一種腦部控溫裝置及溫度控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種腦部控溫裝置及溫度控制方法，其裝置包括箱體、冰帽、制冷系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，所述制冷系統(tǒng)包括冷卻水箱、半導(dǎo)體制冷片、散熱片、冷卻水泵和流量計(jì)，所述控制系統(tǒng)包含單片機(jī)電路、控制面板以及若干個(gè)溫度探頭；冷卻水箱的輸出端通過(guò)導(dǎo)管連接冰帽的輸入端，冷卻水箱的輸入端通過(guò)導(dǎo)管連接冰帽的輸出端，冷卻水泵和流量計(jì)都串聯(lián)在導(dǎo)管上，半導(dǎo)體制冷片的冷端與冷卻水箱緊貼，熱端與散熱片緊貼。通過(guò)調(diào)整半導(dǎo)體制冷片的制熱功率來(lái)改變冷卻水溫度，進(jìn)而控制患者腦部溫度。本方案適用于醫(yī)學(xué)顱腦降溫領(lǐng)域。
【專利說(shuō)明】
一種腦部控溫裝置及溫度控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及患者溫度控制領(lǐng)域，尤其是涉及一種用于患者頭部降溫的腦部控溫裝 置及溫度控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 半導(dǎo)體制冷器是利用珀耳帖效應(yīng)的一種制冷裝置，因?yàn)槠湫⌒突?、無(wú)噪聲，并且不 需要使用制冷劑以及使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，在空間實(shí)驗(yàn)技術(shù)、醫(yī)療技術(shù)、航空航天以及生物工 程技術(shù)等溫度控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
[0003] 亞低溫治療是一種以物理方法將患者的體溫降低到預(yù)期水平而達(dá)到治療疾病目 的的方法。臨床深低溫治療的應(yīng)用和研究由來(lái)已久，低溫在心外科和神經(jīng)外科手術(shù)中已得 到廣泛應(yīng)用，并取得良好的腦保護(hù)作用，但體溫低于28°C時(shí)，常誘發(fā)心律失常、凝血機(jī)制障 礙等嚴(yán)重并發(fā)癥。因此從80年代起，深低溫已很少應(yīng)用，80年代末，研究發(fā)現(xiàn)腦溫下降2_3°C (亞低溫)對(duì)缺血性腦損傷也有保護(hù)作用，且無(wú)深低溫所致的各種并發(fā)癥，使低溫治療重新 引起人們的興趣。近幾年，國(guó)外率先開(kāi)始使用亞低溫(30-35Γ)治療腦缺血、腦缺氧和腦出 血病人，取得了令人矚目的研究成果。
[0004] 現(xiàn)在，市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了若干采用半導(dǎo)體制冷的亞低溫治療儀，但是其降溫策略 主要為通過(guò)冰毯進(jìn)行全身降溫，然后通過(guò)改變?nèi)梭w核心溫度來(lái)降低腦溫的目的，可能引發(fā) 了多種并發(fā)癥；另外也有通過(guò)冰帽進(jìn)行選擇性顱腦降溫，但是其所用冰帽存在體積和重量 大，移動(dòng)和穿戴困難，難以進(jìn)行精確溫度控制等明顯缺點(diǎn)，僅適合在病房等固定場(chǎng)所使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明主要是解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的溫度控制精度不夠高、容易引起并發(fā)癥、冰 帽體積較大、穿戴困難、難以進(jìn)行精確溫度控制等的技術(shù)問(wèn)題，提供一種可以精確控制溫 度、針對(duì)顱腦直接降溫、冰帽體積小、穿戴方便、不易引起并發(fā)癥的顱腦亞低溫治療儀及溫 度控制方法。
