CN113157022B - 一种围术期病员加温系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种围术期病员加温系统及方法，包括加热垫和控制器；所述加热垫上设有病员加温区和温度测量区；温度测量区和病员加温区相连但不重叠；所述加热垫内设有加热元件，所述加热元件用于对病员加温区和温度测量区加热；所述温度测量区上方设置若干层隔热保温层和至少一个温度传感器，所述温度传感器用于测量温度测量区的温度；所述控制器分别与加热垫和温度传感器连接。本发明根据不同病员的身体质量指数BMI，对应调整温度测量区的隔热保温层的数量，使得该区域温度传感器测得的温度精确等于病员加温区的温度，达到间接测温的目的，可以保证加热垫内的温度传感器及其连接线不会影响X‑光扫描透视成像。
Description
技术领域
本发明属于医疗设备智能技术领域，尤其涉及一种围术期病员加温系统及其实现方法。
背景技术
患者在手术期间身体虚弱，由于麻醉药物的作用，体内新陈代谢水平降到了最低，难以维持正常的体温。围术期低体温会引起多种并发症,如凝血机制障碍、药物代谢速度降低、机体的免疫力降低、伤口愈合时间延长、感染几率增加、病人术后苏醒延迟、还可引起严重的心肺疾患。对体温进行有效监测和调节是保证手术成功，降低术后并发症的有效措施之一。
围术期病员加温系统是在围术期对病人进行升温，通过加热垫表面与患者身体的接触进行热量交换，从而达到对患者的体温进行控制，并能有效保持围术期患者正常体温的目的。由于手术过程中需要配合使用X-光扫描透视等影像设备，当患者躺在加热垫上时，其身下的温度传感器及其连接线不适合诊断成像，会造成图像模糊，局部遮挡，医生无法根据图像做出准确判断。因此，为了达到X-光扫描透视成像的良好效果，一种不干扰诊断成像的能满足手术室配套使用的围术期病员加温系统是必须的。且从安全角度，对温度进行精准控制；从使用角度，搭建良好的人界交互界面也是有必要的。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种围术期病员加温系统及其实现方法，能对温度精确控制、能配套X-光扫描透视成像且具有良好的人机交互界面，该系统将加热垫分为病员加温区和温度测量区，根据不同病员的身体质量指数BMI，对应调整温度测量区的隔热保温层的数量，使得该区域温度传感器测得的温度精确等于病员加温区的温度，达到间接测温的目的，同时该结构可以保证加热垫内的温度传感器及其连接线不会影响X-光扫描透视成像。控制器输出可调电压对加热元件进行加热，保证了系统的安全性；采用神经网络模糊自适应PID算法可以对温度进行精确控制；采用触摸屏达到良好的人机交互功能。
本发明的技术方案是：一种围术期病员加温系统，包括加热垫和控制器；所述加热垫上设有病员加温区和温度测量区；温度测量区和病员加温区相连但不重叠；所述加热垫内设有加热元件，所述加热元件用于对病员加温区和温度测量区加热；所述温度测量区上方设置若干层隔热保温层和至少一个温度传感器，所述温度传感器用于测量温度测量区的温度；所述控制器分别与加热垫和温度传感器连接。
上述方案中，所述控制器根据病员身体质量指数BMI，调整所述隔热保温层的数量；
所述身体质量指数BMI和被测病员背部温度的关系：设y1＝f1(x1)，y1为温度，x1为身体质量指数BMI，f1为温度和BMI指数的对应函数；
所述加热垫温度与隔热保温层的对应关系：设y2＝f2(x2)，y2为温度，x2为隔热保温层的层数，f2为温度和隔热保温层层数的对应函数；
令y1＝y2，即f1(x1)＝f2(x2)，解得x2＝f3(x1)，此处f3为身体质量指数BMI和隔热保温层层数的对应函数，因此，当已知身体质量指数BMI时，能够计算得出所需隔热保温层层数。
上述方案中，所述温度测量区内置多个温度传感器；多个温度传感器检测的温度值传送到控制器，控制器取多个温度值的平均值。
