侯惠亮，鄭小溪

1.華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬同濟(jì)醫(yī)院 器材科，湖北 武漢 430030；2.廣州軍區(qū)武漢總醫(yī)院，湖北 武漢430070

熱療過程中體溫監(jiān)測器的研制

侯惠亮1，鄭小溪2

1.華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬同濟(jì)醫(yī)院 器材科，湖北 武漢 430030；2.廣州軍區(qū)武漢總醫(yī)院，湖北 武漢430070

目的 研制一種主要用于熱療過程中的體溫監(jiān)測器，可提供實(shí)時(shí)體溫顯示，并根據(jù)設(shè)置的參考體溫值及時(shí)發(fā)出報(bào)警，為安全熱療提供保障。方法 采用溫度傳感器檢測體溫，通過對信號進(jìn)行線性處理和放大，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換和單片機(jī)AT89C52處理，最終通過液晶對體溫進(jìn)行顯示。結(jié)果 該溫監(jiān)測器能夠在誤差小于±1%的條件下對熱療過程中的體溫進(jìn)行測量。結(jié)論 該體溫監(jiān)測器能夠?qū)崟r(shí)、連續(xù)地對熱療過程中的體溫進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測。

體溫監(jiān)測器；熱療；熱敏電阻；單片機(jī)

0 前言

熱療（Hyperthermia）一詞源于希臘語，原意是指“高熱”或“過熱”[1]。熱療又名熏蒸，是中藥外治療法的分支，也是物理治療的一類。熱療是以各種熱源為介體，將熱傳遞到機(jī)體，以達(dá)到治療目的的療法[2]。德國醫(yī)學(xué)專家2009年9月22日公布的一項(xiàng)研究結(jié)果表明，在治療癌癥患者時(shí)使用熱療和化療相結(jié)合的方法比單一接受化療效果更好，無瘤期更長[3]。實(shí)驗(yàn)證明，熱療后患者的免疫力和抗病能力明顯提高[4]。

正常人體溫度的變化一般在35～42℃之間。熱療過程中就是使患者的體溫升至40～42℃之間，人為的給人體創(chuàng)造“發(fā)燒”的環(huán)境[5]。全身加熱的關(guān)鍵就是將加熱后的體溫控制在40～42℃之間這個(gè)安全而又有效的范圍之內(nèi)，否則會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)[6]。所以，對全身熱療系統(tǒng)來說，患者的體溫監(jiān)測非常重要，只有這樣才能保證其組織在安全的溫度中進(jìn)行熱療。

為保證熱療過程中的安全性，需要對患者體溫進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，這種測溫精度較高并且測溫范圍較小。常用的人體溫度計(jì)中，紅外測溫儀和電子測溫儀適合應(yīng)用于此類實(shí)時(shí)測溫系統(tǒng)[7-8]。本文介紹一種基于單片機(jī)AT89C52系統(tǒng)的用于熱療過程中的體溫監(jiān)測器的研制方法，其測量范圍在30～50℃，制作簡單，可以對熱療過程中的體溫進(jìn)行有效地實(shí)時(shí)監(jiān)測。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)由熱敏電阻、測量信號調(diào)整與放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)系統(tǒng)、溫度顯示系統(tǒng)構(gòu)成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。由熱敏電阻溫度傳感器將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻值的變化，經(jīng)測量電路將電阻值的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送至單片機(jī)系統(tǒng)，最后在單片機(jī)系統(tǒng)中通過運(yùn)算得出體溫的測量值。此體溫監(jiān)測器能實(shí)現(xiàn)對人體溫度的監(jiān)測和顯示，可設(shè)置溫度的報(bào)警限并提供報(bào)警，以確保患者在熱療過程中的安全。

圖1 測溫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

整體體溫測量電路包括溫度傳感器電路、信號放大電路及A/D轉(zhuǎn)換電路。體溫測試中，常用的溫度傳感器有熱電偶、熱電阻和集成溫度傳感器等[9]。針對人體測溫溫度變化范圍小，要求精度較高的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)選用精度為1‰的熱敏電阻溫度傳感器。

2.1 熱敏電阻溫度傳感器

熱敏電阻是利用半導(dǎo)體材料制成的熱敏元件。一般來說，半導(dǎo)體比金屬具有更大的電阻溫度系數(shù)。半導(dǎo)體熱敏電阻可分為：正溫度系數(shù)(PTC)、負(fù)溫度系數(shù)(NTC)、臨界溫度系數(shù)(CTR)熱敏電阻。

本設(shè)計(jì)采用負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻。負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻具有很高的負(fù)溫度系數(shù)，特別適合于-100℃～+300℃的溫度測量使用。熱敏電阻的阻值隨溫度的上升而減小，它的溫度特性方程為：

