灌注升温疗法用的血液温度控制方法及变温装置制造方法及图纸

灌注升温疗法用的血液温度控制方法及变温装置涉及到医用热疗技术领域。其特征在于，该控制方法是将水箱中的水温升高到一定温度值后，在计算机中进行的以热交换器出血口的血液温度为外环控制量，以热交换器进水口的水温为内环控制量的双环ＰＩＤ控制方法；根据该控制方法设计的变温装置，含有功率可调的大功率半导体加热器，该加热器的输入端还依次串联一个换向继电器和一个大功率直流电源。本发明专利技术所采用的控制方法能够减小振荡，使血液温度平稳、快速的稳定在设定值，本变温装置能够配合控制输出量，使温度快速稳定，由于具有制冷功能，当温度超过设定值时，能够迅速降温并稳定。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
灌注升温疗法用的血液温度控制方法及变温装置涉及到医用热疗

技术介绍
灌注升温疗法是针对癌症中晚期患者的一种治疗方法。它主要是利用灌注升温系统，将人体血液抽出，在体外升高，然后流回人体，形成一个血液循环升温的系统。现有技术的灌注升温系统主要由加热水箱、热交换器、血泵、水泵、血液温度采集仪和计算机组成，由计算机控制水箱的加热功率，使水的温度升高，从而使流经热交换器的水和血液进行热交换，通过血液循环不断加热全身血液，使人体的整个温度升高并维持在一个定值上(通常为41℃～43℃)，从而达到杀死癌细胞的目的。经检索，在国内外文献中没有检索到关于灌注升温疗法用的血液温度控制方法方面的文献。国内外目前所用的灌注升温系统中的加热水箱主要是利用电热管加热，电热管的功率不可调，只能利用开关控制，所以水温在稳定过程中容易产生较大的振荡。水温稳定后若出现小幅的波动，也不能迅速的达到稳定，这对于治疗是不利的，目前解决这一问题，只能增加水箱的体积，以增加水的热容量，使小幅波动不容易导致水温的变化。但这样使整个系统的体积庞大，使用不方便。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，提出了一种灌注升温疗法用的血液温度控制方法，该方法采用双环PID控制，其输出的是一个动态调节值，能够使血液温度平稳的上升，并迅速达到稳定。根据本方法，本专利技术还设计了一种功率可调的变温装置，该装置功率可变，可以根据调节值的变化灵活的调节温度的上升幅度，使温度值能够快速达到稳定。当血液温度振荡较大时，本装置还能够制冷，使温度迅速达到稳定。本专利技术提出的灌注升温疗法中的血液温度控制方法，其特征在于，它是将水箱中的水温升高到温度tem20后，开始在计算机中进行以热交换器出血口的血液温度为外环主控制量，以热交换器进水口的水温为内环辅控制量的双环PID控制，它含有1)初始化外环PID初始化给定热交换器出血口的血液温度控制目标值为tem1；设计算机采集到的热交换器出血口的血液温度值为c1(k)；设计算机采集到的热交换器出血口的血液温度值与目标值的差值为e1(k)＝tem1-c1(k)；设热交换器进水口温度应增加的量为 Δtem2＝Kpw(1+Tw/Tiw+Tdw/Tw)×e1(k)-Kpw(1+2×Tdw/Tw)×e1(k-1)+(Kpw/Tw)×e1(k-2)；其中Kpw、Tiw、Tdw分别为给定的外环PID控制的比例系数、积分系数和微分系数，Tw为热交换器出血口血液温度的采集周期；e1(k-1)和e1(k-2)分别为热交换器出血口血液温度的上一次和上上次采集值和目标值之间的差值，e1(k-1)和e1(k-2)的初始值设为0；内环初始化设热交换器进水口水温的动态控制值为tem2＝tem2+Δtem2，tem2的初始值设定为刚开始控制时，热交换器进水口的水温的值，即tem0；设计算机采集到的热交换器进水口的水温值为c2(L)；设计算机采集到的热交换器进水口的水温值与水温动态控制值的差值为e2(L)＝tem2-c2(L)；设变温装置的动态调节量的增量为Δu＝Kpn(1+Tn/Tin+Tdn/Tn)×e2(L)-Kpn(1+2×Tdn/Tn)×e2(L-