CN102579014B - 冷热疼痛刺激系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冷热疼痛刺激系统，主要解决在核磁环境中现有激光刺激设备不能制冷、操作复杂、成本高的问题。它包括冷热刺激头(1)、保护网(2)、散热水箱(3)、水泵(4)、储水水箱(5)、嵌入式控制模块(6)和上位机(7)；冷热刺激头(1)、散热水箱(3)、水泵(4)和储水水箱(5)通过水管依次相连，形成水循环系统；冷热刺激头(1)通过嵌入式控制模块(6)与上位机(7)连接。嵌入式控制模块(6)根据上位机(7)设置的刺激温度控制冷热刺激头(1)对人体皮肤进行刺激，该实际刺激温度和疼痛感觉的分值经嵌入式控制模块(6)传输到上位机(7)中存储显示。本发明具有易于操作、使用安全的优点，可用于核磁环境中的对疼痛感觉的研究和镇痛效果的评价。

Description

冷热疼痛刺激系统

技术领域

本发明属于医疗器械技术领域，特别是一种研究人体痛阈与耐痛阈的仪器。可用于正常与强磁场环境中的疼痛感觉研究、镇痛效果评价、医护人员对痛症患者的辅助诊断与治疗。

背景技术

目前全世界每天约550万人忍受癌痛的折磨，我国至少有一亿以上的疼痛患者。疼痛，这种人类最原始的痛苦，已经成为全球医药行业共同关心的问题。科研机构对疼痛感觉研究和镇痛效果的评价研究也越来越多。

疼痛的研究是神经科学领域的热点与难点问题，随着影像学技术的进步，疼痛的研究迎来了前所未有的机遇。但基于功能磁共振成像技术的疼痛研究，需要有精确、可控的疼痛刺激模式，且能够与核磁环境兼容的实验设备。目前只能采用激光刺激设备作为功能磁共振成像技术的疼痛刺激设备。这种激光刺激设备存在以下不足：

1)只能产生热刺激但不能产生冷刺激；

2)操作复杂、体积大、安全性不高、成本高；

3)与上位机通信复杂，数据不开放。

发明内容

本发明的目的在于针对上述激光刺激设备的不足，提出一种能够提供冷热刺激、操作简单、安全性高、成本低的冷热疼痛刺激仪，以实现在强磁场的核磁环境中根据实验人员设定的冷热刺激模式，进行疼痛刺激，并且把当前温度数据和疼痛感觉实时传输到上位机中。

为实现上述目的，本发明包括冷热刺激头1、保护网2、散热水箱3、水泵4、储水水箱5、嵌入式控制模块6和上位机7；冷热刺激头1、散热水箱3、水泵4和储水水箱5通过水管依次相连，形成水循环系统；冷热刺激头1通过嵌入式控制模块6与上位机7连接；

所述的冷热刺激头1，包括导热片11、制冷片13、水冷头14、外壳15、绷带17、纽扣18和隔热垫19；制冷片13的一面黏贴导热片11，另一面黏贴水冷头14；制冷片13和水冷头14置于导热片11和外壳15组成的腔体内；隔热垫19黏贴在外壳15的前面；绷带17通过纽扣18固定在外壳15的背面；导热片11置于人体皮肤上的刺激点；

所述的嵌入式控制模块6，包括嵌入式处理电路、D\A转换电路、功率放大电路、电流转向电路、限流保护电路、桥式电路、差分放大电路、A\D转换电路和打分电路；该嵌入式处理电路根据上位机7中设置的刺激温度，产生相应电压数字信号，输入给D\A转换电路中转换成模拟信号，再经过功率放大电路放大后输入到电流转向电路后，再经限流保护电路后输入到制冷片13中，控制制冷片13的升温或降温，进而控制导热片11温度变化；该桥式电路将黏贴在导热片11与制冷片13之间薄膜铂热电阻12的电阻值转换成电压值，传输到A\D转换电路中转换成数字信号，再传输到嵌入式处理电路中，把当前温度值与设置温度值相比较，判断增加或减少电压，同时嵌入式处理电路把当前温度值传输到上位机7中存储显示；被试者根据当前的疼痛感移动滑动变阻器上的滑块打分，该打分电路将滑动变阻器的阻值转成电压值，经过A\D转换电路连接到嵌入式处理电路，嵌入式处理电路通过串口把打分值传输到上位机7中存储显示。

