基于艾灸温度场的36点仿真测温仪器的研制.pdf
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1、基础研究。699BME&Clin Med,November 2023,Vol.27,No.6生物医学工程与临床2 0 2 3年11月第2 7 卷第6 期网络出版时间:2 0 2 3-10-2 410:56:0 4D0I:10.13339/j.c n k i.s g l c.2 0 2 310 2 3.0 0 3网络出版地址:https:/ 点仿真测温仪器的研制邓益昭1,涂海燕1,徐刚?,高明2,徐金鹏1,成鸿群1摘要:目的为了提高艾灸热场实验中治疗区域热场分布研究的便捷性、安全性与检测的准确度,研制一种具有36 个测温点的仿真测温仪器。方法采用嵌人式技术设计的仿真测温仪器,选用PT100铂电阻
2、作为采集温度信息的传感器件(以6 6 矩阵格式均匀分布)。根据传统艾灸试验中热场研究的原理与操作特点,可以模拟临床试验和动物皮肤组织实验。仿真测温仪器的硬件部分包含模拟皮层、温度信号采集单元、单片机数据处理单元和个人计算机显示单元4部分,软件部分由温度采集程序、显示程序、通信程序构成。结果36 点仿真测温仪器内部结构为观察窗、液晶显示屏、核心控制电路、直流电源、传感器测量电路板。仪器的设计量程为2 0 6 4,分度值为0.1。该仪器成功测量36 点温度数据,实时刷新频率3Hz。使用艾条对测温区域进行模拟艾灸,得到温度场分布呈中心最高向四周逐渐递减的分布趋势,同时整个温度场分布较为均匀,无明显异
3、常数据,这也符合实际的温度分布规律。结论该仪器不仅可以实时测得热场分布以等效模拟传统艾灸热场实验,还解决了临床试验和动物皮肤组织实验中所面临的烫伤、工序复杂等问题关键词:艾灸热场试验;36 测温点;仿真测温仪器;模拟皮层;热场分布中图分类号:TH77;R319文献标识码:A文章编号:10 0 9-7 0 9 0(2 0 2 3)0 6-0 6 9 9-0 7Design of simulated temperature measuring instrument with 36-point based on moxibustion temperature fieldDENG Yi-zhao,TU
4、 Hai-yan,XU Gang,GAO Ming,XU Jin-peng,CHENG Hong-qun(l.Collegeof Electrical Engneering,Sichuan University,Chengdu 610065,Sichuan,China;2.School of Acupuncture-Moxibustion and Tuina,ShanghUniversity of Traditional Chinese Medicine,Shanghai201203,China)Corresponding author:TU Hai-yan.E-mail:.GAO Ming.
5、E-mail:.Abstract:Objective To improve the convenience,safety,and detection accuracy of thermal field distribution research intreatment area of moxibustion thermal field experiments,and develop a simulated temperature measurement instrument with36-point.Methods The simulation instrument was designed
6、by embedded technique,and PT100 platinum resistance wasselected as the sensor device to collect temperature information(6 6 matrix format uniform distribution).According to princi-ple and operation characteristics of thermal field research in traditional moxibustion experiments,clinical trials and a
7、nimalskin tissue experiments was simulated.The hardware of simulation temperature measuring instrument was consisted of 4 parts:simulation cortex,temperature signal acquisition unit,microcontroller data processing unit and PC display unit.The softwarewas composed of temperature acquisition program,d
8、isplay program and communication program.Results The internal struc-ture of 36-point simulation temperature measuring instrument was included observation window,liquid crystal display,corecontrol circuit,direct current power supply and sensor measurement circuit board.The design range of the instrum
