一種腦部控溫裝置及溫度控制方法

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一種腦部控溫裝置及溫度控制方法
【專利摘要】本發明公開了一種腦部控溫裝置及溫度控制方法，其裝置包括箱體、冰帽、制冷系統和控制系統，所述制冷系統包括冷卻水箱、半導體制冷片、散熱片、冷卻水泵和流量計，所述控制系統包含單片機電路、控制面板以及若干個溫度探頭；冷卻水箱的輸出端通過導管連接冰帽的輸入端，冷卻水箱的輸入端通過導管連接冰帽的輸出端，冷卻水泵和流量計都串聯在導管上，半導體制冷片的冷端與冷卻水箱緊貼，熱端與散熱片緊貼。通過調整半導體制冷片的制熱功率來改變冷卻水溫度，進而控制患者腦部溫度。本方案適用于醫學顱腦降溫領域。
【專利說明】
一種腦部控溫裝置及溫度控制方法
技術領域
[0001] 本發明涉及患者溫度控制領域，尤其是涉及一種用于患者頭部降溫的腦部控溫裝置及溫度控制方法。
【背景技術】
[0002] 半導體制冷器是利用珀耳帖效應的一種制冷裝置，因為其小型化、無噪聲，并且不需要使用制冷劑以及使用壽命長的特點，在空間實驗技術、醫療技術、航空航天以及生物工程技術等溫度控制領域得到了廣泛的應用。
[0003] 亞低溫治療是一種以物理方法將患者的體溫降低到預期水平而達到治療疾病目的的方法。臨床深低溫治療的應用和研究由來已久，低溫在心外科和神經外科手術中已得到廣泛應用，并取得良好的腦保護作用，但體溫低于28°C時，常誘發心律失常、凝血機制障礙等嚴重并發癥。因此從80年代起，深低溫已很少應用，80年代末，研究發現腦溫下降2_3°C (亞低溫)對缺血性腦損傷也有保護作用，且無深低溫所致的各種并發癥，使低溫治療重新引起人們的興趣。近幾年，國外率先開始使用亞低溫(30-35Γ)治療腦缺血、腦缺氧和腦出血病人，取得了令人矚目的研究成果。
[0004] 現在，市場上已經出現了若干采用半導體制冷的亞低溫治療儀，但是其降溫策略主要為通過冰毯進行全身降溫，然后通過改變人體核心溫度來降低腦溫的目的，可能引發了多種并發癥；另外也有通過冰帽進行選擇性顱腦降溫，但是其所用冰帽存在體積和重量大，移動和穿戴困難，難以進行精確溫度控制等明顯缺點，僅適合在病房等固定場所使用。

【發明內容】

[0005] 本發明主要是解決現有技術所存在的溫度控制精度不夠高、容易引起并發癥、冰帽體積較大、穿戴困難、難以進行精確溫度控制等的技術問題，提供一種可以精確控制溫度、針對顱腦直接降溫、冰帽體積小、穿戴方便、不易引起并發癥的顱腦亞低溫治療儀及溫度控制方法。
[0006] 本發明針對上述技術問題主要是通過下述技術方案得以解決的：一種腦部控溫裝置，包括箱體、冰帽、制冷系統和控制系統，所述制冷系統包括冷卻水箱、半導體制冷片、散熱片、冷卻水栗和流量計，所述控制系統包含單片機電路、控制面板以及若干個溫度探頭；冷卻水箱的輸出端通過導管連接冰帽的輸入端，冷卻水箱的輸入端通過導管連接冰帽的輸出端，冷卻水栗和流量計都串聯在導管上，半導體制冷片的冷端與冷卻水箱緊貼，熱端與散熱片緊貼，一個溫度探頭固定在冷卻水箱內部，另一個耳蝸式溫度探頭插入患者耳蝸代表患者腦溫，半導體制冷片、溫度探頭、冷卻水栗和控制面板都與單片機電路電連接;冷卻水箱和冷卻水栗安裝在箱體內部，控制面板安裝在箱體外表面。
[0007] 在冷卻水栗的栗送下，冷卻水箱內經半導體制冷片冷卻下來的冷卻水經冷卻水栗至冰帽，而后返回冷卻水箱的順序不斷循環，將制冷片的冷量不斷傳遞到冰帽中；同時，半導體制冷片的熱面通過散熱片將熱量散發到外界環境中，實現了制冷散熱的平衡，從而保證了半導體制冷片的正常工作。
