一種醫(yī)療儀器的溫度控制方法和控制裝置的研究

鄭傳權 ，陳鼎興，黃雄京，劉博生，周凌宏

（1.南方醫(yī)科大學 生物醫(yī)學工程學院，廣東 廣州 510515；2.廣東省東莞市厚街醫(yī)院，廣東 東莞 523945 ）

在體外診斷設備（in vitrodiagnostics,IVD）中，例如化學發(fā)光免疫分析儀，其測量過程，對溫度都有一定的要求，一般反應需要在37℃左右的環(huán)境中進行。當溫度超出范圍時，會導致反應異常，最終造成測量結(jié)果出現(xiàn)異常。由于在儀器中，其反應過程一般都是在孵育盤中進行，因此，準確的保持孵育盤溫度，對整個測量過程，具有重要的意義。

目前，對于溫度的控制，主要是設定目標溫度后，通過檢測加熱溫度與目標溫度之間的差異，實施對加熱組件的控制。依據(jù)環(huán)境設定液體目標溫度［1］，通過比較采集的液體溫度和目標溫度，來控制加熱組件的工作狀態(tài)［2］。但是這種方法，僅限于液體溫度控制，且溫度控制需通過傳感器采集溫度信息讓處理器分析，處理效率不及時。

基于以上背景，針對液體溫度控制和溫度控制需通過傳感器采集溫度信息讓處理器分析，處理效率不及時問題，研究一種新的溫度控制方法和研發(fā)一種新型的溫度控制裝置。

1 研究一種溫度控制方法和開發(fā)一種溫度控制裝置

1.1 研究溫度控制方法

預先設定溫度補償曲線［3］，在實施溫控時，只需要設定目標溫度，將溫度傳感器采集到的溫度信息代入溫度補償曲線中，計算所述孵育盤溫度和所述環(huán)境溫度的溫度差，基于溫度差和溫度補償曲線得出溫度補償值，根據(jù)溫度補償值，控制加熱組件使孵育盤溫度達到目標溫度，若未達到目標溫度，則重新獲取溫度補償值，加熱組件根據(jù)溫度補償值加熱孵育盤，在整個的溫度控制中，溫度補償曲線為不同的孵育盤溫度和/或不同的環(huán)境溫度的溫度差所對應溫度補償值。

1.2 溫度控制裝置的研制

溫度控制裝置由恒溫腔、孵育盤、加熱組件、溫度傳感器以及溫控器等組成［4］。其中孵育盤、溫度傳感器以及加熱組件設置于恒溫腔內(nèi)；通過高溫防火線將溫控器與溫度傳感器以及加熱組件電連接；加熱組件用于對所述恒溫腔內(nèi)環(huán)境進行加熱；溫度傳感器用于檢測孵育盤溫度和環(huán)境溫度，并將孵育盤溫度和環(huán)境溫度發(fā)送至溫控器。

溫控器為比例-積分-微分（proportion integration differentiation,PID）溫控器，溫控器預設有溫度補償曲線，用于設定目標溫度，計算孵育盤溫度和環(huán)境溫度的溫度差，將溫度差和目標溫度代入溫度補償曲線得到溫度補償值，根據(jù)溫度補償值，控制加熱組件加熱孵育盤直至目標溫度。

溫度控制裝置還包括溫度保護開關，溫度保護開關與溫控器相連接［5］，溫控器設置有保護溫度，當孵育盤溫度超出保護溫度時，溫度保護開關觸發(fā)使所述加熱組件停止加熱。

加熱組件懸掛于所述恒溫腔內(nèi)，加熱組件由電加熱片、陶瓷加熱片、碳纖維加熱片和硅膠加熱片中的至少一種組成。

2 技術路線

圖1 為溫度控制裝置示意圖。溫度控制裝置用于提供并保持預定的溫度環(huán)境［6］，本實施例中，溫度控制裝置為IVD（例如化學發(fā)光免疫分析儀）提供預定溫度的測量環(huán)境。

圖1 溫度控制裝置示意圖

其中，溫度控制裝置，包括：恒溫腔210、孵育盤220、加熱組件230、溫度傳感器240 以及溫控器250，孵育盤220、溫度傳感器240 以及加熱組件230 設置于恒溫腔210 內(nèi)；溫控器250 與溫度傳感器240 以及加熱組件230 電連接。