9、ent was 20 C-64 C,and indexing value was 0.1.T h e i n s t r u m e n t s u c c e s s f u l l y m e a s u r e d t e m p e r a t u r e d a t a a t 36-p o i n t,w i t h r e a l-t i m erefresh rate of 3 Hz.The moxa stick simulates moxibustion on temperature measurement area,and temperature field wasgrad
10、ually decreased from center to periphery.At the same time,the whole temperature field distribution was relatively uniformwithout obvious abnormal data,which was consistent with the actual temperature distribution law.Conclusion It is demon-strated that the instrument can measure the thermal field di
11、stribution in real-time to simulate traditional moxibustion thermalfield experiment,and also solve the problems of scald and complicated process in clinical trials and animal skin tissue exper-iments.Key words:moxibustion thermal field test;36 temperature measuring points;simulated temperature measu
12、ring instrument;simulated cortex;thermal field distribution作者单位:1.四川大学电气工程学院,信息与自动化技术四川省高校重点实验室,四川成都610065;2.上海中医药大学针灸推拿学院,上海2 0 12 0 3作者简介:邓益昭(19 9 8),男,四川达州人,硕士研究生,主要从事移动机器人及嵌人式系统研究。电话:18 6 8 2 8 9 57 9 3。E-mail:17 44347 9 7 。基金项目:国家重点研发计划资助项目(2 0 18 YFC1707801);国家自然科学基金面上项目(8 2 0 7 4550)通信作者:涂海燕(
13、19 7 1一),女,四川蓬溪人,博士,副教授,硕导,主要从事智能控制及生物医学工程方向研究。电话:138 8 18 1519 1。E-mail:。高明(19 7 7 一),男,宁夏吴忠人,博士,教授,硕导,主要从事针灸诊疗技术和器材的研究与应用。电话:139 17 9 2 4312。E-mail:。版权保护,不得翻录。700-BME&ClinMed,JNovember2023,Vol.27,No.6生物医学工程与临床2 0 2 3年11月第2 7 卷第6 期艾灸疗法拥有极为悠久的历史,该疗法在中国的石器时代便已有雏形1,2 1。艾灸区别于其他中医针灸疗法,它以艾叶作为原材料进行加工处理,通过
14、其温热效应3来调节人体激素分泌,增强人体免疫能力4。在药物难以治疗、银针难以企及的情况下,艾灸疗法便成为治疗疾病的一大重要法宝5,6。艾灸疗法由于具有散寒止痛、温通经络、活血逐痹、回阳固脱、消癖散结及防病保健等功效7,8,故而在国内外享有盛名。已有研究表明,艾灸通过创造局部热刺激可以促进气血循环9 ;艾灸温度不同对生物组织形态结构有一定影响10 艾灸对机体产生作用的基础是艾灸的温热效应!,该效应可以对生物组织的微循环状态产生影响12 ;艾灸治疗通过热辐射对生物组织进行传热13;艾灸与生物组织之间的传热特性与温热刺激机制有密切关系14,且温和灸的“拨灰”过程可以提高艾灸的温热效应15。基于以上对
15、于艾灸治疗过程的认识,越来越多的人也开始对艾条燃烧过程中治疗区域的热场分布进行研究,文献16 采用临床试验的方法研究艾灸治疗时的温度特性,文献17 采用动物皮肤组织实验的方法研究艾条燃烧过程中治疗区域内的热场分布,文献18 在实验中采用红外热成像仪进行热场分布数据采集。在艾灸热场研究中,临床试验和动物皮肤组织实验在艾灸实验中得到广泛应用,但这两种实验方式也有诸多不足。在临床治疗试验时容易对患者造成烫伤,带来不少安全隐患19 ,同时患者本身的不确定性也容易对试验过程及试验结果造成一定影响。在采用动物组织研究热场分布时,其热场的测量相对复杂,测温仪器在动物组织中的放置也受诸多限制。而红外热成像仪属
16、于无接触式测量设备,易受环境干扰,测试效果不稳定且测量精度不高。在艾灸治疗的热场研究过程中所出现的这些问题,为寻求一种能等效模拟临床试验和动物皮肤组织实验的仿真测温仪器提出了迫切需要。基于此,笔者设计了具有36个测温点的仿真测温仪器,提高了艾灸实验的便捷性与安全性,检测的准确度,利用该仪器所测得的热场分布为在临床艾灸治疗过程中能得到最佳的治疗效果提供依据与指导1材料与方法1.1实验材料仪器箱(自制);STM32开发板(正点原子)、PT100铂热电阻(德国贺利氏);铂电阻测温电路板(自制);硅胶垫(淘宝自主);导热硅胶(卡夫特。广东恒大新材料科技有限公司,中国);艾条(北京同仁堂,中国)。1.2
17、方法1.2.1仿真测温仪器的设计设计的仿真测温仪器具有36 个测温点,它可以对治疗区域内的温度场变化进行实时连续的测量。该测温仪器嵌人36 个高精度温度传感器,以6 6 矩阵格式均匀分布在绝缘隔热垫上,每个传感器所占空间为1cm1cm,各空间相互独立。1.2.1.1应用于艾灸治疗的模拟皮层的设计干艾灸试验中人体皮肤表面或动物皮肤组织的艾灸治疗区域是36 点仿真测温仪器设计的关键所在。该模拟皮层由硅胶隔热垫和精密温度传感器组成,硅胶隔热垫上有36 个大小为1cm1cm的方格,这36 个方格呈6 6 矩阵排列且相互独立以保证不同方格之间的温度互不干扰,每个方格嵌人一个精密温度传感器,并用导热胶使得
