新生兒暖箱內(nèi)床體傾斜與角度控制的實現(xiàn)

許俊紅 吳習之

1 深圳市科曼醫(yī)療設(shè)備有限公司 （廣東 深圳 518000）2 波士頓大學電子與計算機工程系 （美國 波士頓 02215）

新生兒暖箱內(nèi)床體傾斜與角度控制的實現(xiàn)

許俊紅1吳習之2

1 深圳市科曼醫(yī)療設(shè)備有限公司 （廣東 深圳 518000）2 波士頓大學電子與計算機工程系 （美國 波士頓 02215）

由于暖箱內(nèi)床體組件每周都需要清潔，在床體上安裝傳感器很難實現(xiàn)。床體傾斜的運動軌跡，可轉(zhuǎn)換為三角形函數(shù)關(guān)系式，通過相應的算法可以計算出近似傾斜角度。采用Proe軟件設(shè)計出合適的快拆與執(zhí)行單元，通過機構(gòu)仿真模式確認結(jié)果，并打樣出實物；利用電機拖動技術(shù)，計算出需要的電機扭矩和速度，采用編碼器或其他位置傳感器實時采集電機或執(zhí)行單元的位置，計算出直線距離，帶入對應的數(shù)學模型，計算出當前的角度并反饋給控制單元，完成閉環(huán)控制。對系統(tǒng)進行了多次角度控制測試和保護電測試，系統(tǒng)均能很好地滿足設(shè)計的控制要求，能夠使床體很好的控制到指定角度。利用Proe軟件和電動拖動技術(shù)實現(xiàn)新生兒保溫箱內(nèi)傾斜角度的自動控制。

新生兒暖箱 自動床體傾斜 角度計算方法

暖箱是醫(yī)護人員救治早產(chǎn)兒不可缺少的工具，在使用過程中，患兒每小時記錄一次生命體征參數(shù)，2～3h喂一次奶，4h測量一次體溫，每天都要觀察病情、測量體重或洗澡，這些操作都可能會需要調(diào)整床體的傾斜角度[1]。將傳統(tǒng)的手動床體傾斜改為電動傾斜是非常有必要的創(chuàng)新。由于嬰兒床每周都要清潔，在床體上裝角度傳感器非常困難，接線復雜，更不利于清潔，經(jīng)常用消毒液擦洗也很容易損壞鏈接端子。本方案利用三角函數(shù)關(guān)系式，通過將直線運動的數(shù)據(jù)，帶入數(shù)學模型計算出角度的變化，可以有效避免上述問題。

1.系統(tǒng)介紹

1.1 暖箱的硬件系統(tǒng)

根據(jù)暖箱的功能需求可將暖箱的硬件部分分成以下單元：系統(tǒng)電源模塊、人機交互模塊、生理監(jiān)護模塊、控制檢測模塊、功率驅(qū)動模塊、獨立超溫保護模塊等，各模塊電路都滿足安規(guī)要求，穩(wěn)定性高，功耗低，符合EMC和輻射要求。具體鏈接信息如圖1。

1.1.1 系統(tǒng)電源模塊

系統(tǒng)電源模塊包括兩個部分，AC-DC和DC-DC；AC-DC部分采用標準開關(guān)電源，具有雙重過壓保護，并滿足高低溫測試要求。DC-DC部分根據(jù)系統(tǒng)需要轉(zhuǎn)換成12V、8V、5V、3.3V等電壓值，供整機板卡正常工作使用。并具有電池管理功能。

1.1.2 人機交互模塊

人機交互模塊是系統(tǒng)控制的核心，為系統(tǒng)提供功能接口，分析、顯示和存儲數(shù)據(jù)等。主控芯片采用ATMEL的AT91SAM9G45，ARM926內(nèi)核，主頻400MHz，外擴128M內(nèi)存和128M的NandFlash，可以驅(qū)動800×600分辨率液晶顯示屏，具有4個串口用于連接不同的參數(shù)模塊，1個RJ45