[0006] 本發(fā)明針對(duì)上述技術(shù)問(wèn)題主要是通過(guò)下述技術(shù)方案得以解決的：一種腦部控溫裝 置，包括箱體、冰帽、制冷系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，所述制冷系統(tǒng)包括冷卻水箱、半導(dǎo)體制冷片、散 熱片、冷卻水栗和流量計(jì)，所述控制系統(tǒng)包含單片機(jī)電路、控制面板以及若干個(gè)溫度探頭； 冷卻水箱的輸出端通過(guò)導(dǎo)管連接冰帽的輸入端，冷卻水箱的輸入端通過(guò)導(dǎo)管連接冰帽的輸 出端，冷卻水栗和流量計(jì)都串聯(lián)在導(dǎo)管上，半導(dǎo)體制冷片的冷端與冷卻水箱緊貼，熱端與散 熱片緊貼，一個(gè)溫度探頭固定在冷卻水箱內(nèi)部，另一個(gè)耳蝸式溫度探頭插入患者耳蝸代表 患者腦溫，半導(dǎo)體制冷片、溫度探頭、冷卻水栗和控制面板都與單片機(jī)電路電連接;冷卻水 箱和冷卻水栗安裝在箱體內(nèi)部，控制面板安裝在箱體外表面。
[0007] 在冷卻水栗的栗送下，冷卻水箱內(nèi)經(jīng)半導(dǎo)體制冷片冷卻下來(lái)的冷卻水經(jīng)冷卻水栗 至冰帽，而后返回冷卻水箱的順序不斷循環(huán)，將制冷片的冷量不斷傳遞到冰帽中；同時(shí)，半 導(dǎo)體制冷片的熱面通過(guò)散熱片將熱量散發(fā)到外界環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)了制冷散熱的平衡，從而保 證了半導(dǎo)體制冷片的正常工作。
[0008]作為優(yōu)選，所述冷卻水箱為鋁制冷卻水箱，冷卻水箱內(nèi)部的溫度探頭用于測(cè)量冷 卻水的水溫，半導(dǎo)體制冷片的冷端通過(guò)導(dǎo)熱硅脂與冷卻水箱緊密貼合，半導(dǎo)體制冷片的熱 端通過(guò)導(dǎo)熱硅脂與散熱片緊密貼合散熱;冷卻水從冷卻水箱的下部輸入，上部輸出。
[0009] 作為優(yōu)選，所述冰帽由TPU(Thermoplastic polyurethanes，熱塑性聚氨酯彈性體 橡膠)材料制成，冰帽內(nèi)側(cè)面與患者頭皮和頸部貼合，冰帽兩側(cè)通過(guò)尼龍搭扣固定，冷卻水 流經(jīng)冰帽內(nèi)部的流路實(shí)現(xiàn)降溫，冰帽形狀為土字形。
[0010]流量計(jì)測(cè)量流入冰帽的冷卻水流量，當(dāng)實(shí)際流量高于設(shè)定值時(shí)，限制冷卻水流量， 保持流量維持在設(shè)定值附近。
[0011]作為優(yōu)選，腦部控溫裝置還包括三通閥，所述三通閥的其中兩路連接在冰帽冷卻 水的輸入流路中，另一路與冰帽冷卻水輸出流路相通，可以通過(guò)調(diào)節(jié)三通閥來(lái)控制流入冰 帽的冷卻水流量從而調(diào)節(jié)冰帽的膨脹程度，三通閥向冰帽的通路開(kāi)的越大則冷卻水越多， 冰帽膨脹程度也就越大，冰帽所包裹的空間越小，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)患者頭部的緊密貼合，并且不 會(huì)使冰帽過(guò)緊影響患者安全。
[0012] 本方案的顱腦亞低溫治療儀的工作模式為:設(shè)定患者腦溫或冷卻水溫，制冷片工 作，并且可以選擇該腦溫或冷卻水溫設(shè)定值在未來(lái)的0-96小時(shí)內(nèi)保持不變或緩慢上升/下 降至某一溫度，通過(guò)控制系統(tǒng)的相應(yīng)控制輸出使得最終腦溫或冷卻水溫度達(dá)到設(shè)定溫度。 可以通過(guò)設(shè)定變化曲線，使最終腦溫或冷卻水溫度依照變化曲線變化。
[0013] 本方案中，控制系統(tǒng)包括單片機(jī)電路和控制面板，單片機(jī)電路包括工業(yè)控制芯片， 以及相應(yīng)的ADC、PWM輸出模塊，單片機(jī)電路由輸入的溫度信號(hào)、設(shè)定溫度根據(jù)溫度控制方法 得出相應(yīng)的控制信號(hào)輸出，單片機(jī)電路與控制面板和其他器件電連接?？刂泼姘蹇梢燥@示 當(dāng)前冷卻水溫以及患者腦溫。
[0014] 作為優(yōu)選，單片機(jī)電路和控制面板安裝在箱體的上部，冷卻水箱、半導(dǎo)體制冷片和 冷卻水栗安裝在箱體的下部，箱體中間設(shè)有隔離板。
[0015] -種腦部控溫裝置溫度控制方法，基于模糊PID控制，包括以下步驟：
[0016] S11、設(shè)定期望腦溫或冷卻水溫，與采集到的實(shí)時(shí)腦溫或冷卻水溫比較，得到實(shí)際 誤差E和誤差變化率Ec作為模糊量輸入；
