基于自反馈控制技术的寒区伤员术中保温系统研制

韩 广，张 广，夏 涛，李 钒，王慧泉，马 军*

（1.天津工业大学，天津 300387；2.军事科学院系统工程研究院卫勤保障技术研究所，天津 300361）

0 引言

伤员长期暴露于寒冷环境可致机体多器官功能紊乱，往往导致寒区低体温并发症的发生[1]。尤其在手术期间，为确保术中患者的生理机能稳定，现代医学更加强调围手术期的体温维持[2-3]。通常人体的正常温度是36.4~37.3℃，非外伤性低温症的体温为32.0~35.0℃，在常温环境下受伤时人体的核心温度可降到35.0℃以下。寒区伤员由于创伤合并低体温症，其受伤程度将更加严重。伤员受寒冷刺激容易导致局部血管强烈收缩，加重组织缺氧，重者可导致寒战、心律失常、心肌及肾功能损害、休克和多器官功能不全等症状[2]，因此快速对伤员进行体温维持是提高伤员救治存活率的关键[4]。目前，关于术中保温装备的相关研究和产品主要面向院内以及非寒区极端条件下，传统术中保温装备在供热效率、温度控制精度等方面存在不足。因此，有必要设计一种适合战时突发紧急情况和自然灾害等急救状态下使用的高效术中保温装备，以满足野战救护术中保温实战化应用需求[5]。

本研究设计并开发一种具有自反馈闭环控制调控能力的寒区伤员术中保温系统。本系统暖风机驱动采用脉冲宽度调制（pulse width modulation，PWM）的调节方式，高效驱动控制涡轮式风机功率；充气保温囊体内采用多点贴片式测温模块进行温度反馈，根据实时反馈温度和比例-积分-微分（proportionintegration-differentiation，PID）调节算法[6]实现闭环精准控温。保温性能测试实验结果表明本系统的保温复温能力较好，可以满足术中保温需求[7-8]。

1 系统设计

1.1 整体设计

本系统主要由高效加热驱动模块和充气保温囊体2个部分组成[9-12]，如图1、2所示。高效加热驱动模块主要由主控模块、加热风机驱动模块、多点测温预警模块、高精度温度测量控制反馈模块、暖风输出模块等部分构成。本系统由主控模块控制风机和加热片输出热风，由温度传感器实时反馈出风口温度，并结合放置于充气保温囊体内的多点测温预警模块监测伤员体表温度进行反馈，实现保温系统的闭环温度调节和控制。

图1 术中保温系统设计框图

1.2 高效加热驱动模块设计

1.2.1 主控模块

主控模块以STM32F103RCT6单片机为核心，用以实现整机加热、控温、自反馈调节和显示功能。该单片机集高性能、实时性、数字信号处理、低功耗、低电压于一身，其内核由ARM 32位Cortex-M3构成，最高工作频率为72 MHz；程序存储器容量为256 KiB，类型为FLASH，随机存取存储器（random access memory，RAM）容量为48 KiB；具有2个12位模数转换器、多达112个快速I/O端口、8个定时器和9个通信接口。

1.2.2 加热风机驱动模块

加热风机驱动模块由风机、加热片、温控开关等部分构成，采用强力风机直吹和高效加热片设计实现快速升温和控温。风机采用PWM方式控制输出功率。在风机出风口处放置加热片，风机输出强风经加热片加热后，以双通道方式进入充气保温囊体中，如图3所示。

图3 暖风输出示意图

1.2.3 多点测温预警模块

多点测温预警模块由微型多点测温传感器和多点阵列式无线温度监测模块构成。在暖风输出口处设置微型多点测温传感器，实时获取充气保温囊体进气口处的温度，当温度异常时，高效加热驱动模块报警并停止运行。同时，为保障伤员在充气保温囊体内保温时处于适宜温度，采用多点阵列式无线温度监测模块监测伤员体表温度。临床上，常用的测温部位包括口腔、直肠、耳内、腋下、脖颈、背部肩胛区、腹股沟、肘窝等。结合本系统使用场景需求，在腋下、脖颈、腹股沟和肘窝4个区域共8个点位设置无线温度监测模块，进行体表温度监测，覆盖人体头颈、躯干和四肢核心部位体表温度，从而防止伤员失温引起二次伤害。无线温度监测模块及其多点阵列式分布图如图4所示。