接口用于連接中央系統(tǒng)，2路USB用于軟件升級或其他擴展、音頻接口用于驅(qū)動等。1.1.3生理監(jiān)護模塊

生理監(jiān)護模塊主要實現(xiàn)：三導聯(lián)心電（ECG）和阻抗呼吸（IRESP）、無創(chuàng)血壓（NIBP），脈搏血氧飽和度、呼吸末二氧化碳等參數(shù)的數(shù)據(jù)采集與處理。主要有前段保護電路、電壓跟隨與信號放大電路、AD采集電路和數(shù)據(jù)處理單元。

1.1.4 控制檢測模塊

控制檢測模塊是新生兒暖箱里恒溫、恒濕系統(tǒng)的主要控制單元，并具有溫度采集，濕度采集，氧濃度采集，床體升降和傾斜系統(tǒng)的控制，稱重測量，窒息檢測通訊和窒息喚醒驅(qū)動等。主控制芯片采用STM32F103，具有72MHz的主頻，豐富的外設(shè)。根據(jù)采集信號控制驅(qū)動板功率設(shè)備的運行與停止。

1.1.5 功率驅(qū)動模塊

功率驅(qū)動模塊是新生兒暖箱里加熱設(shè)備，加濕設(shè)備和升降系統(tǒng)的驅(qū)動單元，采用多路繼電器和固態(tài)繼電器配合使用，有效避免單一故障不可控的情況。并具有回路電流檢測功能，通過接口將功率設(shè)備懂得實時工作狀態(tài)反饋給檢測控制板。

圖1. 暖箱硬件框圖

1.2 暖箱的軟件系統(tǒng)

軟件的主要功能是對參數(shù)模塊的信息采集及相關(guān)波形和參數(shù)的顯示、處理人機交互通信，對數(shù)據(jù)進行掉電存儲和回放。模塊的信息采集包括：3導聯(lián)心電參數(shù)，呼末二氧化碳參數(shù)、無創(chuàng)血壓參數(shù)、NELLCOR血氧參數(shù)、Masimo血氧參數(shù)、體溫參數(shù)、伺服供氧、箱溫檢測、體重測量與報警系統(tǒng)等。軟件系統(tǒng)采用開源的linux系統(tǒng)，包括如下幾個單元：硬件驅(qū)動層，linux內(nèi)核，業(yè)務(wù)邏輯層和應用層[2]。如圖2。

圖2. 暖箱軟件系統(tǒng)框架圖

軟件的主要功能如下：各部分之間的通信協(xié)議解析、處理和顯示；通過觸摸屏和按鍵進行人機交互操作，設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，并保存；顯示輸出暖箱和監(jiān)護的信號的波形和測量結(jié)果；數(shù)據(jù)存儲與導出；支持USB/網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)導出功能；通過網(wǎng)口，協(xié)助PC機的對應軟件實現(xiàn)：患者信息回顧功能、中央監(jiān)護功能、USB在線升級功能；支持多網(wǎng)絡(luò)接口下的IP轉(zhuǎn)發(fā)，支持ICMP協(xié)議及實驗性擴展的UDP；支持PPP，增加了IP fragment的支持，還支持DHCP協(xié)議，動態(tài)分配IP地址；包括阻塞控制，RTT估算和快速恢復和快速轉(zhuǎn)發(fā)的TCP（傳輸控制協(xié)議）；提供專門的內(nèi)部回調(diào)接口（Raw API）用于提高應用程序性能；可選擇的Berkeley接口API（多線程情況下）；支持多語言；機器維護、版本信息等其他功能。系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖3[3]。

圖3. 系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖

2.暖箱床體傾斜的設(shè)計

2.1 硬件詳細設(shè)計

床體傾斜的硬件電路主要有電機選型，功率驅(qū)動電路、行程檢測電路、保護檢測電路組成。電機選型中跟應用密切相關(guān)的是轉(zhuǎn)矩，一個系統(tǒng)需要的峰值轉(zhuǎn)矩（Tp），可以通過將負載轉(zhuǎn)矩（TL）、慣性轉(zhuǎn)矩（TJ）和克服摩擦（TF）所需要的轉(zhuǎn)矩相加得到。同時考慮到其他因素的影響，計算轉(zhuǎn)矩時要留出20%的余量[5]，其計算公式為：