[0017] S12、根據(jù)模糊規(guī)則表，求出比例調(diào)節(jié)系數(shù)Kp、積分調(diào)節(jié)系數(shù)Ki和微分調(diào)節(jié)系數(shù)Kd， 而后采用重心法進(jìn)行逆模糊化處理，得到模糊PID控制器的輸出信號(hào)u;
[0018] S13、根據(jù)控制信號(hào)u輸出相應(yīng)的pwm波，通過(guò)改變占空比調(diào)節(jié)制冷片的制冷功率， 實(shí)現(xiàn)對(duì)腦溫或冷卻水溫的控制。
[0019] -種腦部控溫裝置溫度控制方法，基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，包括以下步驟：
[0020] S21、設(shè)定一組模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器FNNC的初始值，包括模糊語(yǔ)言變量個(gè)數(shù)、各個(gè) 模糊語(yǔ)言變量中心b、范圍m以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的連接權(quán)值ω ;
[0021] S22、設(shè)定期望的腦溫或冷卻水溫，與實(shí)際測(cè)得的腦溫或冷卻水溫比對(duì)，得到誤差Ε 以及誤差的變化率Ec，作為模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器FNNC的輸入；
[0022] S23、根據(jù)輸入的E和Ec，模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器FNNC輸出相應(yīng)的半導(dǎo)體制冷片控制 信號(hào)u;
[0023] S24、根據(jù)控制信號(hào)u輸出相應(yīng)的pwm波，通過(guò)改變占空比調(diào)節(jié)制冷片的制冷功率， 實(shí)現(xiàn)對(duì)腦溫或冷卻水溫的控制；
[0024] S25、根據(jù)誤差E調(diào)節(jié)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器FNNC各個(gè)參數(shù)，直至模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制 器FNNC與對(duì)象特性匹配。
[0025] 作為優(yōu)選，控制系統(tǒng)對(duì)于冷卻水栗進(jìn)行超馳控制，當(dāng)設(shè)定期望的腦溫或冷卻水溫， 與實(shí)際測(cè)得的腦溫或冷卻水溫誤差小于5 °C時(shí)，冷卻水栗的功率的50 % -80 %與制冷片制冷 功率的0-100%構(gòu)成線性對(duì)應(yīng)關(guān)系；當(dāng)溫度差大于6°C時(shí)，冷卻水栗功率保持100%的狀態(tài)， 冷卻水栗與流量計(jì)形成冗余流量控制，增強(qiáng)系統(tǒng)的安全性。
[0026] 本方案采用模糊PID以及模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法，因?yàn)閮x器的主要被控變量溫度 是一個(gè)純時(shí)滯較大的參數(shù)，系統(tǒng)也呈現(xiàn)典型的不確定性和非線性特征。這類系統(tǒng)一般很難 精確描述控制對(duì)象的傳遞函數(shù)或狀態(tài)方程，而常規(guī)的PID控制又難以取得良好的控制效果。 另外，單一的模糊控制雖不需要精確的數(shù)學(xué)模型，但是卻極易在平衡點(diǎn)附近產(chǎn)生小振幅振 蕩，從而使整個(gè)控制系統(tǒng)不能擁有良好的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。而模糊PID以及模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)則能夠很 好的克服以上問(wèn)題，得到一個(gè)良好的控制效果。
[0027] 本發(fā)明帶來(lái)的實(shí)質(zhì)性效果是，可以精確快速穩(wěn)定控制冰帽溫度，降低冰帽體積，針 對(duì)顱腦直接降溫，不易引起并發(fā)癥，能夠適應(yīng)不同的環(huán)境，制冷效率高，可靠性好，安全并且 節(jié)省能源。
【附圖說(shuō)明】