18、方格空间与精密温度传感器融为一体、紧密贴合。精密温度传感器的引脚线路则从硅胶隔热垫背面引出,并将其与测温电路连接。见图1。硅胶隔热垫口:1 cm 1 cm方格O:温度传感器图1模拟皮层设计框图Fig.1Block diagram of simulative cortical design嵌人在各个方格里的温度传感器可以感知艾条燃烧时所生成的温度信息,36 个温度传感器将采集到的温度信息汇总到同一平面上,便构成了艾灸治疗过程中固定时刻、固定治疗距离所对应的热场分布通过该模拟皮层,便可以模拟临床艾灸试验1.2.1.2温度传感器的选取通过文献2 0 可知,人体不同部位穴位的最高耐受温度不超过6 0。
19、PT100铂热电阻测量精确度高,性能稳定,可测得温度范围为-2 0 0 6 50 2 1,这也同样满足了艾灸治疗时所需治疗温度的可测量条件。热电偶可测量温度范围更广,适合测量高温区(50 0 以上),在中低温区(50 0 以下)时热电阻则更加常用且精度相对热电偶更高。基于以上结论,在36 点测温系统的温度测量方案的选取上,最终选用PT100铂电阻作为采集温度信息的传感器件。701BME&Clin Med,November 2023,Vol.27,No.6生物医学工程与临床2 0 2 3年11月第2 7 卷第6 期按照国际电工委员会(InternationalElectrotech-nicalC
20、ommission,IEC)751工业铂热电阻国际标准,PT100铂热电阻的电阻-温度关系满足以下条件:当 Te-200,0 时,Rr=R1+A T+BT+C(T-100)T)(1)当 T=0,8 50 时,Rr=Ro(1+AT+BT)(2)其中:PT100铂热电阻在0 时的标准电阻值Ro=100;电阻温度系数(temperature coefficient of resi-stance,TCR)=0.003 851 时,A=3.908 3 10-3,B=5.775 10-7,C=4.183 10-12因为AB、A C,这也使得PT100铂热电阻在Te-200,6 50 时阻值特性曲线的斜率变
21、化较小,故公式(1)、(2)通过线性拟合可以简化为:Rr=Ro(1+AT)(3)由式(3)可知,在PT100铂热电阻阻值已知的情况下,即可求得测量温度T。1.2.1.336点仿真测温仪器工作原理36点仿真测温仪器主要包括温度信号采集单元、单片机数据处理单元和温度显示单元。温度信号采集单元包括温度传感器和信号放大电路。系统的总结构框图如图2 所示。在给36 个PT100铂热电阻供电后,通过PT100温度信号采集单元单片机数据处理单元温度显示单元信号放大电路AD转换器个人计算机上位机PT100铂热电阻STM32F103ZET6USB_232 接口微控制器图2系统总结构框图Fig.2Block di
22、agram of overall structure铂热电阻感知外界温度信息并使其阻值发生相应变化,进而在PT100铂热电阻的两端产生相应电压值,产生的电压值经信号放大电路放大后传给单片机STM32F103。单片机利用内部的模拟-数字量转换器(analog-to-digital conversion,AD)将得到的电压模拟量转换为数字量,再根据公式(3)把测量得的PT100铂热电阻的电阻值转换为温度值,并将36 个测温点的温度数据上传至个人计算机上位机进行显示。图3为仿真测温仪器结构图。12345677281:PT100铂热电阻;2:模拟皮层;3:仪器盒;4:引线;5:主机;6:从机;7:隔板
23、;8:36 路三线制接法桥式测温电路板图3仿真测温仪器结构图Fig.3 Structure diagram of simulative temperature measurementinstrument1.2.1.4PT100铂热电阻测温电路设计由于线缆的材料、尺寸和环境温度对测温的准确度干扰较大,因此笔者采用三线制阻值测量方式对电阻进行补偿2 图4为三线制接法桥式测温电路。图4所示的测温电路共有36 个,各自对应36 个测温点,P1模块的PIN1和PIN2分别接PT100铂热电阻的两个引脚,outl接单片机的输人/输出端(input/output,I/O)。TL431为可控精密稳压源,在VC
24、C(C=circuit,接人电路的电压值)为12 V时通过与电位器VR1搭配可以产生稳定的4.0 9 6 V电压。图4中的R1、R2、VR2和PT100铂热电阻为桥臂电阻,共同组成测量电桥由电桥原理及PT100特性可知,在环境温度为0 时,VR2阻值应与PT100铂热电阻的阻值相同,PT100在0 时的电阻值为10 0 Q,因此VR2可使用100Q的精密电阻。当二者阻值不等时电桥便会产生压差信号,该信号经单电源四路运算放大器LM324放大后输出至单片机STM32F103的AD转换模块。(1)基准电压源电路与PT100铂热电阻驱动电路:可控精密稳压源TL431热稳定性能优良,精度极高,在模拟集成
25、电路中应用广泛3,可作为PT100铂热电阻的稳压供电电源。在图5A的基准电压源电路原理图中,取VCC为12 V,通过调节精密电位器VR1进行分压,可以得到4.0 9 6 V基准电压,以基准电压源的电压为参考,可以控制输出电压值。702BME&ClinMed,November2023,Vol.27,No.6生物医学工程与临床2 0 2 3年11月第2 7 卷第6 期R84.096VVCCH1KC1U16GNDR5VCCHHGND104VR1R1R2100K12K12K4502R3TL4311K3+U1A1R7out1R41K2一2KP1D1GNDLM324=C2PtPIN11N473310332
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