電機選型和傳動機構(gòu)設(shè)計是個難點，尤其是傳動機構(gòu)，設(shè)計不完善整個操作體驗就非常差，而且噪音、壽命和可靠性都很難保證，成本也高。因此這部分選用標準電動推桿設(shè)備，只需要統(tǒng)計出床體重量、患兒體重范圍及救治過程可能用到的其他儀器，根據(jù)總體重量選擇合適的電動推桿。計算公式：（總量+余量）×9.8=推桿推力。這些質(zhì)量加起來一般不會超過30kg，選擇600N的推桿就足夠了。另外考慮到噪音和安全因素，最好采用直流電機。功率驅(qū)動電路可以采用繼電器作為控制執(zhí)行單元。行程檢測采用霍爾傳感器，電機每旋轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生一個脈沖，總行程與脈沖數(shù)量為對應關(guān)系。保護電路采用電阻分壓法，在電機電源電路中串聯(lián)一顆阻值很小的功率電阻，再配合運算放大電路做小信號放大，送給主控單元，用來判斷有沒有產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)過流故障。如圖4。

圖4. 整機系統(tǒng)框圖

2.2 軟件詳細設(shè)計

新生兒暖箱電動床體傾斜簡述，A是電動推桿，垂直固定在嬰兒培養(yǎng)箱底座支架上；B是床體的中心支點，用來支撐床體的傾斜旋轉(zhuǎn)，固定在床體的支架上；C是嬰兒培養(yǎng)箱床體。其中電動推桿A可以實現(xiàn)升降直線運動，在床體中心支點B的基礎(chǔ)上就實現(xiàn)了床體可以一邊高一邊低的傾斜效果。如果A上升，中心支點B為對稱分割點，整個床體機構(gòu)的等效三角形關(guān)系，如圖2，此種情況為正角度傾斜。如果A下降升，中心支點B為對稱分割點，整個床體機構(gòu)的等效三角形關(guān)系，如圖3，此種情況為負角度傾斜。圖2與圖3兩種情況的角度調(diào)節(jié)與直角邊a的關(guān)系剛好相反。

培養(yǎng)箱床體傾斜系統(tǒng)簡圖，如圖5。

圖5. 培養(yǎng)箱床體傾斜系統(tǒng)簡圖

由圖6可以看出，只需要計算出對應的r角度就可以知道當前的傾斜角度是多少。其中床體中心支點B到升降推桿A的距離是固定的，有測量得出具體值，即為三角形的直角邊b；升降推桿上升和下降的行程可以通過編碼器檢測出，即為三角形的直角邊a。有兩個直角邊，利用正切與反正切公式即可算出r角度，就是當前床體傾斜的角度。計算公式如下：

主要原理是將床體傾斜等效為兩個水平對稱的三角形的數(shù)學模型，其關(guān)鍵點是水平的直角邊是固定的，垂直的直角邊是可變的，通過檢查垂直直角邊的變化，代入算法模型來計算出角度的變化。垂直直角邊有一個關(guān)鍵位置點，當床體水平時，即為垂直直角邊的0點，也是用戶看到床體傾斜為0?時的情況，當傾斜角度為正時，直角邊a與傾斜角度的關(guān)系為正，就是直角邊越高床體傾斜角度越大；當傾斜角度為負時，直角邊a與傾斜角度的關(guān)系為負，就是直角邊越高床體傾斜角度越小；床體水平位置可通過光電開關(guān)或是霍爾傳感器等來檢測得到，也可以不用傳感器，通過出廠設(shè)置和校準來認為確定，上升或下降有系統(tǒng)程序根據(jù)實際需要來控制。

數(shù)學模型理論上成立，但反正切計算在嵌入式系統(tǒng)里運行起來非常耗資源，此處可以采用查表的方法來求得。就是將床體傾斜要用到的角度和正切值一一對應的存儲到嵌入式系統(tǒng)里，正切值可以通過兩條直角邊的比值計算出來，有了正切值可以通過查表找到對應的角度值，這種方法更節(jié)省系統(tǒng)資源。

