專利名稱：皮膚溫度感覺刺激系統的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于醫療器械技術領域，特別是一種研究人體痛閾與耐痛閾的儀器。可用于正常與強磁場環境中的疼痛感覺研究、鎮痛效果評價、醫護人員對痛癥患者的輔助診斷與治療。
背景技術：
目前全世界每天約550萬人忍受癌痛的折磨，我國至少有一億以上的疼痛患者。疼痛，這種人類最原始的痛苦，已經成為全球醫藥行業共同關心的問題。科研機構對疼痛感覺研究和鎮痛效果的評價研究也越來越多。疼痛的研究是神經科學領域的熱點與難點問題，隨著影像學技術的進步，疼痛的研究迎來了前所未有的機遇。但基于功能磁共振成像技術的疼痛研究，需要有精確、可控的 疼痛刺激模式，且能夠與核磁環境兼容的實驗設備。目前只能采用激光刺激設備作為功能磁共振成像技術的疼痛刺激設備。這種激光刺激設備存在以下不足I)只能產生熱刺激但不能產生冷刺激；2)操作復雜、體積大、安全性不高、成本高；3)與上位機通信復雜，數據不開放。
實用新型內容本實用新型的目的在于針對上述激光刺激設備的不足，提出一種能夠提供冷熱刺激、操作簡單、安全性高、成本低的冷熱疼痛刺激儀，以實現在強磁場的核磁環境中根據實驗人員設定的冷熱刺激模式，進行疼痛刺激，并且把當前溫度數據和疼痛感覺實時傳輸到上位機中。為實現上述目的，本實用新型包括冷熱刺激頭I、保護網2、散熱水箱3、水泵4、儲水水箱5、嵌入式控制模塊6和上位機7 ;冷熱刺激頭I、散熱水箱3、水泵4和儲水水箱5通過水管依次相連，形成水循環系統；冷熱刺激頭I通過嵌入式控制模塊6與上位機7連接；所述的冷熱刺激頭1，包括導熱片11、制冷片13、水冷頭14、外殼15、繃帶17、紐扣18和隔熱墊19 ;制冷片13的一面黏貼導熱片11，另一面黏貼水冷頭14 ；制冷片13和水冷頭14置于導熱片11和外殼15組成的腔體內；隔熱墊19黏貼在外殼15的前面；繃帶17通過紐扣18固定在外殼15的背面；導熱片11置于人體皮膚上的刺激點；所述的嵌入式控制模塊6，包括嵌入式處理電路、D\A轉換電路、功率放大電路、電流轉向電路、限流保護電路、橋式電路、差分放大電路、A\D轉換電路和打分電路；該嵌入式處理電路根據上位機7中設置的刺激溫度，產生相應電壓數字信號，輸入給D\A轉換電路中轉換成模擬信號，再經過功率放大電路放大后輸入到電流轉向電路后，再經限流保護電路后輸入到制冷片13中，控制制冷片13的升溫或降溫，進而控制導熱片11溫度變化；該橋式電路將黏貼在導熱片11與制冷片13之間薄膜鉬熱電阻12的電阻值轉換成電壓值，傳輸到A\D轉換電路中轉換成數字信號，再傳輸到嵌入式處理電路中，把當前溫度值與設置溫度值相比較，判斷增加或減少電壓，同時嵌入式處理電路把當前溫度值傳輸到上位機7中存儲顯示；被試者根據當前的疼痛感移動滑動變阻器上的滑塊打分，該打分電路將滑動變阻器的阻值轉成電壓值，經過A\D轉換電路連接到嵌入式處理電路，嵌入式處理電路通過串口把打分值傳輸到上位機7中存儲顯示。上述系統，其特征在于水冷頭14包括進水口、出水口和內部溝道16 ;內部溝道16為M形狀，且與水冷頭14同一側的進水口和出水口連成通路。