[0028]圖1是本發(fā)明的一種結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029] 圖2是本發(fā)明的一種模糊控制流程圖；
[0030] 圖3是本發(fā)明的一種模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖；
[0031 ]圖4是本發(fā)明的一種模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)方塊圖；
[0032] 圖5是本發(fā)明的一種冰帽圖；
[0033] 圖中：1:箱體，2:冷卻水箱，3:半導(dǎo)體制冷片，4:散熱片，5:冷卻水栗，6:冷卻水溫 度探頭，7:控制面板及單片機(jī)電路，8:導(dǎo)管，9:三通閥，10:冰帽，11:耳蝸溫度探頭，12流量 計(jì)。
【具體實(shí)施方式】
[0034] 下面通過(guò)實(shí)施例，并結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步具體的說(shuō)明。
[0035] 實(shí)施例:本實(shí)施例的一種腦部控溫裝置，如圖1所示，包括箱體1、制冷系統(tǒng)、控制系 統(tǒng)、冰帽10和三通閥9,制冷系統(tǒng)包括半導(dǎo)體制冷片3、散熱片4、冷卻水箱2、冷卻水栗5和流 量計(jì)12,控制系統(tǒng)包括控制面板及單片機(jī)電路7和冷卻水溫度探頭6、耳蝸溫度探頭11，冷卻 水箱的輸出端通過(guò)導(dǎo)管8連接冰帽的輸入端，冷卻水箱的輸入端通過(guò)導(dǎo)管連接冰帽的輸出 端，冷卻水栗串聯(lián)在導(dǎo)管上，半導(dǎo)體制冷片的冷端與冷卻水箱緊貼，熱端與散熱片緊貼，半 導(dǎo)體制冷片、溫度探頭、冷卻水栗和控制面板都與單片機(jī)電路電連接。冷卻水箱和冷卻水栗 安裝在箱體內(nèi)部，控制面板安裝在箱體外表面。
[0036] 半導(dǎo)體制冷片的產(chǎn)冷面通過(guò)一層具有高導(dǎo)熱性的導(dǎo)熱硅脂與鋁制冷卻水箱緊密 接觸，在冷卻水栗的栗送下，經(jīng)制冷片冷卻下來(lái)的冷卻水經(jīng)冷卻水栗一外接冰帽而后返回 的順序不斷循環(huán)，將制冷片的冷量不斷傳遞到冰帽中，同時(shí)，半導(dǎo)體制冷片的熱面通過(guò)散熱 片將熱量散發(fā)到外界環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)了制冷散熱的平衡，從而保證了半導(dǎo)體制冷片的正常工 作，冷卻水從冷卻水箱的下部輸入，上部輸出。
[0037] 所述冰帽由TPU(Thermoplastic polyurethanes，熱塑性聚氨酯彈性體橡膠）材料 制成，冰帽內(nèi)側(cè)面與患者頭皮和頸部貼合，冰帽兩側(cè)通過(guò)尼龍搭扣固定，冷卻水流經(jīng)冰帽內(nèi) 部的流路實(shí)現(xiàn)降溫，冰帽形狀為土字形，將冰帽包裹好患者的頭部。
[0038] 所述的流量計(jì)測(cè)量流入冰帽的冷卻水流量，當(dāng)實(shí)際流量高于某一設(shè)定值時(shí)，限制 冷卻水流量，保持流量維持在設(shè)定值附近。
[0039] 所述的控制系統(tǒng)對(duì)于冷卻水栗進(jìn)行超馳控制，當(dāng)設(shè)定期望的腦溫或冷卻水溫，與 實(shí)際測(cè)得的腦溫或冷卻水溫誤差小于5°C時(shí)，冷卻水栗功率由控制器一決定，其功率的 50%-80%與制冷片制冷功率的0-100%構(gòu)成線性對(duì)應(yīng)關(guān)系；當(dāng)溫度差大于6°C時(shí)，冷卻水栗 功率由控制器二決定，其功率保持100 %的狀態(tài)，全功率快速降溫，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻水栗產(chǎn) 熱以及患者制冷之間的平衡。冷卻水栗與流量計(jì)形成冗余流量控制，增強(qiáng)系統(tǒng)的安全性。
[0040] 所述腦部控溫裝置還包括三通閥，所述三通閥的其中兩路連接在冰帽冷卻水的輸 入流路中，另一路與冰帽冷卻水輸出流路相通，可以通過(guò)調(diào)節(jié)三通閥來(lái)控制流入冰帽的冷 卻水流量從而調(diào)節(jié)冰帽的膨脹程度，三通閥向冰帽的通路開(kāi)的越大則冷卻水越多，冰帽膨 脹程度也就越大，冰帽所包裹的空間越小，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)患者頭部的緊密貼合。
