离体器官灌注仪的温度融合与控制系统技术方案

本发明专利技术涉及一种离体器官灌注仪的温度融合与控制系统，包括主控单元，与所述主控单元电连接的四通道温度采集单元、压缩机单元和通风阀门单元，以及恒温控制单元；所述恒温控制单元包括基于改进贝叶斯估计的温度融合子单元和基于模糊PID控制器的温度控制子单元。采用改进贝叶斯估计的数据融合子单元，以克服可能的传感器故障或环境干扰导致的数据虚假，并将四路测量数据融合成一路数据，其次采用模糊PID控制子单元实施高精度恒温控制。本发明专利技术不但能有效提升离体器官灌注仪的温度控制精度，并且能降低外界干扰带来的测量失效的风险，提高仪器稳定性，具有潜在的经济价值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于医疗器械领域，尤其是一种离体器官灌注仪的温度融合与控制系统。
技术介绍
维持低温环境是保护离体器官细胞组织的基础，其保护机理为：器官切除和局部缺血导致ATP(三磷酸腺苷)能量和氧气供给缺乏，使器官细胞迅速从有氧代谢转化为缺氧代谢，生成乳酸和质子，并发生细胞去极化现象，进而导致离子浓度失衡和细胞坏死。相关学者发现质子和钙浓度上升是导致细胞死亡的直接原因。然而，生化反应的基本原理都是分子活动和迁移，且其由所获得的热量支配，换而言之，温度降低会导致分子活动减慢，从而使得细胞内生化反应活动随之成比例地衰弱。研究证明，随着与局部缺血缺氧有关的化学过程被中止，离体器官的进一步恶化也得到有效阻止。研究表明，离体器官最佳保存温度为4℃，此时不仅能避免直接冰冻损伤，而且大大降低组织细胞的能量代谢水平，提高组织抗缺血能力，但是高精度液体温控要比高精度运动控制困难得多，尤其是大空间的流动灌注溶液，其原因不仅是高精度传感器的问题，更重要的是液体温控本身具有大惯性、大时滞和非线性的特点。针对该特点，采用智能控制算法如模糊控制、神经网络、预测控制、PID以及遗传算法可达到系统快速响应的目的，但是单一算法无法同时满足高精度与快速响应的要求，而智能算法之间的相互组合又十分复杂。此外，在传统离体器官灌注仪温度融合和控制方法中，由于温度传感器故障或者环境干扰等因素，其可能提供虚假温度测量数据，该错误数据的产生将会给仪器自动设定带来误导，也会给器官看护人员带来误判，最终带来不可估量的生命和经济损失。
技术实现思路
专利技术目的：提供一种离体器官灌注仪的温度融合和控制系统，以解决现有技术存在的上述问题，提高温度控制精度，并降低潜在故障导致离体器官保存失效的风险。技术方案：有益效果：本专利技术不但能有效地提升离体器官灌注仪的温度控制精度，为离体器官提供稳定的温度环境，而且能降低由于温度传感器故障或环境干扰带来的测量失效的风险，提高仪器的稳定性，具有潜在的经济价值。附图说明图1是本专利技术的灌注仪恒温控制电路连接框图。图2是本专利技术的四路温度传感器安装示意图。图3是本专利技术的TSic506传输包读取流程图。图4是本专利技术的压缩机和通风阀门安装示意图。图5是本专利技术的DSP芯片和驱动电路光耦隔离电路图。图6是本专利技术的SCI串口控制程序流程图。图7a至图7d是本专利技术的温度传感器故障模拟曲线，其中，第I路：持续误测故障；第II路：向下尖峰误测故障；第III路：向上尖峰误测故障；第IV路：抖动干扰故障)。图8a至图8c是本专利技术的贝叶斯数据融合曲线，其中图8a为传统贝叶斯数据融合曲线；图8b1至8b4为m2＝0.1，m2＝0.4，m2＝0.8和m2＝1时的改进贝叶斯数据融合曲线；图8c为级联改进贝叶斯数据融合曲线。图9是本专利技术的直流变频压缩机控制原理图。图10是本专利技术的模糊PID控制原理图。图11a至图11c是本专利技术的动态性能测试曲线，其中，图11a为温度变化测试曲线；图11b为灌注流速环境变化曲线；图11c为工作模式变化测试曲线。具体实施方式本专利技术提供了一种离体器官灌注仪的温度融合与控制系统，由灌注仪恒温控制电路和灌注仪恒温控制单元两部分组成，以提升温度控制精度和降低测量失效的风险。参见图1，灌注仪恒温控制电路连接框图以DSP(TMS320F2812)芯片为主控单元，外围单元包括：四通道温度采集单元，压缩机单元，通风阀门单元和其它辅助单元。其中，四通道温度采集单元用于温度采集，压缩机和通风阀门单元用于温度控制，各单元与DSP的配置接口列表如表1所示。表1 DSP外围单元接口配置参见图2和图3，四通道温度采集单元利用TSic506数字传感器实施采集，两路安装于热通风口端(图2中①和②位置)，另两路安装于冷通风口端(图2中③和④位置)，以平衡器官容器内温度差异。TSic506传输包由1个起始位、8个数据位和1个奇偶校验位组成，传输波特率为8000Hz，且11位温度数据由2个传输包组成，包括高3位温度数据和低8位温度数据。TSic506读取操作在DSP定时中断中完成，即当温度累加器计数至1秒时，四路温度传感器开始读取温度数据。读取温度数据时，传输起始位在TMS320F2812的I/O引脚下降沿引发一个中断，并转向中断服务程序，中断程序内部包含一个计数循环，每次计数递增一个内存位置，直至TSic506信号上升沿，该计数值即每一位的读取周期。在获得读取周期后，中断服务程序等待后9个下降沿(8位数据，1位奇偶校验)，每个下降沿后等待读取周期采样下一位，最终读取出每个传感器输出的数字值Digital_T。实际所测点的温度T为：其中，HT＝60为传感器测量的温度上限值；LT＝-10为传感器测量的温度下限值；Digital_T为传感器输出的数字值；T为实际所测点的温度值。参见图4和图5，描述压缩机单元和通风阀门单元，其分别用于产生和导通冷热风。通过串口通讯控制直流变频压缩机的转速和方向信息，蒸发风扇和冷凝风扇将蒸发器和冷凝器的温度导通至通风管道，同时控制通风阀门开启占空比最终控制到达被控器官容器的风量。利用SCIATXD和SCIARXD口连接至三相变频压缩机驱动端，DSP主控芯片每隔1秒输出控制压缩机的转速、开合和方向状态，并实时接收直流压缩机当前转速、散热器温度、母线电压等状态，并根据读取状态实时调整压缩机转速、通风阀门占空比等信息，以达到精确控制。其中，驱动电路主要利用脉宽调制原理，通过改变输出方波的占空比使负载电流功率从0-100％变化，最终改变压缩机转速。此外，在DSP芯片和驱动电路采用光耦隔离(ISO801、ISO802)以实施电路保护。在进一步的实施例中，压缩机单元器官容器获得制冷量(制热量)的计算公式为： Q = [ ( 1 - ξ ) × ( μ 0 - 2 μ k + ημ k ) × vnq 0 v 3.6 × 10 6 ] ( k W / h ) ]]>其中，ξ为通风管道传输能量损耗效率，0≤ξ≤1；μ0和μk分别为冷风阀门和热风 阀门的开启占空比，0≤μ0≤1，0≤μk≤1；η≈90％为压缩机的制冷效率；q0v为压缩机单位容积制冷量；n为压缩机转速，r/h；v为压缩机每转排量，cm3/r；Q为器官容器获得的制冷量(制热量)，不考虑容器自身散热，若Q＞0，容器温度降低，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种离体器官灌注仪的温度融合与控制系统，其特征在于，包括主控单元，与所述主控单元电连接的四通道温度采集单元、压缩机单元和通风阀门单元，以及恒温控制单元；所述恒温控制单元包括基于改进贝叶斯估计的温度融合子单元和基于模糊PID控制器的温度控制子单元。