上述系統，其特征在于導熱片11是采用紫銅材料做成的厚度為8mm的凸字形薄片，分為上下兩層，且上層的面積為下層面積的二分之一；上層的周圍套有回字形的隔熱墊19。上述系統，其特征在于外殼15由3mm純銅薄板加工而成，且背面的中心處焊有純銅質紐扣18。 上述系統，其特征在于橋式電路由薄膜鉬熱電阻12和三個等值電阻連接組成。上述系統，其特征在于連接冷熱刺激頭I的水管、薄膜鉬熱電阻12的引線和制冷片13的引線均置于在保護網12內。上述系統，其特征在于打分電路包括滑動變阻器、分壓電阻和由純銅材料做成的屏蔽外殼；屏蔽外殼上裝有滑塊并標有滑塊軌道刻度，滑塊連接滑動變阻器。上述系統，其特征在于嵌入式處理電路，包括STM32處理器、JTAG接口電路、實時時鐘電路和串口通信電路JTAG接口電路、實時時鐘電路分別與STM32處理器連接，STM32處理器通過串口通信電路與上位機7相連。上述系統，其特征在于電流轉向電路，包括共集電極放大電路和繼電器；共集電極放大電路的輸入連接STM32處理器，輸出連接繼電器。上述系統，其特征在于限流保護電路由自動恢復保險絲和電阻串聯構成。本實用新型具有如下優點I、本實用新型由于將冷熱刺激頭的部件裝配在銅質殼體內，不僅體積小、方便操作，而且保證冷熱刺激頭在核磁環境中的正常使用。本實用新型由于采用半導體制冷片產熱或制冷，不僅使升溫或降溫的階躍性好，并且安全性高。2、本實用新型采用水循環來保持水冷頭溫度的穩定，進而保持制冷片的下表面溫度保持穩定，保證冷熱刺激頭長時間的正常工作。3、本實用新型的嵌入式控制模塊采用負反饋的方式控制制冷片的溫度，使刺激溫度更準確。本實用新型由于設有限流保護電路，可以有效的防止電路故障導致制冷片過熱或過冷對被試者產生的燙傷或凍傷。4、本實用新型由于采用上位機設定刺激溫度，實驗人員可以根據實際需要在上位機中設定具體的刺激溫度，并且可以把刺激溫度和被試者疼痛感覺實時傳輸到上位機中存儲顯示，便于實驗分析。
圖I是本實用新型的整體結構示意圖；圖2是本實用新型中的冷熱刺激頭結構示意圖；圖3是本實用新型中的嵌入式控制模塊原理圖。
具體實施方式
下面將結合附圖對本實用新型的實施原理及使用進行詳細的介紹。參照圖1，本實用新型系統，包括冷熱刺激頭I、保護網2、散熱水箱3、水泵4、儲水水箱5、嵌入式控制模塊6和上位機7 ;冷熱刺激頭I、散熱水箱3、水泵4和儲水水箱5通過水管依次相連，形成水循環系統；冷熱刺激頭I通過嵌入式控制模塊6與上位機7連接。冷熱刺激頭I流出的水先在散熱水箱中降溫后再流入儲水水箱，減少儲水水箱溫度的變化，維持冷熱刺激頭I流入水溫度的穩定，保證冷熱刺激頭I長時間正常工作。嵌入式控制模塊6根據上位機7設置的刺激溫度控制冷熱刺激頭I對人體皮膚進行刺激，該實際刺激溫度和疼痛感覺的分值又經嵌入式控制模塊6傳輸到上位機7中存儲顯示，以供實驗人員根據該實際刺激溫度和疼痛感覺的分值對人體的疼痛感覺研究和藥物的鎮痛效果評價。