[0041] 所述腦部控溫裝置，設(shè)定患者腦溫或冷卻水溫，制冷片工作，并且可以選擇該腦溫 或冷卻水溫設(shè)定值在未來(lái)的0-96小時(shí)內(nèi)保持不變或緩慢上升/下降至某一溫度，通過(guò)控制 系統(tǒng)的相應(yīng)控制輸出使得最終腦溫或冷卻水溫達(dá)到設(shè)定溫度。
[0042] 所述的腦部控溫裝置，控制系統(tǒng)以及相應(yīng)的電路部分安裝在裝置的上部，制冷系 統(tǒng)安裝在裝置的下部，兩者相互隔離。
[0043] 本實(shí)施例的一種腦部控溫裝置溫度控制方法，基于模糊PID控制，包括以下步驟：
[0044] S11、設(shè)定期望腦溫或冷卻水溫，與采集到的實(shí)時(shí)腦溫或冷卻水溫比較，得到實(shí)際 誤差E和誤差變化率Ec作為模糊量輸入；
[0045] S12、根據(jù)模糊規(guī)則表，求出比例調(diào)節(jié)系數(shù)Kp、積分調(diào)節(jié)系數(shù)Ki和微分調(diào)節(jié)系數(shù)Kd， 而后采用重心法進(jìn)行逆模糊化處理，得到模糊PID控制器的輸出信號(hào)u;
[0046] S13、根據(jù)控制信號(hào)u輸出相應(yīng)的pwm波，通過(guò)改變占空比調(diào)節(jié)制冷片的制冷功率， 實(shí)現(xiàn)對(duì)腦溫或冷卻水溫的控制。
[0047]實(shí)際誤差E和誤差變化率Ec的計(jì)算公式如下：
[0048] E(k)=T(k)-Tc(k)
[0049] Ec(k)=E(k)-E(k-l) (1.1)；
[0050] 其中：T(k)為設(shè)定溫度在k時(shí)刻的值，Tc(k)為在k時(shí)刻采集的實(shí)時(shí)溫度。
[0051 ] 表1為模糊規(guī)則表，其中E和Ec對(duì)應(yīng)的兩列中，NB代表負(fù)大，匪代表負(fù)中等，NS代表 負(fù)小，Z0代表零，PS代表正小，PM代表正中等，1?代表正大;輸出信號(hào)U部分，1?代表正大，PM 代表正中等，PS代表正小，Z0代表零，NS代表負(fù)小，NM代表負(fù)中等，NB代表負(fù)大。
[0053] 表 1
[0054] 步驟SI2中，E和EC的基本論域?yàn)閇-6，+6]，將其離散成13個(gè)等級(jí)即[-6，-5，-4，-3，_ 2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6];將[-6，+6]分為負(fù)大[呢]、負(fù)中[匪]、負(fù)小[吧]、零[20]、正小 [PS]、正中[PM]和正大[PB]7個(gè)語(yǔ)言變量，然后由E和Ec隸屬函數(shù)根據(jù)最大值法得出相應(yīng)的 模糊變量；
[0055] 如圖2所示，選擇設(shè)定腦溫或冷卻水溫，與當(dāng)前腦溫或冷卻水溫的差值E以及差值 的變化率Ec輸入到模糊控制器中，根據(jù)設(shè)定好的模糊規(guī)則輸出控制信號(hào)控制半導(dǎo)體制冷片 來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻水溫或患者腦溫的控制。
[0056] 當(dāng)設(shè)定期望的腦溫或冷卻水溫，與實(shí)際測(cè)得的腦溫或冷卻水溫誤差小于5°C時(shí)，冷 卻水栗的功率的50 %-80 %與制冷片制冷功率的0-100 %構(gòu)成線性對(duì)應(yīng)關(guān)系；當(dāng)溫度差大于 6°C時(shí)，冷卻水栗功率保持100%的狀態(tài)，冷卻水栗與流量計(jì)形成冗余流量控制。
[0057] 實(shí)施例2:本實(shí)施例的一種腦部控溫裝置，結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1相同。
[0058] 本實(shí)施例的一種腦部控溫裝置溫度控制方法，基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，包括以下 步驟：