[0008]作為優選，所述冷卻水箱為鋁制冷卻水箱，冷卻水箱內部的溫度探頭用于測量冷卻水的水溫，半導體制冷片的冷端通過導熱硅脂與冷卻水箱緊密貼合，半導體制冷片的熱端通過導熱硅脂與散熱片緊密貼合散熱;冷卻水從冷卻水箱的下部輸入，上部輸出。
[0009] 作為優選，所述冰帽由TPU(Thermoplastic polyurethanes，熱塑性聚氨酯彈性體橡膠)材料制成，冰帽內側面與患者頭皮和頸部貼合，冰帽兩側通過尼龍搭扣固定，冷卻水流經冰帽內部的流路實現降溫，冰帽形狀為土字形。
[0010]流量計測量流入冰帽的冷卻水流量，當實際流量高于設定值時，限制冷卻水流量，保持流量維持在設定值附近。
[0011]作為優選，腦部控溫裝置還包括三通閥，所述三通閥的其中兩路連接在冰帽冷卻水的輸入流路中，另一路與冰帽冷卻水輸出流路相通，可以通過調節三通閥來控制流入冰帽的冷卻水流量從而調節冰帽的膨脹程度，三通閥向冰帽的通路開的越大則冷卻水越多，冰帽膨脹程度也就越大，冰帽所包裹的空間越小，由此實現對患者頭部的緊密貼合，并且不會使冰帽過緊影響患者安全。
[0012] 本方案的顱腦亞低溫治療儀的工作模式為:設定患者腦溫或冷卻水溫，制冷片工作，并且可以選擇該腦溫或冷卻水溫設定值在未來的0-96小時內保持不變或緩慢上升/下降至某一溫度，通過控制系統的相應控制輸出使得最終腦溫或冷卻水溫度達到設定溫度。可以通過設定變化曲線，使最終腦溫或冷卻水溫度依照變化曲線變化。
[0013] 本方案中，控制系統包括單片機電路和控制面板，單片機電路包括工業控制芯片，以及相應的ADC、PWM輸出模塊，單片機電路由輸入的溫度信號、設定溫度根據溫度控制方法得出相應的控制信號輸出，單片機電路與控制面板和其他器件電連接。控制面板可以顯示當前冷卻水溫以及患者腦溫。
[0014] 作為優選，單片機電路和控制面板安裝在箱體的上部，冷卻水箱、半導體制冷片和冷卻水栗安裝在箱體的下部，箱體中間設有隔離板。
[0015] -種腦部控溫裝置溫度控制方法，基于模糊PID控制，包括以下步驟：
[0016] S11、設定期望腦溫或冷卻水溫，與采集到的實時腦溫或冷卻水溫比較，得到實際誤差E和誤差變化率Ec作為模糊量輸入；
[0017] S12、根據模糊規則表，求出比例調節系數Kp、積分調節系數Ki和微分調節系數Kd，而后采用重心法進行逆模糊化處理，得到模糊PID控制器的輸出信號u;
[0018] S13、根據控制信號u輸出相應的pwm波，通過改變占空比調節制冷片的制冷功率，實現對腦溫或冷卻水溫的控制。
[0019] -種腦部控溫裝置溫度控制方法，基于模糊神經網絡，包括以下步驟：
[0020] S21、設定一組模糊神經網絡控制器FNNC的初始值，包括模糊語言變量個數、各個模糊語言變量中心b、范圍m以及神經網絡的連接權值ω ;
[0021] S22、設定期望的腦溫或冷卻水溫，與實際測得的腦溫或冷卻水溫比對，得到誤差Ε 以及誤差的變化率Ec，作為模糊神經網絡控制器FNNC的輸入；
[0022] S23、根據輸入的E和Ec，模糊神經網絡控制器FNNC輸出相應的半導體制冷片控制信號u;
[0023] S24、根據控制信號u輸出相應的pwm波，通過改變占空比調節制冷片的制冷功率，實現對腦溫或冷卻水溫的控制；
[0024] S25、根據誤差E調節模糊神經網絡控制器FNNC各個參數，直至模糊神經網絡控制器FNNC與對象特性匹配。