采用Im長水管連接核磁環境中的冷熱刺激頭I與水循環系統中的其他設備，有效地減少了需要屏蔽強磁信號的部件；連接水冷頭14的水管、制冷片13引線、薄膜鉬熱電阻·12引線均置于保護網2的內部，形成一個整體，方便操作；參照圖2，冷熱刺激頭1，它包括導熱片11、制冷片13、水冷頭14、外殼15、繃帶17、紐扣18和隔熱墊19 ;導熱片11由紫銅材料加工成厚度為8mm的凸字形薄片，分為上下兩層，上層為邊長28mm的方形薄片，下層為邊長40mm的方形薄片，上層的面積為下層面積的二分之一，下層利用導熱硅脂黏貼在半導體制冷片13的上面，且導熱片11與制冷片13之間夾有薄膜鉬熱電阻12 ;回字形橡膠隔熱墊19套在導熱片11上層的外部，橡膠隔熱墊的高度不超過導熱片11上層的高度，并黏貼在由3mm純銅薄板加工廠的外殼15上，以防止外殼15與皮膚接觸，影響刺激效果。繃帶17通過純銅質紐扣18固定在純銅質外殼15的背面中心處，繃帶17起到固定冷熱刺激頭I的作用，減少工作時冷熱刺激頭I的晃動。外殼15與導熱片11形成封閉的腔體，能夠有效的屏蔽外部環境中的強磁信號，保護內部的薄膜鉬熱電阻12和制冷片13。該制冷片13是根據珀爾貼效應原理由N型半導體和P型半導體組成的熱點半導體制冷組件，制冷片13的加熱和制冷兩種功能，由正向與反向電流來控制；并且工作時不需要制冷劑、沒有旋轉部件，具有無污染、無噪聲、壽命長的優點。制冷片13的底面通過導熱硅脂黏貼在純銅質水冷頭14上，水冷頭14內部有M形溝道16，M形溝道16可以增加水冷頭14的水容量,進而提高水冷頭14的熱交換效率；進水口與出水口置于水冷頭14的同一側；溝道16的一端連接進水口，另一端連接出水口，形成通路。參照圖3，嵌入式控制模塊F，它包括嵌入式處理電路、D\A轉換電路、功率放大電路、電流轉向電路、限流保護電路、橋式電路、差分放大電路、A\D轉換電路和打分電路。其中嵌入式控制電路，包括STM32處理器、JTAG接口電路、實時時鐘電路和串口通信電路；STM32處理器是基于ARM公司Cortex_M3內核架構的嵌入式處理器JTAG接口電路、實時時鐘電路分別與STM32處理器連接，STM32處理器通過串口通信電路與上位機7相連；嵌入式控制電路分別與D\A轉換電路、電流轉向電路和A\D轉換電路相連。D\A轉換電路，由12位數模轉換芯片及周邊電路組成，D\A轉換電路連接功率放大電路。功率放大電路，由大電流型場效應管功率放大器及周邊電路構成,功率放大電路連接電流轉向電路中繼電器的動觸點。電流轉向電路由共集電極放大電路與繼電器構成，共集電極放大電路的輸入連接STM32處理器，輸出連接繼電器；繼電器的四個靜觸點交叉連接形成兩個輸出端，兩個輸出端與限流保護電路連接。限流保護電路由自動恢復保險絲和電阻串聯構成。自動恢復保險絲是一種采用高分子有機聚合物在高壓、高溫，硫化反應的條件下摻加導電粒子材料后，經過特殊工藝加工而成的過流電子保護元件。A\D轉換電路采用12位逐次比較型轉換結構，分別與差分放大電路和打分電路連接；差分放大電路連接橋式電路，橋式電路由薄膜鉬熱電阻2和三個等值電阻連接組成。薄膜鉬熱電阻2是利用鉬絲的電阻值隨溫度的變化而變化的原理，并采用激光噴鍍、顯微鏡照相、平板印刷光刻等先進高科技方法，且阻值用數字修整方式作出微調的溫度傳感器；具有體積細小、響應時間快、精度高、穩定性好等優點。