中，RT為熱敏電阻，B為熱敏電阻常數(shù)。這里所選用的熱敏電阻為R25=10kΩ，熱敏電阻常數(shù)B25|50=3950。

由公式可知，熱敏電阻的熱電特性非線性嚴(yán)重，需要做線性化處理。為了改善線性，可在熱敏電阻兩端并聯(lián)補(bǔ)償電阻R，如圖2所示，使流過a、b的電流I=IR+IRT。由于補(bǔ)償電阻的作用，總電流I隨T變化的曲線變得平坦，從而改善了線性，但也降低了對溫度的敏感性，所以并聯(lián)補(bǔ)償電阻R不能取的過小，一般不能小于RT，這里的并聯(lián)補(bǔ)償電阻R取10kΩ。為了進(jìn)一步改善溫度傳感器的線性，本設(shè)計(jì)還采用了串聯(lián)補(bǔ)償。R'是串聯(lián)補(bǔ)償電阻，它與熱敏電阻RT及其并聯(lián)補(bǔ)償電阻R相互串聯(lián)后接在+5V電源兩端，其線性補(bǔ)償原理和計(jì)算方法敘述如下：

當(dāng)熱敏電阻溫度傳感器達(dá)到上限溫度TH=50℃時(shí)，熱敏電阻兩端a、b 的并聯(lián)電阻為RTH，則a、b兩端的輸出電壓為：

當(dāng)熱敏電阻溫度傳感器達(dá)到中點(diǎn)溫度TM=40℃時(shí)，熱敏電阻兩端a、b 的并聯(lián)電阻為RTM ，a、b兩端的輸出電壓為

當(dāng)熱敏電阻溫度傳感器達(dá)到下限溫度TL=30℃時(shí)，熱敏電阻兩端a、b的并聯(lián)電阻為RTL，a、b兩端的輸出電壓為

由于中點(diǎn)溫度為上限溫度和下限溫度的平均值，要使這3個(gè)溫度點(diǎn)上傳感器的輸出電壓與溫度成線性，中點(diǎn)溫度的輸出電壓應(yīng)該為上限溫度和下限溫度時(shí)輸出電壓的平均值：

將(2)、(3)、(4)式代入(5)式求解，可得線性串聯(lián)補(bǔ)償電阻：

將上限溫度、中點(diǎn)溫度和下限溫度時(shí)熱敏電阻溫度傳感器兩端并聯(lián)的電阻值代入(6)式，就可以算出線性串聯(lián)補(bǔ)償電阻的阻值，從而使輸出電壓與溫度更接近線性[10-11]。

2.2 運(yùn)算放大器A1和A2

從溫度傳感器獲得的與溫度相關(guān)的電壓信號，通過反相放大器A1放大后，使得溫度電壓信號由原來的隨傳感器溫度上升電壓信號遞減轉(zhuǎn)變?yōu)殡S傳感器溫度上升反相放大器A1的輸出電壓遞增的關(guān)系，這樣就可以獲得電壓與溫度的對應(yīng)關(guān)系。反相放大器A1選用單電源儀表放大器AD623。AD623允許使用單個(gè)增益設(shè)置電阻進(jìn)行增益編程,在無外接電阻條件下, AD623被設(shè)置為單位增益(K=1)；在接入外接電阻RG后, AD623可編程設(shè)置增益,其增益最高可達(dá)1000倍。反相放大器A1的正相輸入端接由分壓電位器RP分壓后的直流電壓，調(diào)節(jié)分壓電位器RP可改變放大器的靜態(tài)直流輸出電壓。在體溫監(jiān)測器的調(diào)試過程中，當(dāng)傳感器溫度處于下限30℃時(shí)，調(diào)節(jié)分壓電位器RP，使反相放大器A1的輸出電壓為0V；當(dāng)傳感器溫度上升到最大值50℃時(shí),調(diào)節(jié)電阻RG，使反相放大器A1的輸出電壓為5V，這樣就使溫度傳感器的溫度從30～50℃變化時(shí)，反相放大器A1的輸出電壓從0～5V相應(yīng)地發(fā)生變化。A2選用雙電源供電低噪聲精密運(yùn)放作為射極跟隨器，可提高帶負(fù)載能力。

2.3 A/D轉(zhuǎn)換電路

為了提高精度，本設(shè)計(jì)采用MAX191 12位模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。MAX191是一種CMOS型模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片（ADC），內(nèi)置參考電壓和內(nèi)部時(shí)鐘，A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間為7.5μs。本設(shè)計(jì)的A/D轉(zhuǎn)換受單片機(jī)控制，單片機(jī)通過讀寫口啟動(dòng)A/D進(jìn)行轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完畢后向單片機(jī)送出高電平，經(jīng)單片機(jī)查詢后，分兩次讀出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的低8位和高4位。A/D轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