1)+(Kpn/Tn)×e2(L-2)；其中Kpn、Tin、Tdn分别为给定的内环PID控制的比例系数、积分系数和微分系数，Tn为热交换器进水口水温的采集周期；e2(L-1)和e2(L-2)分别为热交换器进水口水温的上一次和上上次采集值和动态控制值之间的差值，e2(L-1)和e2(L-2)的初始值设为0；设输出给变温装置的动态调节量为u＝u+Δu，u的初始值设定为刚开始控制时，热交换器进水口的水温的值，即tem20；给定内环PID控制的连续循环次数为n次；2)计算热交换器进水口水温的动态控制值采集热交换器出血口的血液温度值c1(k)，与目标值进行差值运算得到e1(k)，进行PID计算，得到Δtem2；计算热交换器进水口水温的动态调节值tem2＝tem2+Δtem2；3)计算输出到变温装置的温度调节值采集热交换器进水口的水温度值c2(L)，与动态控制值进行差值运算得到e2(L)，并进行PID计算，得到Δu；计算变温装置的动态调节量u＝u+Δu，将u输出给变温装置，对水温进行调节；4)重复n次内环PID计算，并输出调节值后，回到外环PID计算。根据本专利技术的灌注升温疗法用的血液温度控制方法所设计的变温装置，其特征在于，它含有依次连接的单片机(U1)、A/D芯片(U2)和变温水箱用的加热器(U5)，其特征在于，所述加热器是功率可调的大功率半导体加热器，在所述A/D芯片(U2)的输出端和所述大功率半导体加热器(U5)的输入端之间还依次串接一个大功率可变直流电源(U3)和一个换向继电器(U4)，所述换向继电器的换向信号输入端与所述单片机(U1)的换向信号输出端相连。所述大功率半导体加热器的型号为FPH1-12707。试验证明，使用本专利技术所提出的灌注升温疗法用的血液温度控制方法能够有效的控制血液温度升降的幅度，使血液温度能够快速稳定在某个定值上。本变温装置使用灵活，能够使温度快速稳定，而不需要增加水箱的体积；当温度值超过预定值时，能够迅速降温并稳定，达到了预期的目的。附图说明图1是温度控制的控制系统框图；图2是血液温度控制原理框图；图3是血液温度控制软件流程图；图4是图3的内部循环控制子流程图；图5是本变温装置电路原理图；图6是换向继电器的电路原理图。具体实施例方式结合附图说明本专利技术的具体实施方式。如图1所示的温度控制的控制系统框图，血液从人体中抽出后，流经热交换器，然后流回人体，形成人体内外的血液循环；水从变温水箱中流出，进入热交换器，与血液进行热量交换，然后流回变温水箱，形成水循环。分别在热交换器的出血口和进水口装上温度检测仪，将水温和血液温度传送到计算机中进行处理，计算机根据处理结果，通过变温装置对变温水箱中的水进行温度调节，最终通过热交换方式改变血液的温度，达到血液温度控制的目的。如图2所示，由于最终目的是通过控制变温水箱中的水温来控制热交换器出血口的血液温度，如果计算机处理数据直接采用采集值与目标值的差值控制，将会造成较大的超调和振荡，使人体血液温度可能存在大幅度变化，也不利于温度的快速稳定，因为它们之间存在加热水箱和热交换器两个具有大时间常数的装置。因此本专利技术采用双环PID控制来解决出血口的控温问题，PID控制是常用的减小超调的控制方法，本专利技术以热交换器出血口的血液温度作为外环控制量，也是主控制量，而热交换器进水口的水温是内环控制量，即辅控制量，经过内环的多次PID控制输出，使外环的控制量——血液温度值能够平稳的上升，直到稳定，减小了控制过程中的超调和振荡，对于人体治疗来说是非常安全的。在控制过程开始之前，先将变温水箱中的水以最大功率加热到一定的温度(最好接近目标值)，这样可以使温度更快达到稳定，开始控制后，先进行初始化外环PID初始化 给定tem1；给定Kpw，Tiw，Tdw，Tw；设e1(k-1)＝0，e1(k-2)＝0；设A1＝Kpw(1+Tw/Tiw+Tdw/Tw)；B1＝Kpw(1+2×Tdw/Tw)；C1＝Kpw/Tw；内环初始化设tem2＝tem20；给定Kpn，Tin，Tdn，Tn；给定n；设e本文档来自技高网...