[0025] 作為優選，控制系統對于冷卻水栗進行超馳控制，當設定期望的腦溫或冷卻水溫，與實際測得的腦溫或冷卻水溫誤差小于5 °C時，冷卻水栗的功率的50 % -80 %與制冷片制冷功率的0-100%構成線性對應關系；當溫度差大于6°C時，冷卻水栗功率保持100%的狀態，冷卻水栗與流量計形成冗余流量控制，增強系統的安全性。
[0026] 本方案采用模糊PID以及模糊神經網絡控制方法，因為儀器的主要被控變量溫度是一個純時滯較大的參數，系統也呈現典型的不確定性和非線性特征。這類系統一般很難精確描述控制對象的傳遞函數或狀態方程，而常規的PID控制又難以取得良好的控制效果。另外，單一的模糊控制雖不需要精確的數學模型，但是卻極易在平衡點附近產生小振幅振蕩，從而使整個控制系統不能擁有良好的動態品質。而模糊PID以及模糊神經網絡則能夠很好的克服以上問題，得到一個良好的控制效果。
[0027] 本發明帶來的實質性效果是，可以精確快速穩定控制冰帽溫度，降低冰帽體積，針對顱腦直接降溫，不易引起并發癥，能夠適應不同的環境，制冷效率高，可靠性好，安全并且節省能源。
【附圖說明】
[0028]圖1是本發明的一種結構示意圖；
[0029] 圖2是本發明的一種模糊控制流程圖；
[0030] 圖3是本發明的一種模糊神經網絡結構圖；
[0031 ]圖4是本發明的一種模糊神經網絡控制系統方塊圖；
[0032] 圖5是本發明的一種冰帽圖；
[0033] 圖中：1:箱體，2:冷卻水箱，3:半導體制冷片，4:散熱片，5:冷卻水栗，6:冷卻水溫度探頭，7:控制面板及單片機電路，8:導管，9:三通閥，10:冰帽，11:耳蝸溫度探頭，12流量計。
【具體實施方式】
[0034] 下面通過實施例，并結合附圖，對本發明的技術方案作進一步具體的說明。
[0035] 實施例:本實施例的一種腦部控溫裝置，如圖1所示，包括箱體1、制冷系統、控制系統、冰帽10和三通閥9,制冷系統包括半導體制冷片3、散熱片4、冷卻水箱2、冷卻水栗5和流量計12,控制系統包括控制面板及單片機電路7和冷卻水溫度探頭6、耳蝸溫度探頭11，冷卻水箱的輸出端通過導管8連接冰帽的輸入端，冷卻水箱的輸入端通過導管連接冰帽的輸出端，冷卻水栗串聯在導管上，半導體制冷片的冷端與冷卻水箱緊貼，熱端與散熱片緊貼，半導體制冷片、溫度探頭、冷卻水栗和控制面板都與單片機電路電連接。冷卻水箱和冷卻水栗安裝在箱體內部，控制面板安裝在箱體外表面。
[0036] 半導體制冷片的產冷面通過一層具有高導熱性的導熱硅脂與鋁制冷卻水箱緊密接觸，在冷卻水栗的栗送下，經制冷片冷卻下來的冷卻水經冷卻水栗一外接冰帽而后返回的順序不斷循環，將制冷片的冷量不斷傳遞到冰帽中，同時，半導體制冷片的熱面通過散熱片將熱量散發到外界環境中，實現了制冷散熱的平衡，從而保證了半導體制冷片的正常工作，冷卻水從冷卻水箱的下部輸入，上部輸出。
[0037] 所述冰帽由TPU(Thermoplastic polyurethanes，熱塑性聚氨酯彈性體橡膠）材料制成，冰帽內側面與患者頭皮和頸部貼合，冰帽兩側通過尼龍搭扣固定，冷卻水流經冰帽內部的流路實現降溫，冰帽形狀為土字形，將冰帽包裹好患者的頭部。
[0038] 所述的流量計測量流入冰帽的冷卻水流量，當實際流量高于某一設定值時，限制冷卻水流量，保持流量維持在設定值附近。
[0039] 所述的控制系統對于冷卻水栗進行超馳控制，當設定期望的腦溫或冷卻水溫，與實際測得的腦溫或冷卻水溫誤差小于5°C時，冷卻水栗功率由控制器一決定，其功率的 50%-80%與制冷片制冷功率的0-100%構成線性對應關系；當溫度差大于6°C時，冷卻水栗功率由控制器二決定，其功率保持100 %的狀態，全功率快速降溫，從而實現對冷卻水栗產熱以及患者制冷之間的平衡。冷卻水栗與流量計形成冗余流量控制，增強系統的安全性。