圖3 A/D轉(zhuǎn)換電路圖

當(dāng)輸入的模擬量為0～5V時(shí)，轉(zhuǎn)換后的12位數(shù)碼為二進(jìn)制原碼。此12位數(shù)碼表示1個(gè)正數(shù)碼，其數(shù)碼與模擬電壓值的對應(yīng)關(guān)系為：

另外，根據(jù)線性化后的溫度變化與電壓輸出的關(guān)系，可得如下關(guān)系式：

根據(jù)(7)式(8)式的關(guān)系，就可由A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)碼換算出所要測量的體溫:

2.4 單片機(jī)系統(tǒng)

本設(shè)計(jì)采用AT89C52單片機(jī)系統(tǒng)。AT89C52單片機(jī)是一個(gè)低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8k bytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲(chǔ)器和256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元。AT89C52單片機(jī)正常工作時(shí)，啟動(dòng)A/D進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。每當(dāng)查詢到轉(zhuǎn)換完成后，分兩次從P1口讀出所轉(zhuǎn)換的低8位和高4位數(shù)據(jù)。將重復(fù)采樣讀得的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均計(jì)算，換算成對應(yīng)的溫度送至液晶DY12864CBL進(jìn)行顯示。

本實(shí)驗(yàn)將體溫的測量范圍選擇在30～50℃。在此溫度范圍內(nèi)，分別測量各攝氏度時(shí)的溫度，選用精度高達(dá)0.05℃的高精度溫度測量儀測量的溫度作為實(shí)際溫度進(jìn)行參照，得到21組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)測溫度與實(shí)際溫度的曲線如圖4所示。圖中T1表示實(shí)際溫度，T2表示實(shí)測溫度。

圖4 實(shí)際溫度與實(shí)測溫度曲線

2.5 液晶顯示

液晶顯示是人機(jī)交互的重要部分。本設(shè)計(jì)采用的液晶是圖形點(diǎn)陣液晶DY12864CBL，該液晶由128×64點(diǎn)陣組成，可以顯示圖形、數(shù)字和漢字。

該液晶供電電壓為+5V，液晶驅(qū)動(dòng)模塊整合在液晶電路板內(nèi)，使用起來較為方便。在電路中使用單片機(jī)的P2和P0端口作為液晶的控制線和數(shù)據(jù)線，其接口電路如圖5所示。

圖5 液晶顯示電路

3 軟件流程圖

圖6給出了熱療過程中體溫監(jiān)測器的軟件流程圖。在實(shí)際測量中，根據(jù)熱療的具體情況需要事先設(shè)定參考溫度，參考溫度介于43～50℃。將所測量的溫度與參考溫度進(jìn)行比較，若超過警報(bào)就予以報(bào)警，同時(shí)不斷重復(fù)進(jìn)行測量過程。軟件流程圖如圖6所示。

4 結(jié)束語

本文研制的體溫監(jiān)測器設(shè)計(jì)方法簡單，測量精度較高，安全可靠，根據(jù)需要還可實(shí)現(xiàn)多路擴(kuò)展。與同類熱療過程中使用的測溫裝置進(jìn)行比較，此溫監(jiān)測器具有無水銀、低功耗、高性價(jià)比的特點(diǎn)，能夠快速、連續(xù)地對體溫進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試，熱療過程中對人體溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，其有效溫度測量范圍在30～50℃，誤差在±0.1℃以內(nèi)，具有較高的準(zhǔn)確性和重復(fù)性。此體溫監(jiān)測器的成功研制，將為患者在熱療過程中帶來便利。

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Development of Monitoring Implement for Body Temperature in Hyperthermia

HOU Hui-liang1，ZHENG Xiao-xi2
1.Equepment Department,Tongji Hospital Tongji Medical College of Hust Tongji Medical College Huazhong University of Science & Technology,Wuhan Hubei 430030,China;2. Wuhan General Hospital of Guangzhou Military Region, Wuhan Hubei 430030,China

Objective To develop a monitoring implement of body temperature in hyperthermia. It can display the result of body temperature and send out alarm to protect the security of patients according to the reference in hyperthermia. Methods To test the body temperature by using temperature sensor. The body temperature is displayed finally by LCD through signal disposed by linearity and amplification. It also can be disposed by AD converter and chip microprocessors. Results The implement can check the body temperature under the error of ±1% in hyperthermia. Conclusion The implement can measure the body temperature accurately and continuously at the real time in hyperthermia.

hyperthermia; thermistor; chip microprocessors

TH772+.2；R456+.1

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2011.08.010

1674-1633(2011)08-0032-04

2010-03-29

2011-05-04

本文作者：侯惠亮，主管技師，碩士。

作者郵箱：houhl01@163.com