一种康复治疗仪专用的外接式智能控温装置

杨晓珍 王明伟 胡小龙 白莹莹 陈明佳 李祖园

摘 要：目前，康复治疗仪在临床治疗上应用普遍，尤其是在加速伤口愈合，缓解关节疼痛等方面具有不可替代的作用。但在使用过程中，受距离、时间、环境温度等因素影响，常常导致患者皮肤温度过高，烤伤皮肤事件频发。基于此，作者设计研发一款外接式智能控温装置，将患者皮肤温度作为反馈，形成闭环调节，实现精准控温，避免皮肤因温度过高而烤伤，同时外接式结构可以兼容任何型号的康复治疗仪，无需淘汰更换就可以实现智能防烤伤，具有很强的实用性。

关键词： 皮肤烤伤;温度反馈;物联网;控温

前言

康复治疗仪的临床作用主要体现在以下方面：

（1）促进血液循环，扩张微血管，使皮下深层皮肤温度上升，提高机体新陈代谢，加速伤口愈合。

（2）缓解关节疼痛，红外线穿透力可排除积存体内的疲劳物质和乳酸等老化废物，对消除内肿，缓解酸痛效果显著。

（3）使皮下组织温度上升，促进药物吸收，加快治疗周期。

另外，还具有调节血压，降低高血压的辅助治疗效果。促进脂肪组织代谢，燃烧分解，在护肤美容行业也有应用。

作者经过大量调研发现，现有康复治疗仪极易烤伤皮肤的根本原因在于：虽然也有定时功能但其控制的是发热原件的温度，而最终到达人体皮肤的温度，则受使用时间、皮肤与治疗仪之间的距离，及周围环境温度因素的影响，任何一个因素稍有变化就会产生有较大的温度差;同时，由于热惯性影响，一旦皮肤温度高于45℃，就会发生不同程度的烤伤。

现有康复治疗仪操作复杂，使用时需要根据患者体位反复调节使用距离;由于烤伤事件频发，理疗过程中需要人员在旁时时监控，关注患者使用情况，对于康复治疗仪使用数量较多的医院，人力成本极高。

1  传统预防皮肤烤伤的措施

目前主要采取以下三方面的措施预防烤伤事故发生：

措施一（40%）：增加烤灯与皮肤之间的距离。此措施虽然可以减少被烤伤的几率，但是通过牺牲医用烤灯的功效这一“简单粗暴”的方式。我们通过实验发现（见附件2），随着距离增大，皮肤达不到最佳治疗温度（38℃至45℃），医用烤灯没有实现其应有的治疗作用。

措施二（50%）：主要依靠患者自身的温度感受。但是对于儿童、老年人以及皮肤温度感应不敏感的人群，使用过程中，往往当此类人群感觉到不适时，烤伤已经发生。

措施三（10%）：烤灯使用过程中医护人员全程陪同。主要依靠医护人员的主观经验，此措施需要大量人力成本，经验的积累也是建立在一次次烤伤事故中，无法根本上杜绝烤伤。

基于上述问题，作者经过反复实验，融合自动化控制、物联网、机械、电子、通信等技术，经过反复研发，最终形成一种稳定可靠的智能控制方案。并对比多种控温方案，最终研发出一款智能化、安全化、便利化的可外接现有康复治疗仪的控温装置，可以将人体皮肤保持在最佳理疗温度，有效避免皮肤烤伤。

2  首次将人体皮肤实时温度作为反馈，形成闭环调节

首次突破性的将“人体皮肤温度反馈”作为控制依据，通过控温装置与终端发热元件形成一个闭环控制系统。

温度传感器采集患者皮肤实时温度并实时反馈到控制始端，由于发热元件的使用温度较高，热惯性较大，为确保温度控制的精确性和时效性，团队对比多种控温方案，经过大量实验，最终采用PI自动控制技术，结合脉冲宽度PWM对控制终端——治疗仪发热元件溫度进行实时调节。采用Arduino开源开发板实现控温方案，成本低且控制可靠。使康复治疗仪不再受时间、距离、环境因素影响，实时精准快速调温、控温，使皮肤温度保持在设定的最佳理疗温度，真正实现零烤伤，提升理疗效果，缩短理疗周期。