[0040] 所述腦部控溫裝置還包括三通閥，所述三通閥的其中兩路連接在冰帽冷卻水的輸入流路中，另一路與冰帽冷卻水輸出流路相通，可以通過調節三通閥來控制流入冰帽的冷卻水流量從而調節冰帽的膨脹程度，三通閥向冰帽的通路開的越大則冷卻水越多，冰帽膨脹程度也就越大，冰帽所包裹的空間越小，由此實現對患者頭部的緊密貼合。
[0041] 所述腦部控溫裝置，設定患者腦溫或冷卻水溫，制冷片工作，并且可以選擇該腦溫或冷卻水溫設定值在未來的0-96小時內保持不變或緩慢上升/下降至某一溫度，通過控制系統的相應控制輸出使得最終腦溫或冷卻水溫達到設定溫度。
[0042] 所述的腦部控溫裝置，控制系統以及相應的電路部分安裝在裝置的上部，制冷系統安裝在裝置的下部，兩者相互隔離。
[0043] 本實施例的一種腦部控溫裝置溫度控制方法，基于模糊PID控制，包括以下步驟：
[0044] S11、設定期望腦溫或冷卻水溫，與采集到的實時腦溫或冷卻水溫比較，得到實際誤差E和誤差變化率Ec作為模糊量輸入；
[0045] S12、根據模糊規則表，求出比例調節系數Kp、積分調節系數Ki和微分調節系數Kd，而后采用重心法進行逆模糊化處理，得到模糊PID控制器的輸出信號u;
[0046] S13、根據控制信號u輸出相應的pwm波，通過改變占空比調節制冷片的制冷功率，實現對腦溫或冷卻水溫的控制。
[0047]實際誤差E和誤差變化率Ec的計算公式如下：
[0048] E(k)=T(k)-Tc(k)
[0049] Ec(k)=E(k)-E(k-l) (1.1)；
[0050] 其中：T(k)為設定溫度在k時刻的值，Tc(k)為在k時刻采集的實時溫度。
[0051 ] 表1為模糊規則表，其中E和Ec對應的兩列中，NB代表負大，匪代表負中等，NS代表負小，Z0代表零，PS代表正小，PM代表正中等，1?代表正大;輸出信號U部分，1?代表正大，PM 代表正中等，PS代表正小，Z0代表零，NS代表負小，NM代表負中等，NB代表負大。
[0053] 表 1
[0054] 步驟SI2中，E和EC的基本論域為[-6，+6]，將其離散成13個等級即[-6，-5，-4，-3，_ 2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6];將[-6，+6]分為負大[呢]、負中[匪]、負小[吧]、零[20]、正小 [PS]、正中[PM]和正大[PB]7個語言變量，然后由E和Ec隸屬函數根據最大值法得出相應的模糊變量；
[0055] 如圖2所示，選擇設定腦溫或冷卻水溫，與當前腦溫或冷卻水溫的差值E以及差值的變化率Ec輸入到模糊控制器中，根據設定好的模糊規則輸出控制信號控制半導體制冷片來實現對冷卻水溫或患者腦溫的控制。
[0056] 當設定期望的腦溫或冷卻水溫，與實際測得的腦溫或冷卻水溫誤差小于5°C時，冷卻水栗的功率的50 %-80 %與制冷片制冷功率的0-100 %構成線性對應關系；當溫度差大于 6°C時，冷卻水栗功率保持100%的狀態，冷卻水栗與流量計形成冗余流量控制。
[0057] 實施例2:本實施例的一種腦部控溫裝置，結構與實施例1相同。
[0058] 本實施例的一種腦部控溫裝置溫度控制方法，基于模糊神經網絡控制，包括以下步驟：
[0059] S21、設定一組模糊神經網絡控制器FNNC的初始值，包括模糊語言變量個數、各個模糊語言變量中心b、范圍m以及神經網絡的連接權值ω ;