上述方案中，所述加热垫内的加热元件采用碳纤维加热布。
上述方案中，所述控制器包括电源模块、可调电压模块、继电器模块、微控制单元MCU、隔离电路、存储电路、报警电路和触摸屏；
所述电源模块用于为系统提供电源；
所述可调电压模块用于输出可调直流电压对加热垫进行供电；
所述微控制单元MCU用于温度控制；
所述隔离电路用于将微控制单元MCU和输入信号或输出信号进行隔离；
所述存储电路用于数据的储存；
所述报警电路用于温度传感器检测的温度值超过报警预设温度值时发出警报，此时所述继电器模块用于切断电源；
所述触摸屏用于加热垫温度的设定和显示。
进一步的，所述控制器内的可调电压模块输出0-24V可调直流电压对加热垫进行供电。
进一步的，所述控制器内的温度控制模块采用神经网络模糊自适应PID算法进行温度控制。
上述方案中，所述温度传感器为NTC热敏电阻传感器。
一种根据所述的围术期病员加温系统的方法，包括以下步骤：
将病员的体重和身高信息输入控制器，得到病员身体质量指数BMI，所述温度传感器测量温度测量区的温度并传递到控制器，根据身体质量指数BMI和隔热保温层层数的对应函数，得到隔热保温层层数，在温度测量区放置相应层数的隔热保温层。
上述方案中，还包括以下步骤：通过所述控制器的触摸屏设定加热温度进行加热，当温度传感器测量温度测量区的温度与设定加热温度相差N度及以上时，其中N为温度的度数，控制器输出24V直流电压给加热元件供电，此时控制器的微控制单元MCU输出的PWM波占空比为100％；当温度传感器测量温度测量区的温度与设定加热温度相差小于N度时，控制器采用神经网络模糊自适应PID控制算法，结合温度传感器反馈给微控制单元MCU，通过调节微控制单元MCU输出的PWM波占空比控制加热垫的温度值，从而输出0-24V可调电压给加热元件供电；
当所述温度传感器检测的温度值超过报警预设温度值时控制器的报警电路发出警报，此时所述继电器模块切断电源。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：所述围术期病员加温系统结构设计合理，可用于围术期对病人进行加温，将加温垫分为病员加温区和温度测量区，在手术过程中对病人进行X-光扫描透视不会对诊断成像产生影响；在控制器中采用神经网络模糊自适应PID算法对温度进行控制，提高了围术期病员加温系统的温度控制精度；采用0-24V直流可调电压模块和继电器模块对加热元件进行加温控制，提高了围术期病员加温系统的安全性，采用触摸屏搭建人界交互界面，提升了用户操作体验。
附图说明
图1是本发明一实施方式的围术期病员加温系统结构示意俯视图；
图2是本发明一实施方式的围术期病员加温系统结构示意侧视图；
图3是本发明一实施方式的控制系统组成框图；
图4是本发明一实施方式的可调电压模块；
图5是本发明一实施方式的触摸屏界面图一；
图6是本发明一实施方式的触摸屏界面图二。
图中，1、加热垫，2、控制器，3、病员加温区，4、温度测量区，5、温度传感器，6、隔热保温层，7、加热线。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1和2所示为本发明所述围术期病员加温系统的一种较佳实施方式，所述围术期病员加温系统，包括加热垫1和控制器2；所述加热垫1上设有病员加温区3和温度测量区4；温度测量区4和病员加温区3相连但不重叠；所述加热垫1内设有加热元件，所述加热元件用于对病员加温区3和温度测量区4加热；所述温度测量区4上方设置若干层隔热保温层6和至少一个温度传感器5，所述温度传感器5用于测量温度测量区4的隔热保温层6的温度；所述控制器2分别与加热垫1和通过加热线7与温度传感器5连接。
