前庭雙溫試驗(yàn)中冷熱水刺激儀溫度控制的改進(jìn)

陳月玲 張道宮 呂亞峰 樊兆民*

前庭雙溫試驗(yàn)即冷熱試驗(yàn)，是一種針對(duì)眩暈疾病診治的檢查方法，檢查中當(dāng)外界環(huán)境溫度低于10 ℃加熱時(shí)間會(huì)加長(zhǎng)，直接影響檢查效率。通過分析前庭雙溫試驗(yàn)原理，改進(jìn)前庭雙溫冷熱水溫度控制電路，從而減小誤差，同時(shí)提升輸出水溫的穩(wěn)定性及精準(zhǔn)性。

1 前庭雙溫試驗(yàn)原理

向患者外耳道內(nèi)灌注溫度分別為30 ℃和44 ℃的冷熱水，溫度經(jīng)熱傳導(dǎo)改變半規(guī)管對(duì)應(yīng)點(diǎn)的內(nèi)淋巴液溫度，在半規(guī)管內(nèi)淋巴液中形成溫度差，進(jìn)而形成密度差，在重力作用下形成有規(guī)律的流動(dòng)，刺激壺腹嵴，產(chǎn)生眼震。觀察分析不同耳別、不同溫度刺激下產(chǎn)生的眼震強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間以及頻次等參數(shù)，即可判斷受試者前庭功能[1]。試驗(yàn)中注入冷熱水的溫度直接決定在半規(guī)管內(nèi)淋巴液中形成的溫度差，從而決定了密度差，與內(nèi)淋巴液流動(dòng)的程度直接相關(guān)，同時(shí)與產(chǎn)生眼震的強(qiáng)度直接相關(guān)。因此注入冷熱水的溫度直接影響試驗(yàn)結(jié)果，因此冷熱水溫度的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性非常重要。

2 設(shè)備現(xiàn)狀與改進(jìn)方法

2.1 設(shè)備現(xiàn)狀

目前，多種冷熱水刺激儀的結(jié)構(gòu)基本相同，均有一級(jí)溫度控制，在設(shè)備機(jī)箱內(nèi)部有2個(gè)水箱，水箱的容量為1 L左右，其中一個(gè)水箱儲(chǔ)存水的溫度控制在30 ℃(試驗(yàn)意義上的冷水)，另一水箱內(nèi)水的溫度控制在44 ℃(試驗(yàn)意義上的熱水)。工作時(shí)，通過電磁閥切換冷水或熱水，隔膜泵將水泵出，經(jīng)過長(zhǎng)約2 m的管路流到手柄，操作人員將手柄上的軟性管路插入受試者外耳道并將水灌注入。

由于灌注過程流經(jīng)電磁閥、隔膜泵以及管路，在流動(dòng)過程中其溫度會(huì)發(fā)生變化，變化量與管路保溫性能、長(zhǎng)度及環(huán)境溫度均有關(guān)系，可能造成灌注水溫不準(zhǔn)確。為此，分別測(cè)量室溫為10 ℃和25 ℃時(shí)手柄出水口的水溫，發(fā)現(xiàn)冷水溫度變化約±0.3 ℃，熱水溫度變化約±0.5 ℃。基于上述原因，在設(shè)備手柄上設(shè)計(jì)第二級(jí)溫度控制[2-3]。保留原有的2個(gè)水箱及溫度控制，但將水箱內(nèi)水溫度略微調(diào)低，通過手柄上的二級(jí)溫度控制進(jìn)行二次加溫，二次加溫選用模擬量控制方式而不是開關(guān)量控制，既降低了灌注水的波動(dòng)性，又降低了灌注水流經(jīng)管路產(chǎn)生的降溫及環(huán)境溫度的影響[4]。

2.2 二級(jí)溫控實(shí)現(xiàn)方案

(1)選用型號(hào)為MF51-503-3950(廣東東莞星響電子科技有限公司)的負(fù)溫度系數(shù)(negative temperature coefficient，NTC)熱敏電阻為測(cè)溫元件，其具有體積小、質(zhì)量小、熱容量小、熱慣性小、方便安裝和反應(yīng)時(shí)間快等優(yōu)點(diǎn)[5]。