图4 无线温度监测模块及其多点阵列式分布图

多点温度监测数据反馈到主控模块，将其作为输入参数对充气保温囊体内的温度进行实时调节，保障术中保温系统的自适应闭环高精度温控。多点阵列式高精度测温流程图如图5所示。

图5 多点阵列式高精度测温流程图

1.2.4 高精度温度测量控制反馈模块

高精度温度测量控制反馈模块由温度测量反馈单元和执行单元组成，即由主控模块控制风机实现升温气体输出，由铂电阻传感器采集温度信号并反馈至主控芯片，基于PID调节算法实现闭环温控，从而保证充气保温囊体内恒温。PID调节算法是根据输入的偏差值，按照比例、积分、微分的函数关系进行运算，运算结果用以控制输出，经过反馈环节，使得实际输出值趋近于目标值，它是连续系统中技术最为成熟、应用最为广泛的一种控制算法，具有结构简单、参数调整方便、鲁棒性好和可靠性高等优点。因此，该模块通过PID调节算法提高温度测量和反馈的稳定性。温度测量控制反馈的具体实现方式如下：在风机工作开始之前设定目标温度参数，风机工作时铂电阻传感器实时采集充气保温囊体实际温度，利用PID算法自动计算出误差。然后，通过PID计算公式获得当前控制量并输出传递给主控模块，调节输出热风风速，实现闭环的自动化温控，从而达到相对稳定的温度，如图6所示。

图6 PID调节算法闭环控制图

1.2.5 暖风输出模块

暖风输出模块主要由前置的医用温度传感器、检测及显示模块、操作控制面板、调节控制模块、供气系统、输气管等构成。暖风输出模块进入工作状态后，医用温度传感器检测温度并发送至显示模块及上位机进行显示，同时对温度进行判定和数据处理，通过控制风机输出功率实现气体温度的直接控制。其模块电路图如图7所示。

图7 暖风输出模块电路图

暖风输出模块设置4个温度挡位、2个风速挡位，可实时显示多点阵列式无线温度监测模块的工作状态（绿灯表示正常，红灯表示体温异常预警，黄灯提示未检测到多点阵列式无线温度监测模块或断开连接）。系统人机交互界面如图8所示。

图8 术中保温系统人机交互界面

1.3 充气保温囊体设计

充气保温囊体由2层无纺聚丙烯织布和1层聚乙烯制成，根据需求共设计4种型号，包括全身升温盖毯、上体升温盖毯、下体升温盖毯和腹部手术型全身升温盖毯，详见表1。

表1 充气保温囊体外观和尺寸

2 实验验证

在26℃的手术室条件下，进行多点阵列式无线温度监测模块体温监测实验和充气保温囊体20 min升温测试实验。首先，在非加热条件下，开展体温监测实验，将8个体温监测模块分别放置在受试者脖颈、腋下、肘窝和腹股沟，实验共做3次，每个测量部位的测量误差取3次实验的平均值；其次，以环境温湿度计（FLUKE F971）测量的温度数据作为参考温度，将温湿度计放置在充气保温囊体进风口处，分别设定34、39和43℃共3个加热温度挡位，待系统加温20 min后，测试3次，分别记录温湿度计显示的参考温度值，并同步记录环境湿度信息。实验结果如下：

（1）多点阵列式无线温度监测模块体温监测实验中，多个体温监测点的3次平行实验平均误差均小于1℃，详见表2。

表2 多点阵列式温度监测模块测温结果单位：℃

（2）充气保温囊体20 min升温测试实验中，3次实验所测充气保温囊体内实际温度与设定温度误差均≤±2℃，满足寒冷条件下伤员术中保温复温的要求，详见表3。

表3 充气保温囊体内温度实验结果单位：℃

3 结语

为克服传统伤员保暖设备保温效率低下和温控精准度差的问题，本研究研制了一种基于自反馈控制技术的寒区伤员术中保温系统。本系统采用多阵列高精度测温技术和基于PID调节算法的自反馈控温技术，控温精度高、保温效果好，可为寒区战伤救治提供一套高效的术中保温方案，为有效稳定术中伤员生理机能、提高战伤救治成功率提供装备支撑。目前，本系统设计的升温时长为20 min，达到了设定温度，但升温效率还有待进一步提升，且系统还需要进一步完成在寒区条件下的各项指标测试，保障在寒冷条件下工作的稳定性和可靠性。