图1中的垂直虚线，标有参考符号A象征性地表示病员加温区3和温度测量区4之间的分离界限。加热元件设置在加热垫1中，并且延伸到病员加温区3和温度测量区4内。位于温度测量区4中的温度传感器5直接布置在额外的隔热保温层6的下方。
所述控制器2根据病员身体质量指数BMI，调整所述隔热保温层6的数量，能够间接测量病员加温区3温度；所述身体质量指数BMI和被测病员背部温度的关系：设y1＝f1(x1)，y1为温度，x1为身体质量指数BMI，f1为温度和BMI指数的对应函数；
所述加热垫1温度与隔热保温层6的对应关系：设y2＝f2(x2)，y2为温度，x2为隔热保温层6的层数，f2为温度和隔热保温层6层数的对应函数；
令y1＝y2，即f1(x1)＝f2(x2)，解得x2＝f3(x1)，此处f3为身体质量指数BMI和隔热保温层6层数的对应函数，因此，当已知身体质量指数BMI时，能够计算得出所需隔热保温层 6层数。
根据本实施例，具体的，胖瘦不同的人导热系数会有一定差异，背部脂肪层较厚，热阻较大，因此导热系数会比较小。同时，胖瘦程度不同的人躺下时，背部与加温垫接触处的压力不同，导致此处散热性能不同，温度也不同。因此，可以根据体重身高的相应关系，对不同体型被测人员进行分类，在同一室温下加热相同时间，测量躺下时背部的温度。
采用身体质量指数BMI指数进行分类，身体质量指数BMI是国际上常用的衡量人体肥胖程度的重要标准。人肥胖程度的判断不能仅仅根据体重来判断，与身高有关。身体质量指数 BMI通过人体体重和身高两个数值获得相对客观的参数，有效体现出人体的脂肪含量。
BMI＝体重(kg)×10000/身高2(cm2)
其中中国参考标准：<18.5为偏瘦，18.5-23.9之间为正常，>＝24为超重，>＝28为肥胖。在实验过程中，需保持多次实验过程中室温一致、加热时间一致，分别对身体质量指数BMI 分布在以上各个区间的人员进行温度测量，对实验数据进行数据拟合，得到BMI指数和被测人员背部温度的关系。
在温度测量区4，隔热材料需要轻薄且隔热性能适中，如果采用隔热性能过好的材料，会导致此处温度较高，不便于调整隔热材料的层数且不方便实验。反之，如果采用隔热性能较差的材料，会造成材料层数或厚度过大。因此，需要对多种隔热材料进行对比实验，找到最适合的一种材料。实验过程中应保持和实验一同样的室温及加热时间，调整隔热保温层6 的层数，测量对应的加热垫1的温度，经过多次试验可得到温度与隔热材料层数的对应关系。
综合以上两个实验，最终可确立不同身体质量指数BMI患者躺下加热时背部的温度与温度测量区4的隔热保温层6层数的关系，达到用隔热保温层6数量模拟患者温度的目的。
所述温度测量区4内置多个温度传感器5；多个温度传感器5检测的温度值传送到控制器2，控制器2取多个温度值的平均值。优选的，所述温度传感器5的个数为三个；三个温度传感器5均匀的分布在温度测量区4。
所述加热垫1可采用一种无纺布材料制成，加热元件集成在加热垫1中，加热元件可以采用对X射线透明且具有低磁还原性的碳纤维布，不会对诊断成像造成影响。所述病员加温区3仅包含适于诊断成像的材料。优选的，所述加热垫1内的加热元件为碳纤维加热布。所述加热元件以均匀的方式加热所述温度测量区4和病员加温区3。
如图3所示，所述控制器2包括控制开关、电源模块、可调电压模块、继电器模块、微控制单元MCU、环境温湿度测量模块、隔离电路、存储电路、报警电路和触摸屏；所述电源模块用于为系统提供电源；所述可调电压模块用于输出可调直流电压对加热垫1进行供电；所述微控制单元MCU用于温度控制；所述环境温湿度测量模块用于检测环境的温度和湿度；所述隔离电路用于将微控制单元MCU和输入信号或输出信号进行隔离；所述存储电路用于数据的储存；所述报警电路用于温度传感器5检测的温度值超过报警预设温度值时发出警报，此时所述继电器模块用于切断电源；所述触摸屏用于数据的输入和显示。
