

式(5)與式(6)相減得出增量式PID控制算法的輸出增量為：

式中：

式(7)可寫為：

根據(jù)Ziegler-Nichle條件，令:

式中：Tk為臨界震蕩周期，代入式(8)得：

這是一種簡化的擴充臨界比例整定法，又稱歸一參數(shù)整定法。此方法只需整定一個參數(shù)，適合計算機自整定。該方法采用時間乘絕對誤差積分準(zhǔn)則（ITAE準(zhǔn)則）：

由式(10)可以看出，當(dāng)取最小值時，控制系統(tǒng)的狀態(tài)為最佳。ITAE準(zhǔn)則主要考慮瞬態(tài)響應(yīng)后期出現(xiàn)的誤差，對單位階躍響應(yīng)的初始誤差考慮甚少。應(yīng)用這種準(zhǔn)則設(shè)計的系統(tǒng)超調(diào)量小、抗干擾能力強，具有良好的選擇性和靈敏度。其算法推算如下：

控制系統(tǒng)是穩(wěn)定的，我們可以認(rèn)為在0-T0和Tm-T∞時，/ e(t)/→0，所以式(11)可以寫為：

經(jīng)離散化后，可以表示為：

T為采樣周期，為常數(shù)，計算最小值時可等效于求：

3.3 增量式PID控制算法

增量式PID是指數(shù)字控制器的輸出只是控制量的增量△u。采用增量式算法時，計算機輸出的控制量△u對應(yīng)的是本次執(zhí)行機構(gòu)位置的增量，而不是對應(yīng)執(zhí)行機構(gòu)的實際位置，因此要求執(zhí)行機構(gòu)必須具有對控制量增量的累積功能，才能完成對被控對象的控制操作。

式(16)、(17)、(18)中C為常數(shù)，相對Kp較小，實際可取C=0.1Kp，這樣可以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

增量式算法的優(yōu)點有：① 算式中不需要累加，控制增量△u的確定僅與最近3次的采樣值有關(guān)，容易通過加權(quán)處理獲得比較好的控制效果；② 計算機每次只輸出控制增量，即對應(yīng)執(zhí)行機構(gòu)位置的變化量，故機器發(fā)生故障時影響范圍小，不會嚴(yán)重影響生產(chǎn)過程；③ 手動-自動切換時沖擊小，當(dāng)控制從手動向自動切換時，可以作到無擾動切換。

4 系統(tǒng)性能測試

系統(tǒng)組裝調(diào)試完成后，委托第三方進(jìn)行性能測試驗證。本研究委托浙江省計量科學(xué)研究院熱工與能源計量研究所對離體腎臟保存箱進(jìn)行性能測試。測試時采用300 mL生理鹽水代替用于腎臟保存的高滲枸櫞酸腺嘌呤液。測試地點：浙江省計量科學(xué)研究院；環(huán)境條件：溫度（24.8 ℃），濕度（56%）；測試設(shè)備：測溫儀（Fluke 1529，美國）。離體腎臟保存箱箱體結(jié)構(gòu)示意圖，見圖3。

圖3 離體腎臟保存箱箱體結(jié)構(gòu)示意圖

測試時測溫儀的溫度傳感器放置在離體腎臟保存箱內(nèi)部中央，與系統(tǒng)的溫度傳感器保持在同一水平。4塊半導(dǎo)體制冷片放置在離體腎臟保存箱的底部和周邊。通過循環(huán)蠕動泵使不銹鋼保存箱內(nèi)的液體熱均勻。開始測量前保存箱的溫度為20.3 ℃，環(huán)境溫度為24.8 ℃。測試系統(tǒng)由20.3 ℃下降到4 ℃并保持4 ℃恒溫的效果。

測試時每隔10 s記錄1次系統(tǒng)的溫度值，最終將測試的溫度與時間數(shù)據(jù)繪成時間-溫度關(guān)系圖，見圖4。由圖4可知，離體腎臟保存箱的溫度由20.3 ℃下降到4 ℃并保持恒定所需的時間大約為25 min。其中，第一個波谷溫度為3.8 ℃（溫度過沖＜0.2 ℃）；溫度趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后溫度最高為4.1 ℃，最低為3.9 ℃（溫度波動＜0.1 ℃）。

有容量（放置300 g豬腎）的情況下，離體腎臟保存箱測試的時間-溫度關(guān)系圖，見圖5。由圖5可知，離體腎臟保存的溫度由20.3 ℃下降到4 ℃并保持恒定所需時間大約為30 min。其中，第一個波谷溫度為3.7 ℃（溫度過沖＜0.3 ℃）；溫度趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后溫度最高為4.2 ℃，最低為3.8 ℃（溫度波動＜0.2 ℃）。

