用于控制溫度的系統和方法與流程

本發明涉及用于皮膚加熱的小型化控制器的領域。具體而言，本發明涉及用于控制溫度的系統和方法。

背景技術：

神經肌肉疾病、copd和肥胖的換氣過度患者常常存在慢性呼吸衰竭的問題。所述患者需要在家對他們的呼吸衰竭進行定期處理。低氧性患者通常在沒有通氣機支持的情況下通過氧氣冶療進行處置，而通過利用環境空氣的無創通氣進行的處置幫助將高碳酸血患者的高二氧化碳血氣水平帶回到可接受的水平。在夜間niv期間通氣的效率通過測量動脈氧氣和二氧化碳水平中的基線和趨勢來檢查。

在家使用經皮的co2傳感器而不是動脈血氣體分析。動脈血氣體分析被廣泛使用，但是需要由專業人員取得的樣本，是疼痛的并且可能具有并發癥。經皮的co2傳感器被接受用于住所護理并且也在醫院中用于co2監測。

為了根據所測量的-皮膚的-co2分壓導出經皮的co2，必須考慮傳感器溫度與37℃的動脈血溫度之間的差。此外，從測量值減去偏移以補償在某種程度上隨著皮膚溫度變化的皮膚新陳代謝。

皮膚的動脈血化對于經皮的血氣測量結果獲得反映動脈co2氣體水平的經皮值是必要的。現有技術基于通過加熱傳感器表面下面的皮膚造成的動脈血化。在當前可用的經皮系統中，針對穩定的動脈血化的最小傳感器溫度是42℃并且所要求的加熱功率是最大～500mw，其主要需要補償血流的冷卻效應。

防止皮膚燒傷是皮膚加熱中的主要關心問題。由于加熱器是dc耦合的，因而例如驅動電路或軟件錯誤中的電子故障可能導致不可控制的加熱器電流。為了保護這樣的情況下，大量的硬件被添加到主溫度控制回路。

化學光學傳感器材料可以經皮地被應用以測量co2。化學光學傳感器可以包括以下項：在光學透明載體材料上，沉積兩層“類似硅橡膠的”氣體滲透材料。第一層(感測層)包括作為化學緩沖材料的兩種熒光染料的混合物；即，具有長熒光壽命的參考染料以及具有短壽命的ph靈敏的指示劑染料。第二層(膜)包括光反射材料(tio2)顆粒并且防止離子傳輸到感測層和從感測層傳輸。co2氣體擴散通過所述膜到第一層中并且改變ph，其改變來自指示劑染料的熒光。通過雙壽命參考技術，有效地測量對調制光激發的時間響應，計算百分比co2氣體。初看起來，這些傳感器斑點的性質針對國內市場的一次性經皮傳感器設備的設計看起來在以下方面具有明顯的優點：動態范圍、預校準、針對偏離溫度的補償、穩定性和成本效益。

皮膚加熱和接觸液體對于實現足夠并且穩定的皮膚動脈血化是必要的。出于該目的，必須在40～45℃之間的范圍中準確地控制傳感器溫度。在理想情況下，預見的夜間經皮co2監測系統是可穿戴的、優選地無繩的并且具有小的形狀因子。

技術實現要素：

可以存在對改進用于皮膚加熱的小型化的、固有地安全的控制器以及用于控制溫度的設備和方法的需要。

通過所述獨立權利要求的主題滿足這樣的需要。根據從屬權利要求和以下說明，其他示范性實施例是顯而易見的。

本發明的方面涉及一種用于控制溫度的系統，所述系統包括：溫度傳感器模塊，其被配置為測量溫度值；微控制器模塊，其被耦合到所述溫度傳感器模塊并且被配置為基于測得的溫度值通過分離的順序代碼步驟來生成ac加熱脈沖信號；耦合模塊，其被耦合到所述微控制器模塊并且被配置為使用針對dc信號分量基本上為零的傳遞函數來將所生成的ac加熱脈沖信號轉換為經轉換的ac加熱脈沖信號；以及加熱模塊，其被耦合到所述耦合模塊并且被配置為根據所述經轉換的ac加熱脈沖信號來生成熱。

所述微控制器模塊被配置為通過分離的順序代碼步驟生成ac加熱脈沖信號，換句話說，基本上所生成的輸出功率在ac耦合之后通過占空比每加熱脈沖、占空比每熱控制回路周期(加熱脈沖的數目)或頻率來調制。

