基于微处理器的婴儿培养箱质量控制检测系统

2018-08-10陈龙郑焜沈云明

中国医疗器械杂志 2018年4期

【作者】陈龙，郑焜，沈云明

1 浙江大学医学院附属儿童医院总务科，杭州市，310003

2 浙江大学医学院附属儿童医院设备科，杭州市，310003

0 引言

婴儿培养箱（Incubator）也称婴儿保育箱、婴儿保温箱，是儿童医院的重要医疗仪器，是国家和浙江省重点监控的医疗器械产品之一，它为早产儿、低体重儿、病危儿、新生儿提供一个类似母体子宫的培养环境的设备[1]。由于婴儿自身的抵抗能力十分微弱，这就要求培养箱具有安全、稳定的性能，使得婴儿有更多的能量用于生长，有利于婴儿的健康。婴儿培养箱属于高风险类设备，须每年至少进行一次质量检查。结合日常使用中，与婴儿培养箱相关的不良事件常有报道，它的安全性能与婴儿的人身安全直接相关，不容忽视，必须严格按要求定期监测其性能[2]。由此，设计开发婴儿培养箱的性能监测仪器来用于其质量安全控制是非常有必要而且有应用市场的。

1 检测婴儿培养箱参数的意义

婴儿培养箱内最直接对患儿产生影响的参数是温度。新生儿出生时体温与母体相同，出生后周围环境比母体温度低，而且新生儿体温调节中枢发育不完善，汗腺功能不足。新生儿体重越轻，周围环境温度应越接近体温[3]。婴儿培养箱第二个重要的参数是相对湿度。相对湿度过低或过高，对人体都不合适甚至有害。医学界认为，在任何气温条件下，潮湿的空气对人体都不利。一般人在45%～65%的相对湿度下感觉最舒适。相对湿度对大多数微生物而言是一个重要的影响因素，将相对湿度控制在30%～60%能够将大多数细菌和病毒的活力期控制在最小的时间范围内，对室内来说，相对湿度控制在50%左右是各种微生物生长的最不利环境[4]。婴儿培养箱中的相对湿度过低还会引起新生儿脱水，影响治疗效果。另一个需要密切监测的参数是箱内噪声。一些科学家研究指出，构成胎儿内耳一部分的耳蜗从孕妇妊娠第20周起开始成长发育，其成熟过程在婴儿出生后30多天时间时仍在继续进行。在此期间内的胎儿或新生儿的内耳耳蜗正处于成长阶段，极易遭受低频率噪声的损害，使脑的部分区域受损，并严重影响大脑的发育，导致该患儿智力低下。噪声对新生儿听觉系统具有严重损害作用，在80 dB以上噪声的环境中生活和生长，50%的儿童会发生耳聋。此外，空气流速也是一个重要参数，它会直接影响患儿的对流散热以及不同点温度的均匀程度。空气流速还能影响温度的上升时间。

综上所述，婴儿培养箱最重要的参数为温度、相对湿度、噪声和空气流速。其中温湿度参数对新生儿的治疗效果有着非常重要的影响，严重时可危及生命安全。空气流速的影响则已经包含在温度的变化快慢和均匀性上。

2 系统集成架构

2.1 系统整体框图

本文的目的是要用微处理器监测婴儿培养箱内的各项参数值，包括温度、相对湿度和噪声，监测的同时要求实时显示并储存，以便于监测过程完毕后上传至电脑进行数据分析。系统整体实现框图如图1所示。

图1 系统整体框图Fig.1 Diagram of the system

主程序的流程是：

①开机，初始化，显示进入待机状态；②按下“开始监测”按键，系统开始自动监测三点温度和一点相对湿度、噪声；③监测的同时将各参数实时显示在液晶显示器上；④监测开始时开启定时器中断（每1 min进一次定时器中断），在中断程序中把各项数据存入存储模块；⑤程序规定的监测时间（120 min）到，系统停止监测，等待上传；⑥上位机软件启动数据上传，并生成各参数的相应图表。

2.2 温度检测单元

如前所述，温度是婴儿培养箱内最重要的参数，在婴儿培养箱的质量控制工作中，最重视的就是对温度的检测。温度测量方法主要有接触式测温和非接触式测温两大类。在接触式测温中，通常是让温度敏感元件与被测物体充分接触，经过一段时间的换热过程后两者温度达到一致，从而通过感知温度敏感元件的温度值来确定被测物的温度值。常用的接触式测温仪表有：膨胀式温度计、金属热电阻式传感器、热电偶传感器、数字温度传感器等。接触式测温方法直观可靠，应用最广。非接触式测温主要是通过辐射进行能量交换，由接收辐射能的大小来推算被测物的温度大小。非接触式测温仪表主要有：光谱辐射温度计、比色温度计、红外测温仪等。非接触式测温一般用在测量高温的场合，或被测物体处于运动状态以至于不方便使用接触式测温时。而且非接触式测温精度不高，体积大，不宜用于婴儿培养箱的温度检测。

