一種康復(fù)治療儀專用的外接式智能控溫裝置

楊曉珍 王明偉 胡小龍 白瑩瑩 陳明佳 李祖園

摘 要：目前，康復(fù)治療儀在臨床治療上應(yīng)用普遍，尤其是在加速傷口愈合，緩解關(guān)節(jié)疼痛等方面具有不可替代的作用。但在使用過程中，受距離、時間、環(huán)境溫度等因素影響，常常導(dǎo)致患者皮膚溫度過高，烤傷皮膚事件頻發(fā)?；诖?，作者設(shè)計研發(fā)一款外接式智能控溫裝置，將患者皮膚溫度作為反饋，形成閉環(huán)調(diào)節(jié)，實現(xiàn)精準(zhǔn)控溫，避免皮膚因溫度過高而烤傷，同時外接式結(jié)構(gòu)可以兼容任何型號的康復(fù)治療儀，無需淘汰更換就可以實現(xiàn)智能防烤傷，具有很強的實用性。

關(guān)鍵詞： 皮膚烤傷;溫度反饋;物聯(lián)網(wǎng);控溫

前言

康復(fù)治療儀的臨床作用主要體現(xiàn)在以下方面：

（1）促進血液循環(huán)，擴張微血管，使皮下深層皮膚溫度上升，提高機體新陳代謝，加速傷口愈合。

（2）緩解關(guān)節(jié)疼痛，紅外線穿透力可排除積存體內(nèi)的疲勞物質(zhì)和乳酸等老化廢物，對消除內(nèi)腫，緩解酸痛效果顯著。

（3）使皮下組織溫度上升，促進藥物吸收，加快治療周期。

另外，還具有調(diào)節(jié)血壓，降低高血壓的輔助治療效果。促進脂肪組織代謝，燃燒分解，在護膚美容行業(yè)也有應(yīng)用。

作者經(jīng)過大量調(diào)研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有康復(fù)治療儀極易烤傷皮膚的根本原因在于：雖然也有定時功能但其控制的是發(fā)熱原件的溫度，而最終到達人體皮膚的溫度，則受使用時間、皮膚與治療儀之間的距離，及周圍環(huán)境溫度因素的影響，任何一個因素稍有變化就會產(chǎn)生有較大的溫度差;同時，由于熱慣性影響，一旦皮膚溫度高于45℃，就會發(fā)生不同程度的烤傷。

現(xiàn)有康復(fù)治療儀操作復(fù)雜，使用時需要根據(jù)患者體位反復(fù)調(diào)節(jié)使用距離;由于烤傷事件頻發(fā)，理療過程中需要人員在旁時時監(jiān)控，關(guān)注患者使用情況，對于康復(fù)治療儀使用數(shù)量較多的醫(yī)院，人力成本極高。

1 ?傳統(tǒng)預(yù)防皮膚烤傷的措施

目前主要采取以下三方面的措施預(yù)防烤傷事故發(fā)生：

措施一（40%）：增加烤燈與皮膚之間的距離。此措施雖然可以減少被烤傷的幾率，但是通過犧牲醫(yī)用烤燈的功效這一“簡單粗暴”的方式。我們通過實驗發(fā)現(xiàn)（見附件2），隨著距離增大，皮膚達不到最佳治療溫度（38℃至45℃），醫(yī)用烤燈沒有實現(xiàn)其應(yīng)有的治療作用。

措施二（50%）：主要依靠患者自身的溫度感受。但是對于兒童、老年人以及皮膚溫度感應(yīng)不敏感的人群，使用過程中，往往當(dāng)此類人群感覺到不適時，烤傷已經(jīng)發(fā)生。

措施三（10%）：烤燈使用過程中醫(yī)護人員全程陪同。主要依靠醫(yī)護人員的主觀經(jīng)驗，此措施需要大量人力成本，經(jīng)驗的積累也是建立在一次次烤傷事故中，無法根本上杜絕烤傷。

基于上述問題，作者經(jīng)過反復(fù)實驗，融合自動化控制、物聯(lián)網(wǎng)、機械、電子、通信等技術(shù)，經(jīng)過反復(fù)研發(fā)，最終形成一種穩(wěn)定可靠的智能控制方案。并對比多種控溫方案，最終研發(fā)出一款智能化、安全化、便利化的可外接現(xiàn)有康復(fù)治療儀的控溫裝置，可以將人體皮膚保持在最佳理療溫度，有效避免皮膚烤傷。

2 ?首次將人體皮膚實時溫度作為反饋，形成閉環(huán)調(diào)節(jié)

首次突破性的將“人體皮膚溫度反饋”作為控制依據(jù)，通過控溫裝置與終端發(fā)熱元件形成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。

溫度傳感器采集患者皮膚實時溫度并實時反饋到控制始端，由于發(fā)熱元件的使用溫度較高，熱慣性較大，為確保溫度控制的精確性和時效性，團隊對比多種控溫方案，經(jīng)過大量實驗，最終采用PI自動控制技術(shù)，結(jié)合脈沖寬度PWM對控制終端——治療儀發(fā)熱元件溫度進行實時調(diào)節(jié)。采用Arduino開源開發(fā)板實現(xiàn)控溫方案，成本低且控制可靠。使康復(fù)治療儀不再受時間、距離、環(huán)境因素影響，實時精準(zhǔn)快速調(diào)溫、控溫，使皮膚溫度保持在設(shè)定的最佳理療溫度，真正實現(xiàn)零烤傷，提升理療效果，縮短理療周期。