[0059] S21、設(shè)定一組模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器FNNC的初始值，包括模糊語(yǔ)言變量個(gè)數(shù)、各個(gè) 模糊語(yǔ)言變量中心b、范圍m以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的連接權(quán)值ω ;
[0060] S22、設(shè)定期望的腦溫或冷卻水溫，與實(shí)際測(cè)得的腦溫或冷卻水溫比對(duì)，得到誤差Ε 以及誤差的變化率Ec，作為模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器FNNC的輸入；
[0061] S23、根據(jù)輸入的E和Ec，模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器FNNC輸出相應(yīng)的半導(dǎo)體制冷片控制 信號(hào)u;
[0062] S24、根據(jù)控制信號(hào)u輸出相應(yīng)的pwm波，通過(guò)改變占空比調(diào)節(jié)制冷片的制冷功率， 實(shí)現(xiàn)對(duì)腦溫或冷卻水溫的控制；
[0063] S25、根據(jù)誤差E調(diào)節(jié)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器FNNC各個(gè)參數(shù)，直至模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制 器FNNC與對(duì)象特性匹配。
[0064]如圖3所示，模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由五層構(gòu)成，具體為:第一層輸入層，起到數(shù)據(jù)傳遞的作 用，輸入兩個(gè)變量xl(對(duì)應(yīng)誤差E)、x2(對(duì)應(yīng)誤差變化率Ec);第二層語(yǔ)言變量層，由若干個(gè)節(jié) 點(diǎn)構(gòu)成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)代表一個(gè)語(yǔ)言變量，用于計(jì)算各輸入分量屬于各語(yǔ)言變量值模糊集合的 隸屬度函數(shù)μ，
（此處i = 2，j為設(shè)定的節(jié)點(diǎn)數(shù)5)，其中b為模糊中心，m 為模糊范圍；第三層模糊規(guī)則層，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)代表一個(gè)模糊規(guī)則，用于計(jì)算每條規(guī)則的使用
;第四層歸一化層，實(shí)現(xiàn)變量的歸一化運(yùn)算，將數(shù)據(jù)歸一化到0-1之間， 得到歸一化值E;第五層輸出層，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)連接權(quán)系數(shù)ω實(shí)現(xiàn)清晰化運(yùn)算，輸出結(jié)果y，其中 模糊語(yǔ)言變量的個(gè)數(shù)、各個(gè)模糊語(yǔ)言變量的中心b，范圍m，以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的連接權(quán)值ω可以 任意初始化。
[0065]如圖4所示為模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)方塊圖，其中FNNC是一個(gè)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制 器，根據(jù)設(shè)定值與輸出值的誤差Ε并得到誤差的變化率Ec，輸入到模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器FNNC 中，根據(jù)控制信號(hào)u輸出相應(yīng)的pwm波，通過(guò)改變占空比調(diào)節(jié)制冷片的制冷功率，實(shí)現(xiàn)對(duì)腦溫 或水溫的控制，其中設(shè)定值與輸出值的誤差還通過(guò)最速下降法反向傳遞調(diào)節(jié)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 控制器中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)連接權(quán)值ω以及模糊部分參數(shù)中心值b、范圍m，最終實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)與被 控對(duì)象的匹配，加強(qiáng)控制效果。