3  外接式智能控温装置

外接式智能控温装置主要由智能控制模块和终端采集模块构成，两者之间通过物联网进行信息传输。

智能控制模块是外接式控温装置的核心，采取独立的外插式结构：

3.1面板设置单独的温度调节按钮，可以根据不同的理疗需要设置不同的理疗温度，提升理疗效果，缩短理疗周期。

3.2采用液晶显示屏实时显示皮肤温度。

3.3设有电源插口，只需将现有康复治疗仪电源插入智能控制模块的电源插口处，再将智能控制模块电源端通电即可。

3.4整个控温原理通过Arduino开发板进行编程实现，方案如下：温度传感器将采集的实时温度传送至接收端，接收到信息后与设定温度值进行比较，若皮肤实时温度等于设定温度，输出端停止控制信息输出，PWM占空比为零;若皮肤实时温度不等于设定温度，由于康复治疗仪热惯性非常大，为了精准快速调温，采用比例和积分控制算法（PI自动控制），控制输出PWM的占空比，使采集温度短时间调控在设定温度并保持。整个控制形成闭环调节，实时监控皮肤温度。智能控制模块起到中间调控作用，适用于交流220V电压的不同功率的康复治疗仪，

3.5终端采集模块主要由温度传感器和无线传输器构成。虽然现在红外线测温仪应用普遍，便捷。但在实验中发现红外测温极易受环境温度干扰，导致测温误差较大，对于温度要求严格的康复治疗仪来说并不适合，因此采用温度传感器，不仅可以精准的测量患者使用部位的皮肤温度;同时也适应临床敷药等治疗方式，使用时只需将温度传感器至于药物与皮肤中间即可，温度传感器的使用为后期的调温控温减少初始误差。

另外，温度传感器的有线连接在临床使用时极不方便，使用大大受限，因为和控温装置之间有实际的物理连接，存在不安全因素。物联网技术的应用使外接式智能控温装置使用时更加的便捷、安全，避免有线连接产生的物理接触，采用2.4GHZ无线技术，使用范围广，抗干扰能力强，温度传输可靠稳定。

4 智能控温装置的创新性

4.1 智能控温防烤伤

克服康复治疗仪热惯性的影响，和皮肤温度之间实现闭环控制。不再受时间、距离、环境因素影响，实时精准快速调温、控温，使皮肤温度保持在设定的最佳理疗温度，真正实现零烤伤，提升理疗效果，缩短理疗周期。

4.2 物联网实时传输

克服人体皮肤与治疗仪因电的物理接触产生的不安全因素，智能控制装置与终端采集装置通过物联网技术实现信息互传互控，安全可靠;同时医务人员通过物联网技术，通过手持终端实现便捷式监控。

4.3 节省了人力成本。

使用过程中，无需医护人员调节和监护，在控温和使用定位方面可以实现智能调节，安全、高效。

5 结论

智能控温装置采用外接式，兼容性很强，可匹配任一型号功率的康复治疗仪，无需更换现有的康复治疗仪，经济效益非常明显，实用性非常强;且在使用过程中，不需要医护人员调节和监护，可为医院节约大量人力成本，具有较高的经济效益。在控温和使用定位方面可以实现智能调节，真正实现防烤伤功能，安全高效、性能可靠稳定，故障率低，符合医疗器械智能化、安全化发展趋势。

参考文献：

[1]因杰秀.梁会军;TDP特定电磁波治疗急性踝关节扭伤疗效分析[J];通化师范学院学报;2016.08

[2]陈小妍.赵可萍.王东宇; 智能仪表控温系统[J]; 仪器仪表用户;2009.06

[3]王林泓.林涛; 特定电磁波治疗仪数字温控系统的设计[J];数字技术与应用;2010.11

[4]刘旭.刘威扬;基于无线通讯技术多功能智能温控系统的设计[J];通讯世界;2019.12

[5] 陈勇.胡进杰.赵文华.来新民;流平设备的温度专家PID控制系统[J];自动化与仪表;2020.01

[6]陈文静.基于智能控制的PID控制方式的研究[J];电子测试;2020.05

课题项目：雅安职业技术学院2020年科研项目（项目编号YZY2020ZKB01）;四川省教育厅2020年度省级大学生创新创业训练计划项目（项目编号S2020130493）

（雅安职业技术学院，四川 雅安 625100）