打分電路包括滑動變阻器、分壓電阻和由純銅材料做成的屏蔽外殼；屏蔽外殼上裝有滑塊并標有滑塊軌道刻度，滑塊連接滑動變阻器；被試者可以移動滑塊對痛感進行打分；本實用新型的工作原理如下將冷熱刺激頭I的導熱片11置于核磁環境中環境中被試者皮膚上的刺激點，并用繃帶17固定好冷熱刺激頭1，打分電路置于被試者手邊。打開電源，水循環開始工作，保證在工作時冷熱刺激頭I的水冷頭14中水溫的穩定。在上位機7中設定刺激溫度，嵌入式控制電路根據上位機設定的刺激溫度，控制D\A轉換電路把溫度電壓的數字信號轉換成模擬信號，經過功率放大電路輸入到電流轉向電路中，再經過限流保護電路后輸入到制冷片13中，控制制冷片13的升溫或降溫，進而控制導熱片11的溫度；橋式電路將黏貼在導熱片11與制冷片13之間薄膜鉬熱電阻12的電阻值轉換成電壓值，傳輸到A\D轉換電路中轉換成數字信號，再傳輸到嵌入式處理電路中，把當前測得溫度值與上位機中設置溫度值相比較，嵌入式處理電路判斷增加或減少溫度電壓，同時把當前測得溫度值傳輸到上位機7中存儲顯不。被試者根據當前的疼痛感移動打分電路上的滑塊打分，滑塊與滑動變阻器相連，打分電路將變化的阻值通過A\D轉換電路連接嵌入式控制電路，把打分值傳輸到上位機中存儲顯示。當上位機中設置的冷刺激與熱刺激發生轉換時，嵌入式控制電路控制電流轉向電路，使繼電器的開關狀態翻轉，改變限流保護電路中電流的方向，進而改變制冷片13中的電流流向，使制冷片13的加熱和制冷功能翻轉；上位機中存儲顯示的實際測得溫度值和疼痛感覺的分值，以供實驗人員對人體的疼痛感覺研究和藥物的鎮痛效果評價。
權利要求1.一種皮膚溫度感覺刺激系統，其特征在于，包括冷熱刺激頭(I)、保護網(2)、散熱水箱(3 )、水泵(4 )、儲水水箱(5 )、嵌入式控制模塊(6 )和上位機(7 );冷熱刺激頭(I)、散熱水箱(3)、水泵(4)和儲水水箱(5)通過水管依次相連，形成水循環系統；冷熱刺激頭(I)通過嵌入式控制模塊(6)與上位機(7)連接； 所述的冷熱刺激頭(1)，包括導熱片(11)、制冷片(13)、水冷頭(14)、外殼(15)、繃帶(17)、紐扣(18)和隔熱墊(19);制冷片(13)的一面黏貼導熱片(11)，另一面黏貼水冷頭(14);制冷片(13)和水冷頭(14)置于導熱片(11)和外殼(15)組成的腔體內；隔熱墊(19)黏貼在外殼(15)的前面；繃帶(17)通過紐扣(18)固定在外殼(15)的背面；導熱片(11)置于人體皮膚上的刺激點； 所述的嵌入式控制模塊(6)，包括嵌入式處理電路、D\A轉換電路、功率放大電路、電流轉向電路、限流保護電路、橋式電路、差分放大電路、A\D轉換電路和打分電路；該嵌入式處理電路根據上位機(7)中設置的刺激溫度，產生相應電壓數字信號，輸入給D\A轉換電路中轉換成模擬信號，再經過功率放大電路放大后輸入到電流轉向電路后，再經限流保護電路后輸入到制冷片(13)中，控制制冷片(13)的升溫或降溫，進而控制導熱片(11)溫度變化；該橋式電路將黏貼在導熱片(11)與制冷片(13)之間薄膜鉬熱電阻(12)的電阻值轉換成電壓值，傳輸到A\D轉換電路中轉換成數字信號，再傳輸到嵌入式處理電路中，把當前溫度值與設置溫度值相比較，判斷增加或減少電壓，同時嵌入式處理電路把當前溫度值傳輸到上位機(7)中存儲顯示；被試者根據當前的疼痛感移動滑動變阻器上的滑塊打分，該打分電路將滑動變阻器的阻值轉成電壓值，經過A\D轉換電路連接到嵌入式處理電路，嵌入式處理電路通過串口把打分值傳輸到上位機(7)中存儲顯示。