整個系統(tǒng)包括：人機交互部分、mcu嵌入式計算單元、升降推桿、行程檢測和結(jié)構(gòu)部分。人機交互部分分為：顯示區(qū)和控制區(qū)。顯示器包括：液晶屏、數(shù)碼管、led點陣和指針表盤等任意一個或幾個?？刂撇糠钟邪存I、飛梭或觸摸屏等任意一個或幾個組成，這部分主要完成用戶需求的輸入，就是床體需要傾斜多少角度。Mcu嵌入式計算單元包括微處理器、內(nèi)存、ram、flash等，負責整個算法的計算、升降控制信號管理和當前升降推桿高度的檢測等。升降推桿是市面上常用的電動或或氣動可以控制的升降機。行程檢測部分包括霍爾元件或光電開關(guān)等傳感器或電位器等，當升降機上升或下降時會有對應的脈沖輸出或電壓值的變化，被微處理器檢測并用來計算移動距離，如升降機每動作1mm，有1個脈沖輸出或10mV的電壓變化，這里的信號值為了方便描述為假設(shè)值，實際升降桿移動1mm輸出的脈沖數(shù)或電壓變化值要根據(jù)升降機的絲桿螺紋間距和檢測單元的個數(shù)或量程來定，但這些在選定升降機后都是固定值；由于霍爾元件或光電開關(guān)是非連續(xù)信號輸出，當使用這類傳感器檢測行程時需要保存上一次關(guān)機前的當前位置。結(jié)構(gòu)部分包括床體、床體支架、底座等用來固定整體系統(tǒng)的框架和外殼。有以上描述，并根據(jù)運行時間的需求，構(gòu)思出算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的框架[4]。根據(jù)需求定義一下數(shù)據(jù)變量，

圖6. 傾斜角度計算示意

變量定義：

r1用戶輸入傾斜角度值。

t1輸入角度對應正切值。

a1為輸入角度值計算出的目標行程，三角形直角邊a的目標高度值。

b為床體水平固定長度，三角形水平直角邊b。

a2為升降推桿的當前高度值，三角形直角邊a的當前高度值。

h為床體水平時升降推桿的高度值。

tmp緩存變量。

Lift（）推桿上升控制接口函數(shù)。

Down（）推桿下降控制接口函數(shù)。

Distance（）行程檢測函數(shù)。

首先將用戶輸入的角度r1取絕對值，轉(zhuǎn)換成三角函數(shù)正切值t1，而床體的水平長度是固定已知值b，由此可以計算出目標垂直邊a1的高度。然后判斷r1的正負，來區(qū)分是進入正角度調(diào)節(jié)，還是負角度調(diào)節(jié)。如果是正角度，將a1和a2比較來判斷當前角度與目標角度的差異，如a1大于a2說明當前角度小于目標角度，mcu控制升降推桿上升并實時檢測當前的高度a2，直到a2等于a1，mcu控制升降推桿停止工作，完成整個上升角度調(diào)節(jié)過程；當a1小于a2說明當前傾斜角度大于目標角度，mcu控制升降推桿下降并實時檢測當前高度a2，直到a2等于a1，mcu控制升降推桿停止工作，完成整個上升角度調(diào)節(jié)過程；當a1等于a2，mcu不做任何處理。如果是負角度，將a1和（h-a2）來比較來判斷當前角度與目標角度的差異，如a1大于（h-a2）說明當前角度小于目標角度，mcu控制升降推桿下降并實時檢測當前的高度a2，直到（h-a2）等于a1，mcu控制升降推桿停止工作，完成負角度的上升角度調(diào)節(jié)過程；當a1小于（h-a2）說明當前傾斜角度大于目標角度，mcu控制升降推桿上升并實時檢測當前高度a2，直到（h-a2）等于a1，mcu控制升降推桿停止工作，完成整個負角度下降調(diào)節(jié)過程；當a1等于（h-a2），mcu不做任何處理。還有一種情況，當設(shè)定角度為0時，表示水平狀態(tài)，此時應控制升降推桿的高度a2與h相等即可?？刂扑惴鞒虉D見圖7。