在测温领域，用数字温度传感器代替传统的测温工具已成为趋势。本文温度检测探头采用的是美国DALLAS半导体公司推出的采用单总线协议的数字化温度传感器DS18B20。它与微处理器仅需一个I/O口，无需任何外部元件，直接把环境温度转换成数字信号，以数字码的方式串行输出。使用数字温度传感器无需再对输出信号做线性化处理，可以大大简化传感器的硬件电路设计，同时它还具有测温范围广、分辨率高、抗干扰能力强等有点。DS18B20芯片手册上的典型电路连接如图2所示。

图2 DS18B20硬件连接Fig.2 Hardware connection of DS18B20

DS18B20的硬件连接简单，但它在软件实现上有严格的时序要求，必须严格遵守它的读写时序才能准确读取实时温度[5]。

2.3 相对湿度和噪声检测单元

湿敏原件的选择是相对湿度检测的关键。湿敏元件是利用湿敏材料对水分子的吸附能力或对水分子产生物理效应的方法测量湿度的元件[6]。传统的金属氧化物湿敏原件由于电阻值与相对湿度的特性为非线性，而且存在着温度系数，要求在电路设计中必须考虑线性化处理和温度补偿问题，因此它们在使用中互换性差[7]。本文选择的808H5V5是一款国产电容式湿度传感器，其内部集成了湿度传感器与放大电路，可以将湿度信息直接转换成电压信号。808H5V5的测量范围是0～100%RH，在环境温度为25oC时，对应0和100%RH湿度环境的输出值分别是0.8 V和3.9 V。根据datasheet提供的参数，它的输出特性线性度非常好。在30%～80%范围内，808H5V5的误差不大于±4%；超过这个范围之外误差不大于±6%。由于相对湿度和输出电压是线性关系，利用测量范围内任意两点值即可推导出两者的关系为：

808H5V5 的另一个优点是外围电路简单，几乎不需要多余的电路元件，仅仅靠它的数据引脚和AD转换器相连即可。所有的处理均可交由AD转换器和微处理器利用软件去完成，所以电路设计非常方便。缺点是输出量会随温度的变化而变化，需要在软件设计时加入校正。这也是我们选用808H5V5作为相对湿度的信号采集元件的原因。

噪声采样传感器为市面上常见的驻极体传声器。设计的基本思路是将培养箱内的噪声经过传声器转换成电信号，由运放LM324构成三级放大电路。峰值检波网络输出直流电平反应了噪声声压的大小。由LM331构成电压/频率转换电路，输出的频率信号变成TTL 电平送给微处理器，作为计数脉冲。从输入的计数脉冲频率即反应了所测声压大小。最后经译码电路再驱动液晶显示器显示。

2.4 上位机软件

本系统的上位机软件是用VC++编写的。VC++提供了面向对象的应用软件开发环境。它的最重要特征是提供了MFC类库，并建立了应用程序框架，使程序开发人员可以将主要精力集中在所要解决的具体问题上。与结构化程序设计方法相比，VC++具有很多优点。在数据和程序之间的内在关系上，进行了数据抽象，并封装成一个统一的整体类，从而使程序设计者摆脱具体的数据格式和过程的束缚，将精力集中在处理对象的设计和研究上[8]。

总程序很长，在这里就不全复制了。视图界面用VC的控件制作而成，最终界面如图3所示。界面左边为检测参数的选择按钮，可以通过按键任意选择四个参数中的某一个来显示。该参数对时间变化的曲线图显示在主窗口中。ROI为感兴趣区间，通过在窗口输入ROI的起始和终止时间可以设置感兴趣区间。设置完成后，感兴趣区间中的参数最大值、最小值、平均值和波动值会自动显示在左边窗口内。

3 系统测试及实际应用

初步设计完成后，选择一台国产婴儿培养箱，将温度和相对湿度探头至于箱内指定位置。设置婴儿培养箱的目标温度值为32.0oC（环境温度为20.0oC左右），不设目标相对湿度值，在水槽中加入一定量的水用以被动湿化。开机后，整机先是处于待机状态，显示器显示“START…”。等待按下开始监测按键。

按下开始监测的按键，机器自动实时采集各点参数，显示在液晶显示器上。同时在定时器中断（每隔一分钟进入一次定时器中断）中，将当时的所有数据存入AT24C02中保存。监测时间到了以后，显示器显示“END MONITORING, UPLOAD DATA NOW”提示监测完成，等待上位机发出数据上传命令。

上位机收到四通道的参数数据后，可以从分析软件中读到所有的数据值。将测得的数据填入监测表中，经分析可判断该婴儿培养箱各参数性能是否符合要求。

分析软件生成的各参数按时间变化的图形界面（以显示T1为例）如图3所示。

系统调试完成后进行正式使用阶段，在我院的婴儿培养箱里随机选择10台（国产和进口品牌都有），用该检测系统做检测。每台培养箱检测三点温度值、一点相对湿度值和一点噪声值，检测时间为2 h。检测结果显示，其中9台培养箱各项指标均符合要求，性能良好，1台噪声超标。经检查，该培养箱的风机老化，转动时噪声过大，更换风机后达到正常水平。经过试运行，该检测系统性能稳定，检测结果精确、可靠，随后在全院的婴儿培养箱上作为质量控制工作的常规工具使用，取得了很好的效果。