本發明有利地提供用于恒溫地控制溫度的系統。本發明有利地提供經由耦合器件來控制耗散加熱元件，其中，ac電流可以流動通過耦合裝置。

本發明不限于僅經皮感測，而且可以擴展到針對健康護理以及其他中的耗散元件的任何控制。范例是：消融導管、電子加熱片、用于測量例如身體核心溫度的零熱通量溫度傳感器、針對光應用的曝光控制裝置、針對類似定位伺服的機械致動器的控制器等。

換句話說：在機械致動器的情況下，本發明有利地限制了由不同的代碼步驟所生成的能量分組或加熱脈沖可以生成熱或能量。本發明有利地使用以串行或順序方式操作的軟件模塊。換句話說，沒有并行處理或多核處理器或硬連線脈沖發生器被使用以便保證任何掛起將停止加熱脈沖的生成。

本發明有利地提供增加的安全水平，因為任何軟件問題將導致歸因于以下事實的較少的功率輸出：僅電流波動或加熱脈沖能夠生成熱。由于每個單個加熱脈沖要求不同的代碼步驟的執行，因而代替簡單地控制硬連線脈沖寬度或頻率調制器，軟件掛起將不引起任何傷害。

所述經皮co2傳感器模塊可以包括兩個部分：包括所述化學光學傳感器材料的一次性石膏。所述第二部分包括光學讀出和溫度控制系統。可選地，加熱模塊可以是一次性(石膏)的一部分，耦合(電容性/電感性)到非一次性部分的ac。

如由本發明所使用的術語ac或dc可以分別是指交流電(ac，亦作ac)或直流電(dc，亦作dc)。在ac的情況下，電荷的流動周期性地反轉方向。在直流中，電荷的流動僅在一個方向上。縮寫ac和dc如在其修飾電流或電壓時常常被用于簡單地意指交流和直流的。

本發明有利地允許適應于由驅動電路所生成的(例如，由于部件故障所生成的)任何dc偏移。

本發明有利地允許通過對硬件沖突(hardwarebuck)(諸如adc故障、系統時鐘故障或溫度傳感器短路或任何其他故障)的軟件檢測實現附加的安全性。

本發明由于最小數目的電子部件和單個供電電壓的使用而有利地提供了小型化。

根據本發明的另一第二方面，本發明提供了一種醫學系統，包括根據所述第一實現方案形式或根據所述第一實現方案的任何實施例的系統。

根據本發明的另一第三方面，提供了一種用于控制溫度的方法，所述方法包括以下步驟：借助于溫度傳感器模塊測量溫度值；借助于微控制器模塊基于所測量的所述ac加熱脈沖信號，通過分離的順序代碼步驟來生成ac加熱脈沖信號；借助于耦合模塊使用針對dc信號分量基本上為零的傳遞函數來將所生成的ac加熱脈沖信號轉換為經轉換的ac加熱脈沖信號；并且借助于加熱模塊根據經轉換的ac加熱脈沖信號來生成熱。

如由本發明所使用的術語“針對dc信號分量基本上零”可以是指針對dc分量小于0.1或小于0.05的傳遞函數，例如，由此dc意指所述分量的頻率小于1hz或優選地小于0.5hz或特別地優選的小于0.1hz。這有利地允許以數字的和脈沖的和安全的方式以量化的數量來生成熱。

根據本發明的示范性實施例，所述加熱模塊被配置為根據以1μs與500ms之間、優選地2μs與30ms之間并且特別地優選的5μs與100μs之間的時間間隔的形式的經轉換的ac脈沖信號來生成熱。這有利地允許以數字的和脈沖的和安全的方式以量化的數量生成熱。

根據本發明的示范性實施例，所述微控制器模塊是多核或單核處理器并且被配置為在順序處理模式中操作。換句話說，在以一個單核處理器的形式的微控制器模塊上執行用于基于測得的溫度值來生成所述ac加熱脈沖信號的代碼。這有利地允許操作所述微控制器的安全并且可靠的方式，避免系統故障或系統掛起引起不需要的能量供應。

根據本發明的示范性實施例，所述耦合模塊被配置為將所述dc信號分量衰減到輸入dc信號分量的小于4％的值、優選地輸入dc信號分量的小于2％的值和優選地輸入dc信號分量的小于0.5％的值。這有利地限制在dc錯誤情況的情況下經由所述耦合模塊提供最大加熱水平。