【技术特征摘要】
1.一种离体器官灌注仪的温度融合与控制系统，其特征在于，包括主控单元，与所述主控单元电连接的四通道温度采集单元、压缩机单元和通风阀门单元，以及恒温控制单元；所述恒温控制单元包括基于改进贝叶斯估计的温度融合子单元和基于模糊PID控制器的温度控制子单元。2.根据权利要求1所述的离体器官灌注仪的温度融合与控制系统，其特征在于，所述四通道温度采集单元的采集端中有两路安装于热通风口端，另外两路安装于冷通风口端。3.根据权利要求1所述的离体器官灌注仪的温度融合与控制系统，其特征在于，所述压缩机单元和通风阀门单元分别用于产生和导通冷热风；通过DSP串口通讯控制压缩机单元的转速和方向信息，蒸发风扇和冷凝风扇将蒸发器和冷凝器的温度导通至通风管道，同时DSP控制通风阀门单元开启占空比最终控制到达被控器官容器的风量。4.根据权利要求3所述的离体器官灌注仪的温度融合和控制方法，其特征在于，所述器官容器获得制冷量或制热量的计算公式为： Q = [ ( 1 - ξ ) × ( μ 0 - 2 μ k + ημ k ) × vnq 0 v 3.6 × 10 6 ] ; ]]>其中，ξ为通风管道传输能量损耗效率，0≤ξ≤1；μ0和μk分别为冷风阀门和热风阀门的开启占空比，0≤μ0≤1，0≤μk≤1；η为压缩机的制冷效率；q0v为压缩机单位容积制冷量；n为压缩机转速；v为压缩机每转排量；Q为器官容器获得的制冷量或制热量，不考虑容器自身散热，若Q>0，容器温度降低，Q<0，容器温度升高，Q＝0，容器温度保持不变；对上述各参数利用DSP实施控制，根据制冷量预测下一时刻温度： T n = T c + 3.6 × 10 6 ...

【专利技术属性】
技术研发人员：严如强，沈飞，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32