上述數(shù)據(jù)表明，離體腎臟保存箱溫度控制系統(tǒng)在降溫速率方面達(dá)到了設(shè)計目標(biāo)。

圖4 離體腎臟保存箱測試時間與溫度示意圖

圖5 離體腎臟保存箱測試時間與溫度示意圖（放置300 g豬腎）

5 討論

性能測試數(shù)據(jù)表明，系統(tǒng)變溫時，離體腎臟保存箱溫度過沖＜0.3 ℃，恒溫溫度波動＜0.2℃，可滿足離體腎臟保存對溫度的要求，其溫度控制系統(tǒng)具有如下特點。

（1）系統(tǒng)采用脈寬調(diào)制（PWM）控制功率輸出的工作電壓脈寬，來實現(xiàn)對溫度的精確控制，經(jīng)第三方檢測，變溫和恒溫效果較好。

（2）系統(tǒng)采用PID自整定算法，與常規(guī)PID控制算法比較，可使被控對象的溫度波動大幅度減小，系統(tǒng)變溫時響應(yīng)時間≤3 s，控制精度優(yōu)于0.3 ℃，恒溫波動＜0.2 ℃。

（3）系統(tǒng)溫度控制策略采用增量式PID控制算法，避免了擴充臨界比例整定法的偏差累加導(dǎo)致的較大的累積偏差，降低了系統(tǒng)不良的超調(diào)現(xiàn)象。

6 結(jié)論與展望

本研究研制了一種基于半導(dǎo)體變溫技術(shù)，可對離體腎臟保存箱的溫度進(jìn)行精確控制的系統(tǒng)。溫度控制測試數(shù)據(jù)表明，基于該溫度控制系統(tǒng)的離體腎臟保存箱的溫度過沖＜0.3 ℃，恒溫時溫度波動＜0.2 ℃，實現(xiàn)了設(shè)計目的。

隨著半導(dǎo)體材料研究的不斷深入，半導(dǎo)體的變溫性能會越來越好，基于單片機的溫度控制技術(shù)也會越來越成熟，半導(dǎo)體變溫技術(shù)會應(yīng)用于更多的領(lǐng)域，在醫(yī)學(xué)工程方面的研究也會更加深入。

影響離體腎臟保存的因素非常多，溫度只是其中之一。今后將對影響離體腎臟保存的其他因素進(jìn)行更廣泛的研究，以提高離體腎臟的保存質(zhì)量，進(jìn)而提高腎移植手術(shù)的成功率。

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Development of A Temperature Control System for Isolated Kidney Preservation Device Based on the Semiconductor Temperature Control Technology

DING Zhi-liang1, HU Liang2, TANG Guo-ping2
1.The Second Hospital of Jiaxing, Jiaxing Zhejiang 314000, China; 2.The Fourth Affiliated Hospital of Zhejiang University School of Medicine, Yiwu Zhejiang 322000, China

腎移植是治療終末期腎病綜合癥的主要方法之一，供體腎臟離體后的低溫保存是影響手術(shù)成功的重要因素。本文闡述了一種簡便、精度高、控制速度快的離體腎臟保存箱的溫度控制系統(tǒng)的研制過程。該系統(tǒng)采用半導(dǎo)體變溫技術(shù)來控制離體腎臟保存箱的溫度，其測溫傳感器采用穩(wěn)定性好、示值復(fù)現(xiàn)性高的鉑電阻（Pt100），溫度控制策略采用PID控制。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)在工作環(huán)境（23 ℃±2 ℃）條件下的溫度過沖＜0.3 ℃，溫度控制精度為±0.2 ℃，符合離體腎臟保存對溫度的要求。

腎臟移植；離體腎臟低溫保存；半導(dǎo)體變溫技術(shù)；PID控制

Renal transplantation is one of the main treatments for the end-stage nephrotic syndrome. In order to improve the success rate of transplantation, the donor kidney should be preserved in low temperature before transplantation. In this paper, an easy-to-use temperature control system with high precision and rapid response speed for isolated kidney preservation device was presented. The semiconductor temperature control technology was applied in this system to control the temperature of isolated kidneys. The platinum resistance (Pt100) was used as temperature sensor and the PID (proportional-integral-derivative) controller was taken as the temperature control policies. According to the experimental results, the temperature overshoot of the system was less than 0.3 ℃ and the temperature accuracy was ±0.2℃ when it worked at the temperature of 23℃±2℃, which satisfied the temperature requirements of preservation of isolated kidneys.

kidney transplantation; preservation of isolated kidneys in low temperature; semiconductor temperature control technology; proportional-integral-derivative control

R699.2；TH789

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.02.008

1674-1633(2015)02-0033-05

2014-10-10

2014-11-20

胡亮，高級工程師。

通訊作者郵箱：ywhl@zju．edu．cn