如图4所示，根据本实施例，优选的，所述控制器2内的可调电压模块输出0-24V可调直流电压对加热垫1进行供电，从而获得通常35-40℃的温度来加热患者。
根据本实施例，优选的，所述控制器2内的温度控制模块采用神经网络模糊自适应PID 算法进行温度控制。
根据本实施例，优选的，所述温度传感器5为NTC热敏电阻传感器。NTC热敏电阻传感器阻值会随温度升高而减小，其导电性在高温下比在低温下更好。在温度传感器5的上方设置了多层隔热保温层6。通过调整保温隔热层6的数量，温度传感器5测得的温度可以精确等于患者在病员加温区3感受到的温度。因此，不需要直接在患者身上测量温度。加温过程中，需要患者躺在病员加温区3。
对于不同体型的患者，可以采用病员身体质量指数BMI将其分类，经过一系列试验得到病员身体质量指数BMI与隔热保温层6数量的关系，当对不同病员身体质量指数BMI的患者进行加温时，可以对应调整隔热保温层6的数量，达到精准间接测温的目的。当对加热垫1 进行预热且患者未躺在病员加温区3时，温度测量区4不放置隔热保温层6，此时温度传感器5测得的温度等于病员加温区3的实际温度。当患者躺在病员加温区3时，根据已经校准的隔热保温层6数量和病员身体质量指数BMI的关系，在温度测量区4放置相应层数的隔热保温层6，此时温度测量区4测得的温度精确等于病员加温区3的温度。
一种根据所述的围术期病员加温系统的方法，包括以下步骤：
将病员的体重和身高信息输入控制器2，得到病员身体质量指数BMI，所述温度传感器5 测量温度测量区4的温度并传递到控制器2，根据身体质量指数BMI和隔热保温层6层数的对应函数，得到隔热保温层6层数，在温度测量区4放置相应层数的隔热保温层6。
上述方案中，还包括以下步骤：通过所述控制器2的触摸屏设定加热温度进行加热，当温度传感器5测量温度测量区4的温度与设定加热温度相差N度及以上时，其中N为温度的度数，控制器2输出24V直流电压给加热元件供电，此时控制器2的微控制单元MCU输出的PWM波占空比为100％；当温度传感器5测量温度测量区4的温度与设定加热温度相差小于N度时，控制器2采用神经网络模糊自适应PID控制算法，结合温度传感器5反馈给微控制单元MCU的加热垫1的温度值，通过调节微控制单元MCU输出的PWM波占空比控制加热垫1的温度值，从而输出0-24V可调电压给加热元件供电；当所述温度传感器5检测的温度值超过报警预设温度值时控制器2的报警电路发出警报，此时所述继电器模块切断电源。
根据本实施例，优选的，如图5所示，使用者通过触摸屏设定加热目标温度并点击加热按钮，当设定的目标温度与加热垫当前温度差值大于5℃时，控制器输出24V直流电压给加热元件供电，此时微控制单元MCU输出的PWM波占空比为100％；当差值小于5℃时，控制器采用神经网络模糊自适应PID控制算法，结合温度传感器反馈给MCU的加热垫温度值，调节MCU输出的PWM波占空比，从而输出0-24V可调电压给加热元件供电，达到精准控温的目标。外加继电器模块进行保护，防止可调电压模块失灵造成温度过高时，及时切断电源；外加报警电路，可在系统失灵导致温度过高时发出报警声音，提醒使用者及时切断总电源。
如图6所示，控制器的触摸屏，可以供使用者设定加温系统的目标温度，查看加热垫1 得温度和环境的温湿度，还可以查看加热垫1实时温度变化曲线。
应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种围术期病员加温系统，其特征在于，包括加热垫(1)和控制器(2)；所述加热垫(1)上设有病员加温区(3)和温度测量区(4)；温度测量区(4)和病员加温区(3)相连但不重叠；所述加热垫(1)内设有加热元件，所述加热元件用于对病员加温区(3)和温度测量区(4)加热；所述温度测量区(4)上方设置若干层隔热保温层(6)和至少一个温度传感器(5)，所述温度传感器(5)用于测量温度测量区(4)的温度；所述控制器(2)分别与加热垫(1)和温度传感器(5)连接；