根據本發明的示范性實施例，所述微控制器模塊被配置為使用占空比調制基于測得的溫度值來生成所述ac加熱脈沖信號。

換句話說，所述微控制器模塊被配置為執行和進行占空比調制(例如，根據加熱脈沖來控制溫度)，其中，調制所述加熱脈沖中的每一個的所述占空比。

根據本發明的示范性實施例，所述微控制器模塊被配置為根據適配到所計算的數量的所請求的熱能的熱控制循環周期來控制所生成的ac加熱脈沖信號的數目。這有利地允許生成熱和控制所生成的熱量的精確的方式。

根據本發明的示范性實施例，所述微控制器模塊被配置為控制適配到所計算的數量的所請求的熱能的所生成的ac加熱脈沖的所述占空比。

根據本發明的示范性實施例，所述微控制器模塊被配置為使用頻率調制基于測得的溫度值，生成所述ac加熱脈沖信號的時間周期。

換句話說，所述微控制器模塊被配置為執行頻率調制或加熱脈沖周期調制。與高通或帶通耦合特性相組合，所耗散的電力取決于所述加熱脈沖的頻率。

根據本發明的示范性實施例，所述微控制器模塊被配置為控制適配于所計算的量的所請求的熱能的、所生成的ac加熱脈沖的周期時間。這有利地允許熱生成的安全并且可靠的方式。

根據本發明的示范性實施例，所述微控制器模塊被配置為控制所生成的ac加熱脈沖信號的頻率或幅度。

根據本發明的示范性實施例，所述加熱模塊是電阻元件或電阻器或任何其他熱生成設備。

根據本發明的示范性實施例，所述耦合模塊是電容器或電感器或變壓器。這有利地提供所述微處理器模塊和所述加熱模塊的安全耦合。

根據本發明的示范性實施例，所述耦合模塊包括驅動電路。這有利地提供安全耦合，即，所述微處理器模塊可以被用于控制另一電路或其他部件(諸如高功率晶體管)以便對所述加熱模塊供電。

根據本發明的示范性實施例，所述驅動電路是h橋電路。

根據本發明的示范性實施例，所述微控制器模塊包括模擬輸入。所述溫度傳感器模塊被耦合到所述模擬輸入。

可以將執行本發明的所述方法的計算機可讀存儲在計算機可讀介質上。計算機可讀介質可以是軟盤、硬盤、cd、dvd、usb(通用串行總線)存儲設備、ram(隨機存取存儲器)、rom(只讀存儲器)和eprom(可擦可編程只讀存儲器)。計算機可讀介質還可以是數據通信網絡(例如，因特網)，其允許下載程序代碼。

本文所描述的所述方法、系統和設備可以被實現為微控制器或任何其他端處理器中的數字信號處理器dsp中的軟件或專用集成電路asic內的硬件電路。

本發明可以被實現為數字電子電路或計算機硬件、固件、軟件或其組合，例如，設備或醫學設備的可用硬件或專用于處理本文所描述的方法的新硬件。

通過參考以下示意性繪圖(未按比例繪制)將更清楚地理解本發明的更完整的理解和其優點。

附圖說明

圖1示出了根據本發明的示范性實施例的用于控制溫度的系統的示意圖；

圖2示出了根據本發明的另一示范性實施例的用于控制溫度的系統的示意圖；

圖3示出了根據本發明的另一示范性實施例的用于控制溫度的系統的示意圖；

圖4示出了根據本發明的另一示范性實施例的用于控制溫度的系統的示意圖；

圖5示出了用于解釋本發明的電壓對時間示圖；

圖6示出了用于解釋本發明的電壓對時間示圖；

圖7示出了根據本發明的另一示范性實施例的用于控制溫度的系統的示意圖；

圖8示出了根據本發明的示范性實施例的醫學系統的示意圖；并且

圖9示出了根據本發明的示范性實施例的用于控制溫度的方法的流程圖的示意圖。

具體實施方式

附圖中的圖示僅是示意性的并且不旨在提供比例關系或大小信息。在不同的附圖或圖片中，類似或者相同元件提供有相同附圖標記。一般地，相同部分、單元、實體或步驟在說明書中被提供有相同的附圖標記。圖1示出了根據本發明的示范性實施例的用于控制溫度的系統的示意圖。

