醫(yī)用紅外測溫儀的軟件設(shè)計

毛坤劍　許新建*　張明旭　劉暾東　李達義

醫(yī)用紅外測溫儀的軟件設(shè)計

毛坤劍①許新建①*張明旭①劉暾東②李達義①

目的：基于紅外測溫原理和體溫折算法設(shè)計醫(yī)用紅外測溫儀軟件，以實現(xiàn)醫(yī)用紅外測溫儀的模塊功能運用。方法：采用匯編語言設(shè)計主程序、電池低電量檢測子程序、環(huán)境溫度檢測程序、待測溫度監(jiān)測計算子程序、蜂鳴器報警子程序、EEPROM數(shù)據(jù)存儲子程序、體溫精度校準子程序以及按鍵檢測子程序等，并使用燒錄器進行燒錄。結(jié)果：醫(yī)用紅外測溫儀經(jīng)過臨床測試，其軟件系統(tǒng)在環(huán)境溫度為24 ℃、26 ℃和28 ℃時進行精度測試，測試結(jié)果最大差值僅為0.2 ℃，測量溫度重復(fù)性較好，精度較高。結(jié)論：設(shè)計的醫(yī)用紅外測溫儀軟件系統(tǒng)在設(shè)置的不同環(huán)境溫度下測試精度高，重復(fù)性好，能夠滿足紅外測溫儀快速測溫的運用，為臨床提供準確的測溫數(shù)據(jù)。

紅外測溫；環(huán)境溫度補償；匯編語言；醫(yī)用軟件

[First-author’s address] Chenggong Hospital, Xiamen University and the 174thHospital of PLA, Xiamen 361003, China.

醫(yī)用紅外測溫儀是重要的非接觸測溫設(shè)備，其測溫速度快、操作簡單，受到醫(yī)療機構(gòu)的青睞[1]。由于人體溫度與環(huán)境溫度相近，基于紅外測溫的工作原理，紅外測溫儀容易受環(huán)境溫度的影響，導(dǎo)致測量精度不高，在不同的環(huán)境溫度下測量溫度重復(fù)性較差，直接影響臨床對患者體溫的準確判斷。為此，本研究基于紅外測溫原理和體溫折算法，采用環(huán)境溫度補償方法進行軟件設(shè)計，以提高醫(yī)用紅外測溫儀溫度測量精度和重復(fù)性[2]。

1　醫(yī)用紅外測溫與體溫折算法原理

紅外溫度傳感器是一種基于Seebeck效應(yīng)的熱電堆，人體的紅外線輻射到熱電堆內(nèi)部的吸收膜，引起薄膜溫度上升，當內(nèi)部熱電偶陣列兩端存在溫度梯度時回路中就會有電流通過，此時兩端之間存在Seebeck電動勢，為熱電動勢[3]。熱電堆輸出的電壓值V與待測溫度和環(huán)境溫度[4]的關(guān)系如公式1：

式中S為器件系數(shù)；ε1為待測物輻射率；δ為校正透射率；T1為待測物溫度；T2為傳感器溫度。

公式1熱電堆輸出的電壓值V與待測溫度和環(huán)境溫度的關(guān)系：當環(huán)境溫度固定時，待測溫度變化1 ℃時，V1電壓變化一般為數(shù)十個μV；當待測物溫度與紅外溫度傳感器溫度相同時，V1電壓值為0 V[5]。待測溫度與環(huán)境溫度的數(shù)學(xué)關(guān)系式如公式2：

當紅外測溫儀的微控制器單元(micro control unit，MCU)采集V1的電壓值和傳感器的環(huán)境溫度T1，建立環(huán)境溫度的V1對應(yīng)待測溫度的表格，查此表得到當前T1對應(yīng)的電壓值V2，將VTP與V2相加得到V3，通過反查此表得到待測物的溫度值

2　醫(yī)用紅外測溫儀系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件系統(tǒng)主要包括主程序、電池低電量檢測子程序、環(huán)境溫度檢測、待測溫度監(jiān)測計算子程序、蜂鳴器報警子程序、EEPROM數(shù)據(jù)存儲子程序、體溫精度校準子程序以及按鍵檢測子程序等[7]。

2.1主程序設(shè)計

主程序設(shè)置紅外測溫儀開機后進行初始化測試和電池電量檢測，若電池電量足夠，根據(jù)環(huán)境溫度進行校正。開始使用時判斷模擬數(shù)字(analog digital，AD)數(shù)據(jù)采集是否完成，同時將測試結(jié)果顯示在LCD屏幕上。在開機后一直進行按鍵掃描程序，并根據(jù)掃描結(jié)果判斷是否進入睡眠模式[8]。其流程如圖1所示。

圖1　紅外測溫儀主程序流程圖

2.2數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計

紅外測溫儀的數(shù)據(jù)采集主要分為電池電壓采集、負溫度系數(shù)(negative temperature coefficient，NTC)環(huán)境溫度采集以及V1待測物溫度采集。采集電壓數(shù)值時，采集頻率設(shè)置為12.5 ms，采集通道設(shè)置為VDD/5和VCM，將采集完10次累計減去最大值和最小值，再求平均，將計算后的AD值保存到變量，最后利用兩次測量的AD值計算，判斷電壓電量[9]。采集NTC環(huán)境溫度，采集設(shè)置為12.5 ms，第一采集通道設(shè)置為AN4和VCM，將采集完10次累加減去最大值和最小值，再求平均，將計算后的AD值保存到變量AN4；第二采集通道設(shè)置為AN2和VCM，將采集完10次累加減去最大值和最小值，再求平均，將計算后的AD值保存到變量AN2，最后利用3次量測的AD值Z計算得到電阻值，查表得到環(huán)境溫度值，其計算為公式3：