圖7. 算法流程圖

3.暖箱床體傾斜的控制試驗與分析

角度控制測試：將角度測量儀放入嬰兒倉床體中間位置，通過觸摸屏點擊+5?，等床體停穩(wěn)后查看角度測量儀結(jié)果。然后將床體調(diào)整為水平，點擊-12?，等床體停穩(wěn)后查看角度測量儀結(jié)果。然后直接點擊+12?，等床體停穩(wěn)后查看角度測量儀結(jié)果（圖8）。通過三次測量觀察角度檢測儀的多數(shù)基本和操作值一致。

保護電路測試：將床體調(diào)整到最高位置（-12?或+12?），然后將床體調(diào)整為反方向，在傾斜過程中用手阻擋床體的動作，給床體一個反向力，人機交互系統(tǒng)發(fā)出了床體傾斜受阻的報警。

基于上述2種情況，本研究又對系統(tǒng)進行了多次類似試驗，結(jié)果表明系統(tǒng)均能很好地滿足系統(tǒng)設(shè)計的控制要求，能夠使床體很好的控制到指定角度。

圖8. 床體角度控制

4.結(jié)論

新生兒暖箱床體角度控制的實現(xiàn)，可以有效的減輕醫(yī)護人員的工作量，也是應用現(xiàn)代科學不斷更新醫(yī)療設(shè)備，引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展的體現(xiàn)。本方案已通過實際驗證，并開始量產(chǎn)。在暖箱上尚有很多可以創(chuàng)新和改進的空間，值得不斷研究，以人為本，利用現(xiàn)代科學技術(shù)為患兒和醫(yī)護人員提供更舒適的治療環(huán)境和使用體驗。

[1] 苗曉華,成朝陽.4000例新生兒護理指導淺談[J].實用醫(yī)技雜志,2007,14(30):4209-4210.

[2] 宋寶華.Linux設(shè)備驅(qū)動開發(fā)詳解[M].2版.北京:人民郵電出版社,2010.

[3] (美)W.Richard Stevens,(美)Stephen A.Rago,著.尤晉元,張亞英,戚正偉,譯.UNIX環(huán)境高級編程[M].人民郵電出版社,2006:213-221.

[4] (美)Mark Allen Weiss.馮舜璽,譯.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法分析:C語言描述[M].2版,北京:機械工業(yè)出版社,2004:15-15.

[5] 李家慶,李芳,葉文.無刷直流電機控制應用——基于STM8S系列單片機[M].北京航空航天大學出版社,2006:192-193.

Implementation of Inclination and Angle Control to the Bed in a Newborn Incubator

XU Jun-hong1WU Xi-zhi2
1 Shenzhen Coman Medical Equipment Co., LTD (Guangdong Shenzhen 518000)2 Department of Electrical and Computer Engineering, Boston University (Boston 02215, USA)

Since the bed body components need to be cleaned every week, it is dif fi cult to install a sensor on the bed. In this paper, we convertthe movement trajectory of the bed into a triangular function relationand calculate the approximate inclination angle by a corresponding algorithm. We fi rstly use‘Proe? software to design a suitable quick release and execution unit. Then we con fi rm the results through the simulation mode and proof out of the kind. We use the motor drag technology to calculate the required motor torque and speed, while using the encoder or other position sensors to get real-time position of the motor or execution unit. After that, we calculate the straight line distance and bring into the corresponding mathematical model. Finally, we calculate the current angle and feedback to the control unit to complete the closed-loop control. After a series of angle control tests and electrical protection tests, we find that the system can well meet the design requirement and also can make the bed body be primly controlled to a specified angle. The automatic control to the inclination angle of the newborn incubator was implemented through the‘Proe?software and the motor drag technology.

newborn incubator, automatic bed tilting, angle calculation method

1006-6586(2017)17-0018-05

R197.39

A

2017-08-01