NTC熱敏電阻的電阻值隨溫度上升而下降，其電阻值(RT)的計(jì)算為公式1：

式中RT為當(dāng)溫度為T ℃時(shí)的電阻值，R25為溫度25 ℃時(shí)的電阻值，B為溫度系數(shù)。

MF51-503-3950的R25為50 kΩ，B為3950。通過公式(1)可以算出R30為40.18 kΩ，R44為22.59 kΩ。

(2)選用電阻分壓網(wǎng)絡(luò)為測(cè)溫電路(如圖1所示)[6-8]；測(cè)溫電路電壓(VT)的計(jì)算為公式2：

圖1 測(cè)溫電路圖

式中VSS為供電電壓，選用12 Vdc為供電電壓。R0選用10 kΩ電阻，RT為熱敏電阻D的電阻值。

(3)控溫電路如圖2所示，對(duì)應(yīng)冷水或熱水的參考電壓(VREF)的計(jì)算為公式3：

圖2 控溫電路圖

式中R0選用10 kΩ，針對(duì)冷水或熱水R1分別選用與熱敏電阻在30 ℃和44 ℃時(shí)阻值相同的電阻。

實(shí)際應(yīng)用時(shí)，參考電壓有2個(gè)分別對(duì)應(yīng)冷水和熱水，參考電壓通過2選1開關(guān)選擇后，供后續(xù)電路使用(如圖3所示)。

圖3 二級(jí)控溫電路圖

圖3 中VT為測(cè)溫電路的電壓，VREF為對(duì)應(yīng)冷水或熱水的參考電壓。R2和R3為10 kΩ，C1為0.1 μF電容，R4為4.7 MΩ，功率三極管為TIP127，RL為負(fù)載電阻即加熱元件。

當(dāng)水溫低于設(shè)定溫度時(shí)，VT＜VREF，運(yùn)算放大器LM358[9]輸出正電壓驅(qū)動(dòng)功率三極管打開，電流流過負(fù)載為水加熱。當(dāng)水溫低于但接近設(shè)定溫度時(shí)，運(yùn)算放大器輸出的電壓正比于VREF-VT，流過負(fù)載的電流正比于VREF-VT，加熱元件的發(fā)熱功率正比于VREFVT。當(dāng)水溫等于或高于設(shè)定溫度時(shí)，運(yùn)放輸出為零，功率三極管關(guān)閉，無電流流過負(fù)載，加熱元件不加熱[10]。以上設(shè)計(jì)避免開關(guān)控制加熱元件產(chǎn)生的溫度波動(dòng)。

(4)加熱元件。刺激儀水流量每秒＜6.25 ml，將冷水及熱水水箱溫度設(shè)置低于要求溫度2 ℃內(nèi)，加熱元件需在1 s內(nèi)將6.25 ml的水加熱2 ℃，其功率P的計(jì)算為公式4：

式中ρ為水的密度，V為每秒流過水的體積，C為水的比熱，ΔT為水升高的溫度[11]。

根據(jù)上述公式計(jì)算出加熱元件功率≥50 W，因此選用72 W電熱絲繞制的電熱棒作為加熱元件，供電為12 Vdc，電阻為2 Ω，其計(jì)算為公式5：

式中R為加熱元件的電阻值，U為供電電壓，P為加熱元件的功率。

(5)手柄結(jié)構(gòu)。將內(nèi)徑為2 mm銅管緊密纏繞在棒狀加熱元件上，用環(huán)氧樹脂固定，在銅管與加熱棒的空隙處填滿導(dǎo)熱硅脂，銅管外側(cè)用隔熱材料包裹。測(cè)溫元件緊貼在距加熱元件上端(出水端)1/3處的銅管外側(cè)與隔熱包裹層之間，用環(huán)氧樹脂固定。

3 效果分析

在室溫條件下分別測(cè)試10次單次控溫和二次控溫后比較出水口冷熱水的溫度，其精準(zhǔn)度和穩(wěn)定度均得到相應(yīng)提高，見表1。

表1 電路改進(jìn)前后輸出溫度的比較(℃)

4 小結(jié)

前庭雙溫冷熱水溫度控制電路經(jīng)過改進(jìn)，采用模擬量控制二次控溫設(shè)計(jì)，使灌注水的溫度波動(dòng)性誤差實(shí)測(cè)值＜0.1 ℃。在接近灌注點(diǎn)的手柄上增加二次控溫，避免了水流過管路造成的溫度變化，也避免了環(huán)境溫度的影響，使溫度準(zhǔn)確性誤差＜0.2 ℃，整體溫度的穩(wěn)定性和精準(zhǔn)性均明顯提高，使用二級(jí)加熱元件加快了升溫速度，提高了檢查效率。

然而，在手柄處增加電路控制存在不足，其與設(shè)備間有2 m左右的連線增加了故障概率；二級(jí)控溫在長(zhǎng)時(shí)間應(yīng)用后的穩(wěn)定性也有待檢測(cè)觀察，由于目前設(shè)備主機(jī)與手柄間連線較長(zhǎng)造成使用不便也是今后前庭雙溫設(shè)備改進(jìn)的研究方向。