一种医疗仪器的温度控制方法和控制装置的研究

郑传权 ，陈鼎兴，黄雄京，刘博生，周凌宏

（1.南方医科大学 生物医学工程学院，广东 广州 510515；2.广东省东莞市厚街医院，广东 东莞 523945 ）

在体外诊断设备（in vitrodiagnostics,IVD）中，例如化学发光免疫分析仪，其测量过程，对温度都有一定的要求，一般反应需要在37℃左右的环境中进行。当温度超出范围时，会导致反应异常，最终造成测量结果出现异常。由于在仪器中，其反应过程一般都是在孵育盘中进行，因此，准确的保持孵育盘温度，对整个测量过程，具有重要的意义。

目前，对于温度的控制，主要是设定目标温度后，通过检测加热温度与目标温度之间的差异，实施对加热组件的控制。依据环境设定液体目标温度［1］，通过比较采集的液体温度和目标温度，来控制加热组件的工作状态［2］。但是这种方法，仅限于液体温度控制，且温度控制需通过传感器采集温度信息让处理器分析，处理效率不及时。

基于以上背景，针对液体温度控制和温度控制需通过传感器采集温度信息让处理器分析，处理效率不及时问题，研究一种新的温度控制方法和研发一种新型的温度控制装置。

1 研究一种温度控制方法和开发一种温度控制装置

1.1 研究温度控制方法

预先设定温度补偿曲线［3］，在实施温控时，只需要设定目标温度，将温度传感器采集到的温度信息代入温度补偿曲线中，计算所述孵育盘温度和所述环境温度的温度差，基于温度差和温度补偿曲线得出温度补偿值，根据温度补偿值，控制加热组件使孵育盘温度达到目标温度，若未达到目标温度，则重新获取温度补偿值，加热组件根据温度补偿值加热孵育盘，在整个的温度控制中，温度补偿曲线为不同的孵育盘温度和/或不同的环境温度的温度差所对应温度补偿值。

1.2 温度控制装置的研制

温度控制装置由恒温腔、孵育盘、加热组件、温度传感器以及温控器等组成［4］。其中孵育盘、温度传感器以及加热组件设置于恒温腔内；通过高温防火线将温控器与温度传感器以及加热组件电连接；加热组件用于对所述恒温腔内环境进行加热；温度传感器用于检测孵育盘温度和环境温度，并将孵育盘温度和环境温度发送至温控器。

温控器为比例-积分-微分（proportion integration differentiation,PID）温控器，温控器预设有温度补偿曲线，用于设定目标温度，计算孵育盘温度和环境温度的温度差，将温度差和目标温度代入温度补偿曲线得到温度补偿值，根据温度补偿值，控制加热组件加热孵育盘直至目标温度。

温度控制装置还包括温度保护开关，温度保护开关与温控器相连接［5］，温控器设置有保护温度，当孵育盘温度超出保护温度时，温度保护开关触发使所述加热组件停止加热。

加热组件悬挂于所述恒温腔内，加热组件由电加热片、陶瓷加热片、碳纤维加热片和硅胶加热片中的至少一种组成。

2 技术路线

图1 为温度控制装置示意图。温度控制装置用于提供并保持预定的温度环境［6］，本实施例中，温度控制装置为IVD（例如化学发光免疫分析仪）提供预定温度的测量环境。

图1 温度控制装置示意图

其中，温度控制装置，包括：恒温腔210、孵育盘220、加热组件230、温度传感器240 以及温控器250，孵育盘220、温度传感器240 以及加热组件230 设置于恒温腔210 内；温控器250 与温度传感器240 以及加热组件230 电连接。

温度控制方法流程见图2。

图2 温度控制方法流程图

温度控制方法：第一步，预设温度补偿曲线。温度补偿曲线为不同的孵育盘温度和/或不同的环境温度的温度差所对应温度补偿值，见图3。第二步，设定目标温度。第三步，获取孵育盘温度和环境温度，计算孵育盘温度和环境温度的温度差。第四步，基于温度差和温度补偿曲线得出温度补偿值。第五步，根据温度补偿值，控制加热组件加热孵育盘直至目标温度。

图3 温度补偿曲线图

本方案提供的温度控制方法和装置预先设定温度补偿曲线［7］，在实施温控时，只需要设定目标温度，将温度传感器采集到的温度信息代入温度补偿曲线中，获取温度补偿值，根据温度补偿值即可对孵育盘的温度进行控制，相对于传统的方法更加简单、快捷。

3 讨论

本研究的创新之处：通过预先设定的温度补偿曲线，实现温度的闭环动态控制，以得到更为精准的温度。具体解析研究成果如下：预先测定温度差（环境温度与孵育盘温度）与补偿量的关系，获得二者之间的补偿曲线；设定目标温度，获取环境温度以及孵育盘的温度；依据目标温度和孵育盘的温度差，通过预先测定的补偿曲线，获得孵育盘温度的补偿量；依据温度补偿值，对孵育盘实施温度控制；多次判断以确认孵育盘温度达到目标温度后，加热器停止工作。这些研究成果可以启发同行探究不同的温度补偿方式，以达到更为优秀的温控方法。本方案仅仅研究了升温（孵育盘等需要加热的部分）的补偿方式，后续可以进一步研究降温（试剂盘等需要制冷的部分）的补偿方式。

4 实验结果

在实验数据中设置了3 个环境温度（10℃、20℃,25℃），在这3 个温度之下，分别作出新旧两种方式的温度曲线来进行对比，通过SPSS 软件进行数据分析，并总结出测试数据，见图4、图5。

图4 不同环境温度时新旧两种控制方式下的温度曲线图

图5 不同温度梯度下的性能表现

改变为新控制方式后，加入了环境温度的因素，其优势如下：①相比原控制方式，在低温时，加热到目标温度（37±0.3）℃后稳定性更好；②在高温时，可以保持原控制方式的效果。也就是说，加入环境温度因素考量后，新控制方式能够提升低温时的加热稳定性。

5 结语

本研究基于目前IVD 行业中温控精准控制难题，利用预先设定的温度补充方式，综合考虑环境温度等因素，提出了一种温控补充的方式，通过预设温度补偿曲线，设定目标温度，获取孵育盘温度和环境温度，计算孵育盘温度和环境温度的温度差，根据温度补偿值即可对孵育盘的温度进行控制，简单、快捷。获得了更为精准的温度。后续可以据此研究，进一步探究其他升温过程中的温控补偿方式，也可以进一步探究温降的补偿方式。

该项研发于2018 年4 月申报了发明专利（专利申请号为CN201810354743.7，公开/公告号：CN108427452A），2021 年获得该发明专利的授权。此方案可以提升测试准确性，进一步降低测量误差，从而提升诊断的准确率，并节约医疗资源。此方案已经在亚辉龙化学发光仪器上的4 000 多台设备使用，效果反馈良好。