控制溫度的系統100可以包括溫度傳感器模塊10、微控制器模塊20、耦合模塊30和加熱模塊40。

溫度傳感器模塊10可以被配置為測量溫度值。

微控制器模塊20可以被耦合到溫度傳感器模塊10并且可以被配置為基于所測量的溫度值，通過分離的順序代碼步驟來生成ac加熱脈沖信號。

耦合模塊30可以被耦合到微控制器模塊20并且可以被配置為使用針對dc信號分量基本上為零的傳遞函數來將所生成的ac加熱脈沖轉換為經轉換的ac加熱脈沖信號。

微控制器模塊30可以被配置為使用數字模擬轉換器來控制所生成的ac加熱脈沖信號的幅度。

加熱模塊40可以被耦合到耦合模塊30并且可以被配置為根據經轉換的ac加熱脈沖信號來生成熱。

被用作微控制器模塊20的微控制器(或微處理器μp)可以包括模擬輸入22和數字輸出電容，所述模擬輸入耦合到被用作溫度傳感器模塊10的溫度傳感器，所述字輸出電容被用作耦合模塊30可以被耦合到被用作加熱模塊40的加熱器電阻器。軟件控制回路可以生成導致進入加熱器的ac電流的加熱脈沖。加熱器可以包括任何耗散部件(例如，電阻器或半導體等)。可以經由電容器或電感地經由變壓器來實現ac耦合。

控制溫度的系統100還可以包括用于設定期望的溫度和將狀態/錯誤傳送給用戶的用戶接口。

為了遞送足夠的輸出電流，可以添加包括兩個開關fet的功率驅動器。溫度傳感器可以是ntc、ptc、熱耦合、半導體或任何其他溫度相關設備。總電路可以在一個單個供電電壓(例如，5伏特)上操作。

微控制器內的控制算法可以負責：

1.溫度傳感器信號的電壓溫度轉換

2.生成誤差信號，其為期望溫度設定點與實際溫度之間的差。

3.回路濾波

4.加熱脈沖的生成

5.響應于回路濾波器的輸出，修改所述加熱脈沖的占空比或頻率。

6.防止過度加熱的安全措施，其基于例如一時間間隔期間的功率輸出、溫度傳感器超范圍、兩個溫度傳感器之間的溫度差超范圍、通過檢查樣本抖動的缺少造成的adc故障等。

有利地，開關fet的發生的硬件故障可以增加供電電流，但是將不在加熱器中生成耗散。

圖2示出了根據本發明的另一示范性實施例的用于控制溫度的系統的示意圖。

與圖1不同，在圖2中，示出了本發明的另一示范性實施例。驅動電路可以被擴展到h橋。這可以將電壓加倍并且可以以四倍的因子增加用于實現相同輸出功率的所要求的阻抗水平，并且因此四倍更小的電容，或四倍更慢的加熱脈沖，其隱含可以要求更慢的微處理器。

兩個溫度傳感器(負溫度系數熱敏電阻ntc，例如ntc1和ntc2)可以出于安全(冗余)原因而被應用并且可以被設定為確定從加熱器到皮膚的熱通量。adc輸入a2可以被用于溫度測量結果的歸一化。歸一化可以允許補償任何供電電壓波動。模擬輸入信號首先被分壓以便良好適配芯片上adc的模擬輸入范圍內。

根據供電電壓和跨越感測電阻r的平均電壓降來計算加熱器中的耗散功率。顯而易見地；必須針對開關場效應晶體管fet中的功率損耗來對功率進行校正。

圖3示出了根據本發明的另一示范性實施例的用于控制溫度的系統的示意圖。

與圖1和圖2不同，圖3中的本發明的另一示范性實施例示出了電感地耦合到驅動電路的加熱器。變壓器可以是傳感器頭的一部分或包括傳感器位點的一次性石膏的一部分以便使能例如將加熱器緊密地定位到皮膚以避免熱梯度。

圖4示出了根據本發明的另一示范性實施例的用于控制溫度的系統的示意圖。

根據本發明的示范性實施例，如在圖4中所示，兩個ntc和加熱器被定位在探頭中，其經由近似1米長電纜(例如，1m+/-0.2m)被連接到電子裝置。為了避免任何電磁兼容性emc問題，可以添加適當的去耦。

可以以這樣的方式在反相中控制h橋的這兩個分支：所得的加熱器電壓示出為如在下一附圖中所描繪的。

圖5為解釋本發明示出了的電壓對時間示圖。在圖5中，示出了40μs的周期的加熱波。由軟件庫的實際限制指示0伏特階梯。這限制最大可達功率。ac信號的幅度是5伏特。

圖6示出了用于解釋本發明的電壓對時間示圖。在圖6中，示出了通過回路的連續地重復周期，其中，循環周期的固定95％被保留用于加熱波。加熱波的實際數目可以被適配到溫度控制器的需要。為了保持波常量的總數，添加零能量“填充波”。在圖6中，示出了77ms的周期的加熱波，這對應于13hz。