上述系统，其特征在于水冷头14包括进水口、出水口和内部沟道16；内部沟道16为M形状，且与水冷头14同一侧的进水口和出水口连成通路。

上述系统，其特征在于导热片11是采用紫铜材料做成的厚度为8mm的凸字形薄片，分为上下两层，且上层的面积为下层面积的二分之一；上层的周围套有回字形的隔热垫19。

上述系统，其特征在于外壳15由3mm纯铜薄板加工而成，且背面的中心处焊有纯铜质纽扣18。

上述系统，其特征在于桥式电路由薄膜铂热电阻12和三个等值电阻连接组成。

上述系统，其特征在于连接冷热刺激头1的水管、薄膜铂热电阻12的引线和制冷片13的引线均置于在保护网12内。

上述系统，其特征在于打分电路包括滑动变阻器、分压电阻和由纯铜材料做成的屏蔽外壳；屏蔽外壳上装有滑块并标有滑块轨道刻度，滑块连接滑动变阻器。

上述系统，其特征在于嵌入式处理电路，包括STM32处理器、JTAG接口电路、实时时钟电路和串口通信电路；JTAG接口电路、实时时钟电路分别与STM32处理器连接，STM32处理器通过串口通信电路与上位机7相连。

上述系统，其特征在于电流转向电路，包括共集电极放大电路和继电器；共集电极放大电路的输入连接STM32处理器，输出连接继电器。

上述系统，其特征在于限流保护电路由自动恢复保险丝和电阻串联构成。

本发明具有如下优点：

1、本发明由于将冷热刺激头的部件装配在铜质壳体内，不仅体积小、方便操作，而且保证冷热刺激头在核磁环境中的正常使用。本发明由于采用半导体制冷片产热或制冷，不仅使升温或降温的阶跃性好，并且安全性高。

2、本发明采用水循环来保持水冷头温度的稳定，进而保持制冷片的下表面温度保持稳定，保证冷热刺激头长时间的正常工作。

3、本发明的嵌入式控制模块采用负反馈的方式控制制冷片的温度，使刺激温度更准确。本发明由于设有限流保护电路，可以有效的防止电路故障导致制冷片过热或过冷对被试者产生的烫伤或冻伤。

4、本发明由于采用上位机设定刺激温度，实验人员可以根据实际需要在上位机中设定具体的刺激温度，并且可以把刺激温度和被试者疼痛感觉实时传输到上位机中存储显示，便于实验分析。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明中的冷热刺激头结构示意图；

图3是本发明中的嵌入式控制模块原理图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施原理及使用进行详细的介绍。

参照图1，本发明系统，包括冷热刺激头1、保护网2、散热水箱3、水泵4、储水水箱5、嵌入式控制模块6和上位机7；冷热刺激头1、散热水箱3、水泵4和储水水箱5通过水管依次相连，形成水循环系统；冷热刺激头1通过嵌入式控制模块6与上位机7连接。冷热刺激头1流出的水先在散热水箱中降温后再流入储水水箱，减少储水水箱温度的变化，维持冷热刺激头1流入水温度的稳定，保证冷热刺激头1长时间正常工作。

嵌入式控制模块6根据上位机7设置的刺激温度控制冷热刺激头1对人体皮肤进行刺激，该实际刺激温度和疼痛感觉的分值又经嵌入式控制模块6传输到上位机7中存储显示，以供实验人员根据该实际刺激温度和疼痛感觉的分值对人体的疼痛感觉研究和药物的镇痛效果评价。

采用1m长水管连接核磁环境中的冷热刺激头1与水循环系统中的其他设备，有效地减少了需要屏蔽强磁信号的部件；连接水冷头14的水管、制冷片13引线、薄膜铂热电阻12引线均置于保护网2的内部，形成一个整体，方便操作；