2.如權利要求I所述的皮膚溫度感覺刺激系統，其特征在于水冷頭(14)包括進水口、出水口和內部溝道(16 );內部溝道(16 )為M形狀，且與水冷頭(14 )同一側的進水口和出水口連成通路。
3.如權利要求I所述的皮膚溫度感覺刺激系統，其特征在于導熱片(11)是采用紫銅材料做成的厚度為8mm的凸字形薄片，分為上下兩層，且上層的面積為下層面積的二分之一；上層的周圍套有回字形的隔熱墊(19)。
4.如權利要求I所述的皮膚溫度感覺刺激系統，其特征在于外殼(15)由3mm純銅薄板加工而成，且背面的中心處焊有純銅質紐扣(18)。
5.如權利要求I所述的皮膚溫度感覺刺激系統，其特征在于橋式電路由薄膜鉬熱電阻(12)和三個等值電阻連接組成。
6.如權利要求I所述的皮膚溫度感覺刺激系統，其特征在于連接冷熱刺激頭(I)的水管、薄膜鉬熱電阻(12)的引線和制冷片(13)的引線均置于在保護網(12)內。
7.如權利要求I所述的皮膚溫度感覺刺激系統，其特征在于打分電路包括滑動變阻器、分壓電阻和由純銅材料做成的屏蔽外殼；屏蔽外殼上裝有滑塊并標有滑塊軌道刻度，滑塊連接滑動變阻器。
8.如權利要求I所述的皮膚溫度感覺刺激系統，其特征在于嵌入式處理電路，包括STM32處理器、JTAG接口電路、實時時鐘電路和串口通信電路JTAG接口電路、實時時鐘電路分別與STM32處理器連接，STM32處理器通過串口通信電路與上位機(7)相連。
9.如權利要求I所述的皮膚溫度感覺刺激系統，其特征在于電流轉向電路，包括共集電極放大電路和繼電器；共集電極放大電路的輸入連接STM32處理器，輸出連接繼電器。
10.如權利要求I所述的皮膚溫度感覺刺激系統，其特征在于限流保護電路由自動恢復保險絲和電阻串聯構成。
專利摘要本實用新型公開了一種皮膚溫度感覺刺激系統，主要解決在核磁環境中現有激光刺激設備不能制冷、操作復雜、成本高的問題。它包括冷熱刺激頭(1)、保護網(2)、散熱水箱(3)、水泵(4)、儲水水箱(5)、嵌入式控制模塊(6)和上位機(7)；冷熱刺激頭(1)、散熱水箱(3)、水泵(4)和儲水水箱(5)通過水管依次相連，形成水循環系統；冷熱刺激頭(1)通過嵌入式控制模塊(6)與上位機(7)連接。嵌入式控制模塊(6)根據上位機(7)設置的刺激溫度控制冷熱刺激頭(1)對人體皮膚進行刺激，該實際刺激溫度和疼痛感覺的分值經嵌入式控制模塊(6)傳輸到上位機(7)中存儲顯示。本實用新型具有易于操作、使用安全的優點，可用于核磁環境中的對疼痛感覺的研究和鎮痛效果的評價。
文檔編號A61F7/00GK202699376SQ20122014324
公開日2013年1月30日 申請日期2012年4月7日 優先權日2012年4月7日
發明者秦偉, 劉鵬, 朱振營, 胡凱, 何嘉全, 田捷 申請人:西安電子科技大學