【技术保护点】
灌注升温疗法用的血液温度控制方法，其特征在于，它是将水箱中的水温升高到温度ｔｅｍ２↓［０］后，开始在计算机中进行以热交换器出血口的血液温度为外环主控制量，以热交换器进水口的水温为内环辅控制量的双环ＰＩＤ控制，它含有：１）初始化：外环ＰＩＤ初始化：给定热交换器出血口的血液温度控制目标值为ｔｅｍ１；设计算机采集到的热交换器出血口的血液温度值为ｃ１（ｋ）；设计算机采集到的热交换器出血口的血液温度值与目标值的差值为ｅ１（ｋ）＝ｔｅｍ１－ｃ１（ｋ）；设热交换器进水口温度应增加的量为：Δｔｅｍ２＝Ｋｐｗ（１＋Ｔｗ／Ｔｉｗ＋Ｔｄｗ／Ｔｗ）×ｅ１（ｋ）－Ｋｐｗ（１＋２×Ｔｄｗ／Ｔｗ）×ｅ１（ｋ－１）＋（Ｋｐｗ／Ｔｗ）×ｅ１（ｋ－２）；其中：Ｋｐｗ、Ｔｉｗ、Ｔｄｗ分别为给定的外环ＰＩＤ控制的比例系数、积分系数和微分系数，Ｔｗ为热交换器出血口血液温度的采集周期；ｅ１（ｋ－１）和ｅ１（ｋ－２）分别为热交换器出血口血液温度的上一次和上上次采集值和目标值之间的差值，ｅ１（ｋ－１）和ｅ１（ｋ－２）的初始值设为０；内环初始化：设热交换器进水口水温的动态控制值为：ｔｅｍ２＝ｔｅｍ２＋Δｔｅｍ２，ｔｅｍ２的初始值设定为刚开始控制时，热交换器进水口的水温的值，即ｔｅｍ２↓［０］；设计算机采集到的热交换器进水口的水温值为：ｃ２（Ｌ）；设计算机采集到的热交换器进水口的水温值与水温动态控制值的差值为ｅ２（Ｌ）＝ｔｅｍ２－ｃ２（Ｌ）；设变温装置的动态调节量的增量为：Δｕ＝Ｋｐｎ（１＋Ｔｎ／Ｔｉｎ＋Ｔｄｎ／Ｔｎ）×ｅ２（Ｌ）－Ｋｐｎ（１＋２×Ｔｄｎ／Ｔｎ）×ｅ２（Ｌ－１）＋（Ｋｐｎ／Ｔｎ）×ｅ２（Ｌ－２）；其中：Ｋｐｎ、Ｔｉｎ、Ｔｄｎ分别为给定的内环ＰＩＤ控制的比例系数、积分系数和微分系数，Ｔｎ为热交换器进水口水温的采集周期；ｅ２（Ｌ－１）和ｅ２（Ｌ－２）分别为热交换器进水口水温的上一次和上上次采集值和动态控制值之间的差值，ｅ２（Ｌ－１）和ｅ２（Ｌ－２）的初始值设为０；设输出给变温装置的动态调节量为ｕ＝ｕ＋Δｕ，ｕ的初始值设定为刚开始控制时，热交换器进水口的水温的值，即ｔｅｍ２↓［０］；给定内环ＰＩＤ控制的连续循环次数ｎ；２）计算热交换器进水口水温的动态控制值：采集热交换器出血口的血液温度值ｃ１（ｋ），与目标值进行差值运算得到ｅ１（ｋ），进行ＰＩＤ计算，得到Δｔｅｍ２；计算热交换器进水口水温的动态调节值ｔｅｍ２＝ｔｅｍ２＋Δｔｅｍ２；３）计算输出到变温装置...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：周兆英，张东旭，张毓笠，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]