参照图2，冷热刺激头1，它包括导热片11、制冷片13、水冷头14、外壳15、绷带17、纽扣18和隔热垫19；导热片11由紫铜材料加工成厚度为8mm的凸字形薄片，分为上下两层，上层为边长28mm的方形薄片，下层为边长40mm的方形薄片，上层的面积为下层面积的二分之一，下层利用导热硅脂黏贴在半导体制冷片13的上面，且导热片11与制冷片13之间夹有薄膜铂热电阻12；回字形橡胶隔热垫19套在导热片11上层的外部，橡胶隔热垫的高度不超过导热片11上层的高度，并黏贴在由3mm纯铜薄板加工厂的外壳15上，以防止外壳15与皮肤接触，影响刺激效果。绷带17通过纯铜质纽扣18固定在纯铜质外壳15的背面中心处，绷带17起到固定冷热刺激头1的作用，减少工作时冷热刺激头1的晃动。外壳15与导热片11形成封闭的腔体，能够有效的屏蔽外部环境中的强磁信号，保护内部的薄膜铂热电阻12和制冷片13。

该制冷片13是根据珀尔贴效应原理由N型半导体和P型半导体组成的热点半导体制冷组件，制冷片13的加热和制冷两种功能，由正向与反向电流来控制；并且工作时不需要制冷剂、没有旋转部件，具有无污染、无噪声、寿命长的优点。制冷片13的底面通过导热硅脂黏贴在纯铜质水冷头14上，水冷头14内部有M形沟道16，M形沟道16可以增加水冷头14的水容量，进而提高水冷头14的热交换效率；进水口与出水口置于水冷头14的同一侧；沟道16的一端连接进水口，另一端连接出水口，形成通路。

参照图3，嵌入式控制模块F，它包括嵌入式处理电路、D\A转换电路、功率放大电路、电流转向电路、限流保护电路、桥式电路、差分放大电路、A\D转换电路和打分电路。其中：

嵌入式控制电路，包括STM32处理器、JTAG接口电路、实时时钟电路和串口通信电路；STM32处理器是基于ARM公司Cortex-M3内核架构的嵌入式处理器；JTAG接口电路、实时时钟电路分别与STM32处理器连接，STM32处理器通过串口通信电路与上位机7相连；嵌入式控制电路分别与D\A转换电路、电流转向电路和A\D转换电路相连。

D\A转换电路，由12位数模转换芯片及周边电路组成，D\A转换电路连接功率放大电路。

功率放大电路，由大电流型场效应管功率放大器及周边电路构成，功率放大电路连接电流转向电路中继电器的动触点。电流转向电路由共集电极放大电路与继电器构成，共集电极放大电路的输入连接STM32处理器，输出连接继电器；继电器的四个静触点交叉连接形成两个输出端，两个输出端与限流保护电路连接。限流保护电路由自动恢复保险丝和电阻串联构成。自动恢复保险丝是一种采用高分子有机聚合物在高压、高温，硫化反应的条件下掺加导电粒子材料后材料后，经过特殊工艺加工而成的过流电子保护元件。

A\D转换电路采用12位逐次比较型转换结构，分别与差分放大电路和打分电路连接；差分放大电路连接桥式电路，桥式电路由薄膜铂热电阻2和三个等值电阻连接组成。薄膜铂热电阻2是利用铂丝的电阻值随温度的变化而变化的原理，并采用激光喷镀、显微镜照相、平板印刷光刻等先进高科技方法，且阻值用数字修整方式作出微调的温度传感器；具有体积细小、响应时间快、精度高、稳定性好等优点。

打分电路包括滑动变阻器、分压电阻和由纯铜材料做成的屏蔽外壳；屏蔽外壳上装有滑块并标有滑块轨道刻度，滑块连接滑动变阻器；被试者可以移动滑块对痛感进行打分；

本发明的工作原理如下：

将冷热刺激头1的导热片11置于核磁环境中环境中被试者皮肤上的刺激点，并用绷带17固定好冷热刺激头1，打分电路置于被试者手边。打开电源，水循环开始工作，保证在工作时冷热刺激头1的水冷头14中水温的稳定。

在上位机7中设定刺激温度，嵌入式控制电路根据上位机设定的刺激温度，控制D\A转换电路把温度电压的数字信号转换成模拟信号，经过功率放大电路输入到电流转向电路中，再经过限流保护电路后输入到制冷片13中，控制制冷片13的升温或降温，进而控制导热片11的温度；桥式电路将黏贴在导热片11与制冷片13之间薄膜铂热电阻12的电阻值转换成电压值，传输到A\D转换电路中转换成数字信号，再传输到嵌入式处理电路中，把当前测得温度值与上位机中设置温度值相比较，嵌入式处理电路判断增加或减少温度电压，同时把当前测得温度值传输到上位机7中存储显示。