[0066] 當(dāng)設(shè)定期望的腦溫或冷卻水溫，與實(shí)際測(cè)得的腦溫或冷卻水溫誤差小于5°C時(shí)，冷 卻水栗的功率的50 %-80 %與制冷片制冷功率的0-100 %構(gòu)成線性對(duì)應(yīng)關(guān)系；當(dāng)溫度差大于 6°C時(shí)，冷卻水栗功率保持100%的狀態(tài)，冷卻水栗與流量計(jì)形成冗余流量控制。
[0067] 本文中所描述的具體實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明精神作舉例說(shuō)明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng) 域的技術(shù)人員可以對(duì)所描述的具體實(shí)施例做各種各樣的修改或補(bǔ)充或采用類似的方式替 代，但并不會(huì)偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權(quán)利要求書(shū)所定義的范圍。
[0068] 盡管本文較多地使用了半導(dǎo)體制冷片、冰帽、模糊控制等術(shù)語(yǔ)，但并不排除使用其 它術(shù)語(yǔ)的可能性。使用這些術(shù)語(yǔ)僅僅是為了更方便地描述和解釋本發(fā)明的本質(zhì);把它們解 釋成任何一種附加的限制都是與本發(fā)明精神相違背的。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種腦部控溫裝置，其特征在于，包括箱體、冰帽、制冷系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，所述制冷系 統(tǒng)包括冷卻水箱、半導(dǎo)體制冷片、散熱片、冷卻水栗和流量計(jì)，所述控制系統(tǒng)包含單片機(jī)電 路、控制面板以及若干個(gè)溫度探頭;冷卻水箱的輸出端通過(guò)導(dǎo)管連接冰帽的輸入端，冷卻水 箱的輸入端通過(guò)導(dǎo)管連接冰帽的輸出端，冷卻水栗和流量計(jì)都串聯(lián)在導(dǎo)管上，半導(dǎo)體制冷 片的冷端與冷卻水箱緊貼，熱端與散熱片緊貼，一個(gè)溫度探頭固定在冷卻水箱內(nèi)部，另一個(gè) 耳蝸式溫度探頭插入患者耳蝸代表患者腦溫，半導(dǎo)體制冷片、溫度探頭、冷卻水栗和控制面 板都與單片機(jī)電路電連接;冷卻水箱和冷卻水栗安裝在箱體內(nèi)部，控制面板安裝在箱體外 表面。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種腦部控溫裝置，其特征在于，所述冷卻水箱為鋁制冷卻水 箱，半導(dǎo)體制冷片的冷端通過(guò)導(dǎo)熱硅脂與冷卻水箱緊密貼合，半導(dǎo)體制冷片的熱端通過(guò)導(dǎo) 熱娃脂與散熱片緊密貼合散熱;冷卻水從冷卻水箱的下部輸入，上部輸出。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種腦部控溫裝置，其特征在于，所述冰帽由ITU材料制 成，冰帽內(nèi)側(cè)面與患者頭皮和頸部貼合，冰帽兩側(cè)通過(guò)尼龍搭扣固定，冷卻水流經(jīng)冰帽內(nèi)部 的流路實(shí)現(xiàn)降溫，冰帽形狀為土字形。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種腦部控溫裝置，其特征在于，還包括三通閥，所述三通閥 的其中兩路連接在冰帽冷卻水的輸入流路中，另一路與冰帽冷卻水輸出流路相通。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種腦部控溫裝置，其特征在于，單片機(jī)電路和控制面板安裝 在箱體的上部，冷卻水箱、半導(dǎo)體制冷片和冷卻水栗安裝在箱體的下部，箱體中間設(shè)有隔離 板。