[0060] S22、設定期望的腦溫或冷卻水溫，與實際測得的腦溫或冷卻水溫比對，得到誤差Ε 以及誤差的變化率Ec，作為模糊神經網絡控制器FNNC的輸入；
[0061] S23、根據輸入的E和Ec，模糊神經網絡控制器FNNC輸出相應的半導體制冷片控制信號u;
[0062] S24、根據控制信號u輸出相應的pwm波，通過改變占空比調節制冷片的制冷功率，實現對腦溫或冷卻水溫的控制；
[0063] S25、根據誤差E調節模糊神經網絡控制器FNNC各個參數，直至模糊神經網絡控制器FNNC與對象特性匹配。
[0064]如圖3所示，模糊神經網絡由五層構成，具體為:第一層輸入層，起到數據傳遞的作用，輸入兩個變量xl(對應誤差E)、x2(對應誤差變化率Ec);第二層語言變量層，由若干個節點構成，每個節點代表一個語言變量，用于計算各輸入分量屬于各語言變量值模糊集合的隸屬度函數μ，
（此處i = 2，j為設定的節點數5)，其中b為模糊中心，m 為模糊范圍；第三層模糊規則層，每一個節點代表一個模糊規則，用于計算每條規則的使用
;第四層歸一化層，實現變量的歸一化運算，將數據歸一化到0-1之間，得到歸一化值E;第五層輸出層，神經網絡連接權系數ω實現清晰化運算，輸出結果y，其中模糊語言變量的個數、各個模糊語言變量的中心b，范圍m，以及神經網絡的連接權值ω可以任意初始化。
[0065]如圖4所示為模糊神經網絡控制系統方塊圖，其中FNNC是一個模糊神經網絡控制器，根據設定值與輸出值的誤差Ε并得到誤差的變化率Ec，輸入到模糊神經網絡控制器FNNC 中，根據控制信號u輸出相應的pwm波，通過改變占空比調節制冷片的制冷功率，實現對腦溫或水溫的控制，其中設定值與輸出值的誤差還通過最速下降法反向傳遞調節模糊神經網絡控制器中神經網絡連接權值ω以及模糊部分參數中心值b、范圍m，最終實現控制系統與被控對象的匹配，加強控制效果。
[0066] 當設定期望的腦溫或冷卻水溫，與實際測得的腦溫或冷卻水溫誤差小于5°C時，冷卻水栗的功率的50 %-80 %與制冷片制冷功率的0-100 %構成線性對應關系；當溫度差大于 6°C時，冷卻水栗功率保持100%的狀態，冷卻水栗與流量計形成冗余流量控制。
[0067] 本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發明精神作舉例說明。本發明所屬技術領域的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，但并不會偏離本發明的精神或者超越所附權利要求書所定義的范圍。
[0068] 盡管本文較多地使用了半導體制冷片、冰帽、模糊控制等術語，但并不排除使用其它術語的可能性。使用這些術語僅僅是為了更方便地描述和解釋本發明的本質;把它們解釋成任何一種附加的限制都是與本發明精神相違背的。
【主權項】
1. 一種腦部控溫裝置，其特征在于，包括箱體、冰帽、制冷系統和控制系統，所述制冷系統包括冷卻水箱、半導體制冷片、散熱片、冷卻水栗和流量計，所述控制系統包含單片機電路、控制面板以及若干個溫度探頭;冷卻水箱的輸出端通過導管連接冰帽的輸入端，冷卻水箱的輸入端通過導管連接冰帽的輸出端，冷卻水栗和流量計都串聯在導管上，半導體制冷片的冷端與冷卻水箱緊貼，熱端與散熱片緊貼，一個溫度探頭固定在冷卻水箱內部，另一個耳蝸式溫度探頭插入患者耳蝸代表患者腦溫，半導體制冷片、溫度探頭、冷卻水栗和控制面板都與單片機電路電連接;冷卻水箱和冷卻水栗安裝在箱體內部，控制面板安裝在箱體外表面。2. 