智能控温远红外热敷治疗仪的研制

赵东亮，冯坤，陈宝龙

河南省正骨研究院，河南 洛阳 471002

骨伤科常见慢性疾患有颈椎病、腰椎间盘突出症、骨性关节炎等，其共同的病理机制为局部软组织微循环障碍。代谢产物积聚，局部发生无菌性炎症反应，软组织粘连水肿，刺激或挤压神经纤维，临床表现为疼痛、肿胀、活动障碍等。中药热敷可促进炎性因子的吸收，减轻关节肿胀，促进关节软骨的修复和细胞增殖，具有改善局部血液循环、促进局部代谢、软化组织粘连、缓解肌肉痉挛及镇痛的作用[1-2]。中药热敷具有药疗和热疗的双重作用，药物通过局部吸收，避免了肝脏的首过效应，达到直达病灶的目的，使治疗更直接、更有效，同时降低了药物的副作用。中药热敷是传统的中药外治法，临床疗效明显，且经济方便，无任何副作用，患者易于接受，在治疗骨伤科慢性疾患方面有独特优势[3]。然而，纵观市场上的热敷器具几乎没有可以同时对治疗温度和治疗时间同时实现精确控制的热敷仪。基于现有热敷器具存在的不足之处，我们结合本院的实际临床需求，研制出一种可以对人体四肢关节及颈肩腰等部位进行热敷治疗的、具有自动恒温和自动定时功能的智能控温远红外热敷治疗仪。

1 总体方案设计

根据目前我院热敷治疗的使用情况和控制要求，我们采取的总体技术方案：主要由透热药垫、温度传感器、远红外加热器、连接电缆线、控制箱等部件构成[4]。透热药垫采用高分子透热材料制成，吸附性好。热敷治疗时，先将透热药垫上蘸取适量的熬制好的对症配方的温热药液，敷在需要治疗的病痛部位，远红外加热器紧贴药垫上方，并固定好；温度传感器固定在药垫和远红外加热器夹层处；控制箱中的控制系统保证为远红外加热器输出36V安全电压，并将温度控制在预设值附近，保持恒温，保证患者治疗时感觉舒适；远红外加热器加热速度快，且具有独特的穿透力，其能量可作用到皮下组织一定深度，再通过血液循环，将能量达到深层组织及器官中，增强了中药分子的渗透吸收，提高了治疗效果。

传感器和加热器与控制箱之间采用电缆线及航空插头连接固定，既安全又方便。

2 控制系统硬件设计

智能控温远红外热敷治疗仪的控制系统结构框图，见图1。系统主要由信号采集元件（智能集成温度传感器DS18B20）、中心控制单元（AT89S52单片机）、输入设备（按键开关）、信号输出设备（数码管）以及输出负载（远红外加热器）组成[5]。DS18B20（美国DALLAS半导体公司）用于测量热敷药垫的温度，具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点。AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K 可编程Flash 存储器，可靠性高，性价比高。

图1 控制系统结构框图

系统运行过程：用户根据自己的耐热程度和治疗需求通过按键开关设置治疗温度和治疗时间，设置完毕后，智能控温 远红外热敷治疗仪便进入全自动运行状态，工作指示灯亮。通过DS18B20温度传感器对热敷药垫的温度进行测量，测量值与设定值做比较，当（设定值-测量值）<5℃时进入模糊控制状态，通过AT89S52控制可控硅的导通或截止来控制远红外加热器的开启或关闭以达到恒温控制的目的，同时开始治疗并自动计时。数码管用于显示治疗温度和治疗时间，当有设置按键按下时显示治疗温度和治疗时间的设定值，没有设置键按下时，显示治疗实测温度和剩余治疗时间。达到设定的治疗时间后，工作指示灯熄灭，蜂鸣器报警提醒，同时自动关闭电源。

3 控制系统软件设计

控制系统的软件采用模块化、结构化的程序设计理念，便于程序的维护和移植。系统主要由主程序、中断服务程序和控制子程序等组成。主程序对系统初始化，实现设置参数输入并进行各种数据处理和子程序的调用等，其程序流程，见图2。中断服务程序实现定时功能及子程序所需要的延时功能以及输出控制。子程序实现各自的控制要求[6]。当设定温度值和测量温度值的温度偏差＜5℃时，进入模糊控制加温状态，模糊控制器采用单输入单输出型，输入量为温度偏差，输出直接控制可控硅。模糊控制在设计中不需要建立被控对象的精确的数学模型，使得控制机理和策略易于接受与理解，具有良好的鲁棒性和适应性，被控温度达到调节时间短、超调量小且稳态误差达到（±1）℃的技术要求。 当仪器进入模糊控制加温状态时才开始自动倒计时，这样设计更人性化，便于收费管理。

图2 主程序流程图

4 结束语

该智能控温远红外热敷治疗仪制作成功后，经过反复调试和修改程序，恒温控制和自动定时报警灯等各项功能都达到了预期设计要求，控温精度可达（±1）℃，最小计时单位1 min。用户可以根据治疗需求任意设置治疗温度和治疗时间，治疗实际温度能够恒定在设置温度值附近，输出负载电压为36 V，具备智能化仪器的特征，使患者使用更安全、更方便。远红外加热器的穿透作用使得中药成分更容易被病痛部位所吸收，从而增强了治疗效果。

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