被试者根据当前的疼痛感移动打分电路上的滑块打分，滑块与滑动变阻器相连，打分电路将变化的阻值通过A\D转换电路连接嵌入式控制电路，把打分值传输到上位机中存储显示。

当上位机中设置的冷刺激与热刺激发生转换时，嵌入式控制电路控制电流转向电路，使继电器的开关状态翻转，改变限流保护电路中电流的方向，进而改变制冷片13中的电流流向，使制冷片13的加热和制冷功能翻转；

上位机中存储显示的实际测得温度值和疼痛感觉的分值，以供实验人员对人体的疼痛感觉研究和药物的镇痛效果评价。

Claims (10)

1.一种冷热疼痛刺激系统，其特征在于，包括冷热刺激头（1）、保护网（2）、散热水箱（3）、水泵（4）、储水水箱（5）、嵌入式控制模块（6）和上位机（7）；冷热刺激头（1）、散热水箱（3）、水泵（4）和储水水箱（5）通过水管依次相连，形成水循环系统；冷热刺激头（1）通过嵌入式控制模块（6）与上位机（7）连接；

所述的冷热刺激头（1），包括导热片（11）、制冷片（13）、水冷头（14）、外壳（15）、绷带（17）、纽扣（18）和隔热垫（19）；制冷片（13）的一面黏贴导热片（11），另一面黏贴水冷头（14）；制冷片（13）和水冷头（14）置于导热片（11）和外壳（15）组成的腔体内；隔热垫（19）黏贴在外壳（15）的前面；绷带（17）通过纽扣（18）固定在外壳（15）的背面；导热片（11）置于人体皮肤上的刺激点；

所述的嵌入式控制模块（6），包括嵌入式处理电路、D\A转换电路、功率放大电路、电流转向电路、限流保护电路、桥式电路、差分放大电路、A\D转换电路和打分电路；该嵌入式处理电路根据上位机（7）中设置的刺激温度，产生相应电压数字信号，输入给D\A转换电路中转换成模拟信号，再经过功率放大电路放大后输入到电流转向电路后，再经限流保护电路后输入到制冷片（13）中，控制制冷片（13）的升温或降温，进而控制导热片（11）温度变化；该桥式电路将黏贴在导热片（11）与制冷片（13）之间薄膜铂热电阻（12）的电阻值转换成电压值，传输到A\D转换电路中转换成数字信号，再传输到嵌入式处理电路中，把当前温度值与设置温度值相比较，判断增加或减少电压，同时嵌入式处理电路把当前温度值传输到上位机（7）中存储显示；被试者根据当前的疼痛感移动滑动变阻器上的滑块打分，该打分电路将滑动变阻器的阻值转成电压值，经过A\D转换电路连接到嵌入式处理电路，嵌入式处理电路通过串口把打分值传输到上位机（7）中存储显示。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于水冷头（14）包括进水口、出水口和内部沟道（16）；内部沟道（16）为M形状，且与水冷头（14）同一侧的进水口和出水口连成通路。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于导热片（11）是采用紫铜材料做成的厚度为8mm的凸字形薄片，分为上下两层，且上层的面积为下层面积的二分之一；上层的周围套有回字形的隔热垫（19）。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于外壳（15）由3mm纯铜薄板加工而成，且背面的中心处焊有纯铜质纽扣（18）。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于桥式电路由薄膜铂热电阻（12）和三个等值电阻连接组成。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于连接冷热刺激头（1）的水管、薄膜铂热电阻（12）的引线和制冷片（13）的引线均置于在保护网（2）内。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于打分电路包括滑动变阻器、分压电阻和由纯铜材料做成的屏蔽外壳；屏蔽外壳上装有滑块并标有滑块轨道刻度，滑块连接滑动变阻器。

8.如权利要求1所述的系统，其特征在于嵌入式处理电路，包括STM32处理器、JTAG接口电路、实时时钟电路和串口通信电路；JTAG接口电路、实时时钟电路分别与STM32处理器连接，STM32处理器通过串口通信电路与上位机（7）相连。

9.如权利要求1所述的系统，其特征在于电流转向电路，包括共集电极放大电路和继电器；共集电极放大电路的输入连接STM32处理器，输出连接继电器。

10.如权利要求1所述的系统，其特征在于限流保护电路由自动恢复保险丝和电阻串联构成。

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