前庭双温试验中冷热水刺激仪温度控制的改进

陈月玲 张道宫 吕亚峰 樊兆民*

前庭双温试验即冷热试验，是一种针对眩晕疾病诊治的检查方法，检查中当外界环境温度低于10 ℃加热时间会加长，直接影响检查效率。通过分析前庭双温试验原理，改进前庭双温冷热水温度控制电路，从而减小误差，同时提升输出水温的稳定性及精准性。

1 前庭双温试验原理

向患者外耳道内灌注温度分别为30 ℃和44 ℃的冷热水，温度经热传导改变半规管对应点的内淋巴液温度，在半规管内淋巴液中形成温度差，进而形成密度差，在重力作用下形成有规律的流动，刺激壶腹嵴，产生眼震。观察分析不同耳别、不同温度刺激下产生的眼震强度、持续时间以及频次等参数，即可判断受试者前庭功能[1]。试验中注入冷热水的温度直接决定在半规管内淋巴液中形成的温度差，从而决定了密度差，与内淋巴液流动的程度直接相关，同时与产生眼震的强度直接相关。因此注入冷热水的温度直接影响试验结果，因此冷热水温度的准确性和稳定性非常重要。

2 设备现状与改进方法

2.1 设备现状

目前，多种冷热水刺激仪的结构基本相同，均有一级温度控制，在设备机箱内部有2个水箱，水箱的容量为1 L左右，其中一个水箱储存水的温度控制在30 ℃(试验意义上的冷水)，另一水箱内水的温度控制在44 ℃(试验意义上的热水)。工作时，通过电磁阀切换冷水或热水，隔膜泵将水泵出，经过长约2 m的管路流到手柄，操作人员将手柄上的软性管路插入受试者外耳道并将水灌注入。

由于灌注过程流经电磁阀、隔膜泵以及管路，在流动过程中其温度会发生变化，变化量与管路保温性能、长度及环境温度均有关系，可能造成灌注水温不准确。为此，分别测量室温为10 ℃和25 ℃时手柄出水口的水温，发现冷水温度变化约±0.3 ℃，热水温度变化约±0.5 ℃。基于上述原因，在设备手柄上设计第二级温度控制[2-3]。保留原有的2个水箱及温度控制，但将水箱内水温度略微调低，通过手柄上的二级温度控制进行二次加温，二次加温选用模拟量控制方式而不是开关量控制，既降低了灌注水的波动性，又降低了灌注水流经管路产生的降温及环境温度的影响[4]。

2.2 二级温控实现方案

(1)选用型号为MF51-503-3950(广东东莞星响电子科技有限公司)的负温度系数(negative temperature coefficient，NTC)热敏电阻为测温元件，其具有体积小、质量小、热容量小、热惯性小、方便安装和反应时间快等优点[5]。

NTC热敏电阻的电阻值随温度上升而下降，其电阻值(RT)的计算为公式1：

式中RT为当温度为T ℃时的电阻值，R25为温度25 ℃时的电阻值，B为温度系数。

MF51-503-3950的R25为50 kΩ，B为3950。通过公式(1)可以算出R30为40.18 kΩ，R44为22.59 kΩ。

(2)选用电阻分压网络为测温电路(如图1所示)[6-8]；测温电路电压(VT)的计算为公式2：

图1 测温电路图

式中VSS为供电电压，选用12 Vdc为供电电压。R0选用10 kΩ电阻，RT为热敏电阻D的电阻值。

(3)控温电路如图2所示，对应冷水或热水的参考电压(VREF)的计算为公式3：

图2 控温电路图

式中R0选用10 kΩ，针对冷水或热水R1分别选用与热敏电阻在30 ℃和44 ℃时阻值相同的电阻。

实际应用时，参考电压有2个分别对应冷水和热水，参考电压通过2选1开关选择后，供后续电路使用(如图3所示)。

图3 二级控温电路图

图3 中VT为测温电路的电压，VREF为对应冷水或热水的参考电压。R2和R3为10 kΩ，C1为0.1 μF电容，R4为4.7 MΩ，功率三极管为TIP127，RL为负载电阻即加热元件。

当水温低于设定温度时，VT＜VREF，运算放大器LM358[9]输出正电压驱动功率三极管打开，电流流过负载为水加热。当水温低于但接近设定温度时，运算放大器输出的电压正比于VREF-VT，流过负载的电流正比于VREF-VT，加热元件的发热功率正比于VREFVT。当水温等于或高于设定温度时，运放输出为零，功率三极管关闭，无电流流过负载，加热元件不加热[10]。以上设计避免开关控制加热元件产生的温度波动。

(4)加热元件。刺激仪水流量每秒＜6.25 ml，将冷水及热水水箱温度设置低于要求温度2 ℃内，加热元件需在1 s内将6.25 ml的水加热2 ℃，其功率P的计算为公式4：

式中ρ为水的密度，V为每秒流过水的体积，C为水的比热，ΔT为水升高的温度[11]。

根据上述公式计算出加热元件功率≥50 W，因此选用72 W电热丝绕制的电热棒作为加热元件，供电为12 Vdc，电阻为2 Ω，其计算为公式5：

式中R为加热元件的电阻值，U为供电电压，P为加热元件的功率。

(5)手柄结构。将内径为2 mm铜管紧密缠绕在棒状加热元件上，用环氧树脂固定，在铜管与加热棒的空隙处填满导热硅脂，铜管外侧用隔热材料包裹。测温元件紧贴在距加热元件上端(出水端)1/3处的铜管外侧与隔热包裹层之间，用环氧树脂固定。

3 效果分析

在室温条件下分别测试10次单次控温和二次控温后比较出水口冷热水的温度，其精准度和稳定度均得到相应提高，见表1。

表1 电路改进前后输出温度的比较(℃)

4 小结

前庭双温冷热水温度控制电路经过改进，采用模拟量控制二次控温设计，使灌注水的温度波动性误差实测值＜0.1 ℃。在接近灌注点的手柄上增加二次控温，避免了水流过管路造成的温度变化，也避免了环境温度的影响，使温度准确性误差＜0.2 ℃，整体温度的稳定性和精准性均明显提高，使用二级加热元件加快了升温速度，提高了检查效率。

然而，在手柄处增加电路控制存在不足，其与设备间有2 m左右的连线增加了故障概率；二级控温在长时间应用后的稳定性也有待检测观察，由于目前设备主机与手柄间连线较长造成使用不便也是今后前庭双温设备改进的研究方向。