根據權利要求1所述的一種腦部控溫裝置，其特征在于，所述冷卻水箱為鋁制冷卻水箱，半導體制冷片的冷端通過導熱硅脂與冷卻水箱緊密貼合，半導體制冷片的熱端通過導熱娃脂與散熱片緊密貼合散熱;冷卻水從冷卻水箱的下部輸入，上部輸出。3. 根據權利要求1或2所述的一種腦部控溫裝置，其特征在于，所述冰帽由ITU材料制成，冰帽內側面與患者頭皮和頸部貼合，冰帽兩側通過尼龍搭扣固定，冷卻水流經冰帽內部的流路實現降溫，冰帽形狀為土字形。4. 根據權利要求1所述的一種腦部控溫裝置，其特征在于，還包括三通閥，所述三通閥的其中兩路連接在冰帽冷卻水的輸入流路中，另一路與冰帽冷卻水輸出流路相通。5. 根據權利要求1所述的一種腦部控溫裝置，其特征在于，單片機電路和控制面板安裝在箱體的上部，冷卻水箱、半導體制冷片和冷卻水栗安裝在箱體的下部，箱體中間設有隔離板。6. -種腦部控溫裝置溫度控制方法，其特征在于:包括以下步驟， 511、設定期望腦溫或冷卻水溫，與采集到的實時腦溫腦溫或冷卻水溫比較，得到實際誤差E和誤差變化率Ec作為模糊量輸入； 512、根據模糊規則表，求出比例調節系數Kp、積分調節系數Ki和微分調節系數Kd，而后采用重心法進行逆模糊化處理，得到模糊PID控制器的輸出信號u; 513、根據控制信號u輸出相應的pwm波，通過改變占空比調節制冷片的制冷功率，實現對腦溫或冷卻水溫的控制。7. 根據權利要求6所述的一種腦部控溫裝置，其特征在于，控制系統對于冷卻水栗進行超馳控制，當設定期望的腦溫或冷卻水溫，與實際測得的腦溫或冷卻水溫誤差小于5°C時，冷卻水栗的功率的50%-80%與制冷片制冷功率的0-100%構成線性對應關系；當溫度差大于6°C時，冷卻水栗功率保持100%的狀態，冷卻水栗與流量計形成冗余流量控制。8. -種腦部控溫裝置溫度控制方法，其特征在于，包括以下步驟： 521、設定一組模糊神經網絡控制器FNNC的初始值，包括模糊語言變量個數、各個模糊語言變量中心b、范圍m以及神經網絡的連接權值ω ; 522、設定期望的腦溫或冷卻水溫，與實際測得的腦溫或冷卻水溫比對，得到誤差Ε以及誤差的變化率Ec，作為模糊神經網絡控制器FNNC的輸入； 523、根據輸入的E和Ec，模糊神經網絡控制器FNNC輸出相應的半導體制冷片控制信號 u； 524、根據控制信號u輸出相應的pwm波，通過改變占空比調節制冷片的制冷功率，實現對腦溫或冷卻水溫的控制； S25、根據誤差E調節模糊神經網絡控制器FNNC各個參數，直至模糊神經網絡控制器 FNNC與對象特性匹配。9.根據權利要求8所述的一種腦部控溫裝置，其特征在于，其特征在于，控制系統對于冷卻水栗進行超馳控制，當設定期望的腦溫或冷卻水溫，與實際測得的腦溫或冷卻水溫誤差小于5°C時，冷卻水栗的功率的50%-80%與制冷片制冷功率的0-100%構成線性對應關系；當溫度差大于6°C時，冷卻水栗功率保持100 %的狀態，冷卻水栗與流量計形成冗余流量控制。
【文檔編號】A61F7/12GK106063740SQ201610236008
【公開日】2016年11月2日
【申請日】2016年4月15日公開號201610236008.7, CN 106063740 A, CN 106063740A, CN 201610236008, CN-A-106063740, CN106063740 A, CN106063740A, CN201610236008, CN201610236008.7
【發明人】張武明, 鄧鴻超, 王穎哲, 熊先胤
【申請人】浙江大學

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