溫度控制方法流程見圖2。

圖2 溫度控制方法流程圖

溫度控制方法：第一步，預設溫度補償曲線。溫度補償曲線為不同的孵育盤溫度和/或不同的環(huán)境溫度的溫度差所對應溫度補償值，見圖3。第二步，設定目標溫度。第三步，獲取孵育盤溫度和環(huán)境溫度，計算孵育盤溫度和環(huán)境溫度的溫度差。第四步，基于溫度差和溫度補償曲線得出溫度補償值。第五步，根據(jù)溫度補償值，控制加熱組件加熱孵育盤直至目標溫度。

圖3 溫度補償曲線圖

本方案提供的溫度控制方法和裝置預先設定溫度補償曲線［7］，在實施溫控時，只需要設定目標溫度，將溫度傳感器采集到的溫度信息代入溫度補償曲線中，獲取溫度補償值，根據(jù)溫度補償值即可對孵育盤的溫度進行控制，相對于傳統(tǒng)的方法更加簡單、快捷。

3 討論

本研究的創(chuàng)新之處：通過預先設定的溫度補償曲線，實現(xiàn)溫度的閉環(huán)動態(tài)控制，以得到更為精準的溫度。具體解析研究成果如下：預先測定溫度差（環(huán)境溫度與孵育盤溫度）與補償量的關系，獲得二者之間的補償曲線；設定目標溫度，獲取環(huán)境溫度以及孵育盤的溫度；依據(jù)目標溫度和孵育盤的溫度差，通過預先測定的補償曲線，獲得孵育盤溫度的補償量；依據(jù)溫度補償值，對孵育盤實施溫度控制；多次判斷以確認孵育盤溫度達到目標溫度后，加熱器停止工作。這些研究成果可以啟發(fā)同行探究不同的溫度補償方式，以達到更為優(yōu)秀的溫控方法。本方案僅僅研究了升溫（孵育盤等需要加熱的部分）的補償方式，后續(xù)可以進一步研究降溫（試劑盤等需要制冷的部分）的補償方式。

4 實驗結(jié)果

在實驗數(shù)據(jù)中設置了3 個環(huán)境溫度（10℃、20℃,25℃），在這3 個溫度之下，分別作出新舊兩種方式的溫度曲線來進行對比，通過SPSS 軟件進行數(shù)據(jù)分析，并總結(jié)出測試數(shù)據(jù)，見圖4、圖5。

圖4 不同環(huán)境溫度時新舊兩種控制方式下的溫度曲線圖

圖5 不同溫度梯度下的性能表現(xiàn)

改變?yōu)樾驴刂品绞胶?，加入了環(huán)境溫度的因素，其優(yōu)勢如下：①相比原控制方式，在低溫時，加熱到目標溫度（37±0.3）℃后穩(wěn)定性更好；②在高溫時，可以保持原控制方式的效果。也就是說，加入環(huán)境溫度因素考量后，新控制方式能夠提升低溫時的加熱穩(wěn)定性。

5 結(jié)語

本研究基于目前IVD 行業(yè)中溫控精準控制難題，利用預先設定的溫度補充方式，綜合考慮環(huán)境溫度等因素，提出了一種溫控補充的方式，通過預設溫度補償曲線，設定目標溫度，獲取孵育盤溫度和環(huán)境溫度，計算孵育盤溫度和環(huán)境溫度的溫度差，根據(jù)溫度補償值即可對孵育盤的溫度進行控制，簡單、快捷。獲得了更為精準的溫度。后續(xù)可以據(jù)此研究，進一步探究其他升溫過程中的溫控補償方式，也可以進一步探究溫降的補償方式。

該項研發(fā)于2018 年4 月申報了發(fā)明專利（專利申請?zhí)枮镃N201810354743.7，公開/公告號：CN108427452A），2021 年獲得該發(fā)明專利的授權。此方案可以提升測試準確性，進一步降低測量誤差，從而提升診斷的準確率，并節(jié)約醫(yī)療資源。此方案已經(jīng)在亞輝龍化學發(fā)光儀器上的4 000 多臺設備使用，效果反饋良好。