6. -種腦部控溫裝置溫度控制方法，其特征在于:包括以下步驟， 511、 設(shè)定期望腦溫或冷卻水溫，與采集到的實(shí)時(shí)腦溫腦溫或冷卻水溫比較，得到實(shí)際 誤差E和誤差變化率Ec作為模糊量輸入； 512、 根據(jù)模糊規(guī)則表，求出比例調(diào)節(jié)系數(shù)Kp、積分調(diào)節(jié)系數(shù)Ki和微分調(diào)節(jié)系數(shù)Kd，而后 采用重心法進(jìn)行逆模糊化處理，得到模糊PID控制器的輸出信號(hào)u; 513、 根據(jù)控制信號(hào)u輸出相應(yīng)的pwm波，通過(guò)改變占空比調(diào)節(jié)制冷片的制冷功率，實(shí)現(xiàn) 對(duì)腦溫或冷卻水溫的控制。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種腦部控溫裝置，其特征在于，控制系統(tǒng)對(duì)于冷卻水栗進(jìn)行 超馳控制，當(dāng)設(shè)定期望的腦溫或冷卻水溫，與實(shí)際測(cè)得的腦溫或冷卻水溫誤差小于5°C時(shí)， 冷卻水栗的功率的50%-80%與制冷片制冷功率的0-100%構(gòu)成線性對(duì)應(yīng)關(guān)系；當(dāng)溫度差大 于6°C時(shí)，冷卻水栗功率保持100%的狀態(tài)，冷卻水栗與流量計(jì)形成冗余流量控制。8. -種腦部控溫裝置溫度控制方法，其特征在于，包括以下步驟： 521、 設(shè)定一組模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器FNNC的初始值，包括模糊語(yǔ)言變量個(gè)數(shù)、各個(gè)模糊 語(yǔ)言變量中心b、范圍m以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的連接權(quán)值ω ; 522、 設(shè)定期望的腦溫或冷卻水溫，與實(shí)際測(cè)得的腦溫或冷卻水溫比對(duì)，得到誤差Ε以及 誤差的變化率Ec，作為模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器FNNC的輸入； 523、 根據(jù)輸入的E和Ec，模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器FNNC輸出相應(yīng)的半導(dǎo)體制冷片控制信號(hào) u； 524、 根據(jù)控制信號(hào)u輸出相應(yīng)的pwm波，通過(guò)改變占空比調(diào)節(jié)制冷片的制冷功率，實(shí)現(xiàn) 對(duì)腦溫或冷卻水溫的控制； S25、根據(jù)誤差E調(diào)節(jié)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器FNNC各個(gè)參數(shù)，直至模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器 FNNC與對(duì)象特性匹配。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種腦部控溫裝置，其特征在于，其特征在于，控制系統(tǒng)對(duì)于 冷卻水栗進(jìn)行超馳控制，當(dāng)設(shè)定期望的腦溫或冷卻水溫，與實(shí)際測(cè)得的腦溫或冷卻水溫誤 差小于5°C時(shí)，冷卻水栗的功率的50%-80%與制冷片制冷功率的0-100%構(gòu)成線性對(duì)應(yīng)關(guān) 系；當(dāng)溫度差大于6°C時(shí)，冷卻水栗功率保持100 %的狀態(tài)，冷卻水栗與流量計(jì)形成冗余流量 控制。
【文檔編號(hào)】A61F7/12GK106063740SQ201610236008
【公開(kāi)日】2016年11月2日
【申請(qǐng)日】2016年4月15日 公開(kāi)號(hào)201610236008.7, CN 106063740 A, CN 106063740A, CN 201610236008, CN-A-106063740, CN106063740 A, CN106063740A, CN201610236008, CN201610236008.7
【發(fā)明人】張武明, 鄧?guó)櫝? 王穎哲, 熊先胤
【申請(qǐng)人】浙江大學(xué)