3 ?外接式智能控溫裝置

外接式智能控溫裝置主要由智能控制模塊和終端采集模塊構(gòu)成，兩者之間通過物聯(lián)網(wǎng)進行信息傳輸。

智能控制模塊是外接式控溫裝置的核心，采取獨立的外插式結(jié)構(gòu)：

3.1面板設(shè)置單獨的溫度調(diào)節(jié)按鈕，可以根據(jù)不同的理療需要設(shè)置不同的理療溫度，提升理療效果，縮短理療周期。

3.2采用液晶顯示屏實時顯示皮膚溫度。

3.3設(shè)有電源插口，只需將現(xiàn)有康復(fù)治療儀電源插入智能控制模塊的電源插口處，再將智能控制模塊電源端通電即可。

3.4整個控溫原理通過Arduino開發(fā)板進行編程實現(xiàn)，方案如下：溫度傳感器將采集的實時溫度傳送至接收端，接收到信息后與設(shè)定溫度值進行比較，若皮膚實時溫度等于設(shè)定溫度，輸出端停止控制信息輸出，PWM占空比為零;若皮膚實時溫度不等于設(shè)定溫度，由于康復(fù)治療儀熱慣性非常大，為了精準(zhǔn)快速調(diào)溫，采用比例和積分控制算法（PI自動控制），控制輸出PWM的占空比，使采集溫度短時間調(diào)控在設(shè)定溫度并保持。整個控制形成閉環(huán)調(diào)節(jié)，實時監(jiān)控皮膚溫度。智能控制模塊起到中間調(diào)控作用，適用于交流220V電壓的不同功率的康復(fù)治療儀，

3.5終端采集模塊主要由溫度傳感器和無線傳輸器構(gòu)成。雖然現(xiàn)在紅外線測溫儀應(yīng)用普遍，便捷。但在實驗中發(fā)現(xiàn)紅外測溫極易受環(huán)境溫度干擾，導(dǎo)致測溫誤差較大，對于溫度要求嚴格的康復(fù)治療儀來說并不適合，因此采用溫度傳感器，不僅可以精準(zhǔn)的測量患者使用部位的皮膚溫度;同時也適應(yīng)臨床敷藥等治療方式，使用時只需將溫度傳感器至于藥物與皮膚中間即可，溫度傳感器的使用為后期的調(diào)溫控溫減少初始誤差。

另外，溫度傳感器的有線連接在臨床使用時極不方便，使用大大受限，因為和控溫裝置之間有實際的物理連接，存在不安全因素。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用使外接式智能控溫裝置使用時更加的便捷、安全，避免有線連接產(chǎn)生的物理接觸，采用2.4GHZ無線技術(shù)，使用范圍廣，抗干擾能力強，溫度傳輸可靠穩(wěn)定。

4 智能控溫裝置的創(chuàng)新性

4.1 智能控溫防烤傷

克服康復(fù)治療儀熱慣性的影響，和皮膚溫度之間實現(xiàn)閉環(huán)控制。不再受時間、距離、環(huán)境因素影響，實時精準(zhǔn)快速調(diào)溫、控溫，使皮膚溫度保持在設(shè)定的最佳理療溫度，真正實現(xiàn)零烤傷，提升理療效果，縮短理療周期。

4.2 物聯(lián)網(wǎng)實時傳輸

克服人體皮膚與治療儀因電的物理接觸產(chǎn)生的不安全因素，智能控制裝置與終端采集裝置通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)信息互傳互控，安全可靠;同時醫(yī)務(wù)人員通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過手持終端實現(xiàn)便捷式監(jiān)控。

4.3 節(jié)省了人力成本。

使用過程中，無需醫(yī)護人員調(diào)節(jié)和監(jiān)護，在控溫和使用定位方面可以實現(xiàn)智能調(diào)節(jié)，安全、高效。

5 結(jié)論

智能控溫裝置采用外接式，兼容性很強，可匹配任一型號功率的康復(fù)治療儀，無需更換現(xiàn)有的康復(fù)治療儀，經(jīng)濟效益非常明顯，實用性非常強;且在使用過程中，不需要醫(yī)護人員調(diào)節(jié)和監(jiān)護，可為醫(yī)院節(jié)約大量人力成本，具有較高的經(jīng)濟效益。在控溫和使用定位方面可以實現(xiàn)智能調(diào)節(jié)，真正實現(xiàn)防烤傷功能，安全高效、性能可靠穩(wěn)定，故障率低，符合醫(yī)療器械智能化、安全化發(fā)展趨勢。

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課題項目：雅安職業(yè)技術(shù)學(xué)院2020年科研項目（項目編號YZY2020ZKB01）;四川省教育廳2020年度省級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（項目編號S2020130493）

（雅安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 雅安 625100）