圖7示出了根據本發明的另一示范性實施例的用于控制溫度的系統的示意圖。

控制溫度的系統100可以包括溫度傳感器模塊10、微控制器模塊20、耦合模塊30和加熱模塊40。

溫度傳感器模塊10可以被配置為測量溫度值。

微控制器模塊20可以被耦合到溫度傳感器模塊10并且可以被配置為基于測得的溫度值來生成ac加熱脈沖信號。

微控制器模塊20可以被耦合到附加通信裝置(未繪出)用于控制和監測。

耦合模塊30可以被耦合到微控制器模塊20并且可以被配置為使用針對dc信號分量基本上為零的傳遞函數將所生成的ac加熱脈沖轉換為經轉換的ac加熱脈沖信號。

加熱模塊40可以被耦合到耦合模塊30并且可以被配置為根據經轉換的ac加熱脈沖信號來生成熱。

耦合模塊30可以被配置為提供高階高通濾波器或帶通濾波器。以此方式，輸出功率在加熱波的周期與其預期值偏離時(例如，加熱波的周期可以增加或減小)更強烈地減小，其可能由于處理器時鐘頻率或運行時間中的軟件中斷、軟件缺陷或改變而發生。高階高通濾波器或帶通濾波器有利地提供系統的更加魯棒和安全的操作。

用于控制溫度針對系統的電氣部件的可能的參數和針對電流、頻率和電壓的可能參數是以下各項：

16.5歐姆的r加熱器，4.4v的u峰，0.27a的i峰，0.75的加熱波占空比，0.95的控制回路占空比、836mw的rms加熱功率、5μs的tinstr.(被用于指令的時間段)、為8的每加熱波指令數、8倍5μs的加熱波周期(例如，40μs)，對應于25khz，160μs的τ＝4*thwp，其中，τ是特性時間段，和10μf的耦合電容。

在最大值(95％占空比)處，836mw加熱功率可以被生成到16.5ω加熱器中。ac耦合的時間常量被選擇為4倍循環周期；因此所要求的耦合電容器是10μf。為了耦合電容器的保護短缺，可以應用至少兩個20μf電容器的串聯布置。

圖8示出了根據本發明的示范性實施例的醫學系統的示意圖。

醫學系統200可以包括用于控制溫度的系統100。醫學系統200可以是用于測量co2血氣水平或動脈血氣分析器的系統。醫學系統200可以是可穿戴的、優選地無繩的。

圖9示出了根據本發明的示范性實施例的用于控制溫度的方法的流程圖的示意圖。

控制溫度的方法可以包括以下步驟：

作為方法的第一步，可以執行借助于溫度溫度傳感器模塊10測量s1溫度值。

作為方法的第二步，借助于微控制器模塊20基于所測量的溫度值通過分離的順序代碼步驟來生成s2ac加熱脈沖信號。

作為方法的第三步，借助于耦合模塊30使用針對dc信號分量基本上為零的傳遞函數將所生成的ac加熱脈沖信號轉換s3為經轉換的ac加熱脈沖信號。

作為方法的第四步驟，借助于加熱模塊40根據經轉換的ac加熱脈沖信號生成s4熱。

可以迭代地或遞歸地重復方法的步驟。

必須指出，參考不同的主題描述了本發明的實施例。具體而言，參考方法型權利要求描述了一些實施例，然而參考設備型權利要求描述了其他實施例。

然而，本領域技術人員根據以上和前述說明將理解到，除非另外指出，否則除屬于一個類型的主題的特征的任何組合外，涉及不同主題的特征之間的任何組合也被認為由本申請所公開。

然而，可以組合所有特征，這提供超過特征的簡單加和的協同效應。

雖然在附圖和前述描述中已經詳細說明和描述了本發明，但是這樣的說明和描述將被認為是說明性或示范性而非限制性的；本發明不限于所公開的實施例。

本領域的技術人員通過研究附圖、說明書和隨附的權利要求書，在實踐所主張的本發明時可以理解和實現所公開的實施例的其他變型。

在權利要求中，詞語“包括”不排除其他元件或步驟，并且詞語“一”或“一個”不排除多個。權利要求中的附圖標記不得被解釋為對范圍的限制。