所述控制器(2)根据病员身体质量指数BMI，调整所述隔热保温层(6)的数量；
所述身体质量指数BMI和被测病员背部温度的关系：设y1＝f1(x1)，y1为温度，x1为身体质量指数BMI,f1为温度和BMI指数的对应函数；
所述加热垫(1)温度与隔热保温层(6)的对应关系：设y2＝f2(x2)，y2为温度，x2为隔热保温层(6)的层数，f2为温度和隔热保温层(6)层数的对应函数；
令y1＝y2，即f1(x1)＝f2(x2)，解得x2＝f3(x1)，此处f3为身体质量指数BMI和隔热保温层(6)层数的对应函数，因此，当已知身体质量指数BMI时，能够计算得出所需隔热保温层(6)层数。
2.根据权利要求1所述的围术期病员加温系统，其特征在于，所述温度测量区(4)内置多个温度传感器(5)；多个温度传感器(5)检测的温度值传送到控制器(2)，控制器(2)取多个温度值的平均值。
3.根据权利要求1所述的围术期病员加温系统，其特征在于，所述加热垫(1)内的加热元件为碳纤维加热布。
4.根据权利要求1所述的围术期病员加温系统，其特征在于，所述控制器(2)包括电源模块、可调电压模块、继电器模块、微控制单元MCU、隔离电路、存储电路、报警电路和触摸屏；
所述电源模块用于为系统提供电源；
所述可调电压模块用于输出可调直流电压对加热垫(1)进行供电；
所述微控制单元MCU用于温度控制；
所述隔离电路用于将微控制单元MCU和输入信号或输出信号进行隔离；
所述存储电路用于数据的储存；
所述报警电路用于温度传感器(5)检测的温度值超过报警预设温度值时发出警报，此时所述继电器模块用于切断电源；
所述触摸屏用于加热垫(1)温度的设定和显示。
5.根据权利要求4所述的围术期病员加温系统，其特征在于，所述控制器(2)内的可调电压模块输出0-24V可调直流电压对加热垫(1)进行供电。
6.根据权利要求4所述的围术期病员加温系统，其特征在于，所述控制器(2)内的温度控制模块采用神经网络模糊自适应PID算法进行温度控制。
7.根据权利要求1所述的围术期病员加温系统，其特征在于，所述温度传感器(5)为NTC热敏电阻传感器。
8.一种根据权利要求1-7任意一项所述的围术期病员加温系统的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
将病员的体重和身高信息输入控制器(2)，得到病员身体质量指数BMI，所述温度传感器(5)测量温度测量区(4)的温度并传递到控制器(2)，根据身体质量指数BMI和隔热保温层(6)层数的对应函数，得到隔热保温层(6)层数，在温度测量区(4)放置相应层数的隔热保温层(6)。
9.根据权利要求8所述围术期病员加温系统的实现方法，其特征在于，还包括以下步骤：通过所述控制器(2)的触摸屏设定加热温度进行加热，当温度传感器(5)测量温度测量区(4)的温度与设定加热温度相差N度及以上时，其中N为温度的度数，控制器(2)输出24V直流电压给加热元件供电，此时控制器(2)的微控制单元MCU输出的PWM波占空比为100％；当温度传感器(5)测量温度测量区(4)的温度与设定加热温度相差小于N度时，控制器(2)采用神经网络模糊自适应PID控制算法，结合温度传感器(5)反馈给微控制单元MCU的加热垫(1)的温度值，调节微控制单元MCU输出的PWM波占空比控制加热垫(1)的温度值，从而输出0-24V可调电压给加热元件供电；
当所述温度传感器(5)检测的温度值超过报警预设温度值时控制器(2)的报警电路发出警报，此时继电器模块切断电源。
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Legal Events
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