式中K為NTC校正參數(shù)；AN4為第一通道采集平均值。

采集待測物體參數(shù)時，采集頻率設(shè)置為20 ms，采集通道設(shè)置為AN0和VCM，將采集完10次累加減去最大值和最小值，再求平均，將計算后的AD值保存到變量AN0，最后利用體溫折算法得到待測物溫度值[10]。其程序如圖2所示。

圖2　紅外測溫儀AD采集子程序流程圖

2.3系統(tǒng)校正程序和溫度校準程序設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)定紅外測溫儀開機后則自動校正，以查看其一些硬件基本情況和軟件程序設(shè)備，如有異常將自動重置。其程序流程如圖3所示。

醫(yī)用紅外體溫儀不僅受紅外溫度傳感器自身透鏡的透射率與機構(gòu)引起的輻射角度的影響，還容易受環(huán)境溫度的影響，因此，必須進行參數(shù)校準以達到溫度補償[11]。其流程如圖4所示。

圖3　紅外測溫儀校正程序流程圖

圖4　紅外測溫儀校準程序流程圖

2.4按鍵掃描程序和蜂鳴器報警程序設(shè)計

紅外測溫儀的按鍵具有組合功能，其按鍵掃描程序每0.5 s對按鍵進行掃描，如有檢測被按下，就執(zhí)行開機程序，如檢測到3 s未被按下，就進入睡眠狀態(tài)，如檢測到被按下3 s，系統(tǒng)進入關(guān)機狀態(tài)。當系統(tǒng)進入查看數(shù)據(jù)子程序時，每按下一次按鍵，就更新一個存儲數(shù)據(jù)[12]。

紅外測溫儀具有3個報警功能：①開機時校正正常后出現(xiàn)一聲“嘀”，提示設(shè)備準備就緒；②測試錯誤后出現(xiàn)兩聲“嘀嘀”，提示系統(tǒng)錯誤；③所測溫度超出設(shè)定溫度出現(xiàn)兩聲“嘀嘀”，提示患者體溫異常。系統(tǒng)根據(jù)不同的報警功能設(shè)置不同的驅(qū)動程序驅(qū)動蜂鳴器[13]。

3　醫(yī)用紅外測溫儀臨床測試結(jié)果

本系統(tǒng)在環(huán)境溫度24 ℃、26 ℃和28 ℃下，分別對同一患者的體溫進行5次測試，經(jīng)過軟件溫度補償后，最大差值僅為0.2 ℃。整個系統(tǒng)在運用測試過程中，操作簡單，使用方便，反應(yīng)速度快，性能穩(wěn)定且重復(fù)性良好[14]。其測試數(shù)據(jù)見表1。

表1　同一患者不同環(huán)境溫度下體溫測試數(shù)據(jù)

4　結(jié)論

醫(yī)用紅外測溫儀具有響應(yīng)速度快和靈敏度高等優(yōu)點，被廣泛運用于患者體溫的快速測量。由于傳統(tǒng)的醫(yī)用紅外測溫儀各種設(shè)計缺陷而導(dǎo)致精度不高、重復(fù)性較低。本研究設(shè)計的紅外測溫儀軟件系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)其各功能模塊的運用，并通過獨特的數(shù)據(jù)采集算法、校正算法和校準算法，能夠?qū)崿F(xiàn)在不同的環(huán)境溫度下重復(fù)性較高、精度也較高，為醫(yī)務(wù)人員提供較為準確的臨床數(shù)據(jù)[15]。本系統(tǒng)使用簡單，測量速度快，能夠滿足患者快速測量體溫的需求。

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Software design of medical infrared temperature measuring instrument

MAO Kun-jian, XU Xin-jian, ZHANG Ming-xu, et al// China Medical Equipment,2016,13(11):4-6.

Objective: Design a application software for the function of the module of medical infrared thermometer based on the principle of infrared measuring temperature and temperature conversion method. Methods: In this paper, the assembly language was used in the main program, low battery detection subroutine, the ambient temperature detection, measure temperature monitoring calculation subroutine, buzzer alarm subroutine, EEPROM data storage subroutine, temperature precision calibration subroutine and key detection subroutine etc., and burner for burning. Results: After clinical testing, the environment temperature in the software system of medical infrared thermometer was 24 °C, 26 °C, 28 °C for accuracy test, and the maximum difference was only 0.2 °C. Conclusion: The software system of medical infrared temperature measurement has high precision and good repeatability, and can be used to meet the fast temperature measurement of infrared temperature measuring instrument.

Infrared temperature measurement; Ambient temperature compensation; Assembly language; Medical application software

1672-8270(2016)11-0004-03

R197.324

A

毛坤劍,男,(1981- ),本科學(xué)歷，工程師。解放軍第174醫(yī)院(廈門大學(xué)附屬成功醫(yī)院)器材科，從事醫(yī)療設(shè)備的維修、質(zhì)量控制及使用管理等方面的研究工作。

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2016.11.002

①解放軍第174醫(yī)院(廈門大學(xué)附屬成功醫(yī)院)器材科 福建 廈門 361003

②廈門大學(xué)航空航天學(xué)院自動化系 福建 廈門 361003

329716820@qq.com

2016-06-22