鄭傳權(quán) ，陳鼎興，黃雄京，劉博生，周凌宏

（1.南方醫(yī)科大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，廣東 廣州 510515；2.廣東省東莞市厚街醫(yī)院，廣東 東莞 523945 ）

在體外診斷設(shè)備（in vitrodiagnostics,IVD）中，例如化學(xué)發(fā)光免疫分析儀，其測(cè)量過(guò)程，對(duì)溫度都有一定的要求，一般反應(yīng)需要在37℃左右的環(huán)境中進(jìn)行。當(dāng)溫度超出范圍時(shí)，會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)異常，最終造成測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)異常。由于在儀器中，其反應(yīng)過(guò)程一般都是在孵育盤(pán)中進(jìn)行，因此，準(zhǔn)確的保持孵育盤(pán)溫度，對(duì)整個(gè)測(cè)量過(guò)程，具有重要的意義。

目前，對(duì)于溫度的控制，主要是設(shè)定目標(biāo)溫度后，通過(guò)檢測(cè)加熱溫度與目標(biāo)溫度之間的差異，實(shí)施對(duì)加熱組件的控制。依據(jù)環(huán)境設(shè)定液體目標(biāo)溫度［1］，通過(guò)比較采集的液體溫度和目標(biāo)溫度，來(lái)控制加熱組件的工作狀態(tài)［2］。但是這種方法，僅限于液體溫度控制，且溫度控制需通過(guò)傳感器采集溫度信息讓處理器分析，處理效率不及時(shí)。

基于以上背景，針對(duì)液體溫度控制和溫度控制需通過(guò)傳感器采集溫度信息讓處理器分析，處理效率不及時(shí)問(wèn)題，研究一種新的溫度控制方法和研發(fā)一種新型的溫度控制裝置。

1 研究一種溫度控制方法和開(kāi)發(fā)一種溫度控制裝置

1.1 研究溫度控制方法

預(yù)先設(shè)定溫度補(bǔ)償曲線［3］，在實(shí)施溫控時(shí)，只需要設(shè)定目標(biāo)溫度，將溫度傳感器采集到的溫度信息代入溫度補(bǔ)償曲線中，計(jì)算所述孵育盤(pán)溫度和所述環(huán)境溫度的溫度差，基于溫度差和溫度補(bǔ)償曲線得出溫度補(bǔ)償值，根據(jù)溫度補(bǔ)償值，控制加熱組件使孵育盤(pán)溫度達(dá)到目標(biāo)溫度，若未達(dá)到目標(biāo)溫度，則重新獲取溫度補(bǔ)償值，加熱組件根據(jù)溫度補(bǔ)償值加熱孵育盤(pán)，在整個(gè)的溫度控制中，溫度補(bǔ)償曲線為不同的孵育盤(pán)溫度和/或不同的環(huán)境溫度的溫度差所對(duì)應(yīng)溫度補(bǔ)償值。

1.2 溫度控制裝置的研制

溫度控制裝置由恒溫腔、孵育盤(pán)、加熱組件、溫度傳感器以及溫控器等組成［4］。其中孵育盤(pán)、溫度傳感器以及加熱組件設(shè)置于恒溫腔內(nèi)；通過(guò)高溫防火線將溫控器與溫度傳感器以及加熱組件電連接；加熱組件用于對(duì)所述恒溫腔內(nèi)環(huán)境進(jìn)行加熱；溫度傳感器用于檢測(cè)孵育盤(pán)溫度和環(huán)境溫度，并將孵育盤(pán)溫度和環(huán)境溫度發(fā)送至溫控器。

溫控器為比例-積分-微分（proportion integration differentiation,PID）溫控器，溫控器預(yù)設(shè)有溫度補(bǔ)償曲線，用于設(shè)定目標(biāo)溫度，計(jì)算孵育盤(pán)溫度和環(huán)境溫度的溫度差，將溫度差和目標(biāo)溫度代入溫度補(bǔ)償曲線得到溫度補(bǔ)償值，根據(jù)溫度補(bǔ)償值，控制加熱組件加熱孵育盤(pán)直至目標(biāo)溫度。

溫度控制裝置還包括溫度保護(hù)開(kāi)關(guān)，溫度保護(hù)開(kāi)關(guān)與溫控器相連接［5］，溫控器設(shè)置有保護(hù)溫度，當(dāng)孵育盤(pán)溫度超出保護(hù)溫度時(shí)，溫度保護(hù)開(kāi)關(guān)觸發(fā)使所述加熱組件停止加熱。

加熱組件懸掛于所述恒溫腔內(nèi)，加熱組件由電加熱片、陶瓷加熱片、碳纖維加熱片和硅膠加熱片中的至少一種組成。

2 技術(shù)路線

圖1 為溫度控制裝置示意圖。溫度控制裝置用于提供并保持預(yù)定的溫度環(huán)境［6］，本實(shí)施例中，溫度控制裝置為IVD（例如化學(xué)發(fā)光免疫分析儀）提供預(yù)定溫度的測(cè)量環(huán)境。

圖1 溫度控制裝置示意圖

其中，溫度控制裝置，包括：恒溫腔210、孵育盤(pán)220、加熱組件230、溫度傳感器240 以及溫控器250，孵育盤(pán)220、溫度傳感器240 以及加熱組件230 設(shè)置于恒溫腔210 內(nèi)；溫控器250 與溫度傳感器240 以及加熱組件230 電連接。

溫度控制方法流程見(jiàn)圖2。

圖2 溫度控制方法流程圖

溫度控制方法：第一步，預(yù)設(shè)溫度補(bǔ)償曲線。溫度補(bǔ)償曲線為不同的孵育盤(pán)溫度和/或不同的環(huán)境溫度的溫度差所對(duì)應(yīng)溫度補(bǔ)償值，見(jiàn)圖3。第二步，設(shè)定目標(biāo)溫度。第三步，獲取孵育盤(pán)溫度和環(huán)境溫度，計(jì)算孵育盤(pán)溫度和環(huán)境溫度的溫度差。第四步，基于溫度差和溫度補(bǔ)償曲線得出溫度補(bǔ)償值。第五步，根據(jù)溫度補(bǔ)償值，控制加熱組件加熱孵育盤(pán)直至目標(biāo)溫度。

圖3 溫度補(bǔ)償曲線圖

本方案提供的溫度控制方法和裝置預(yù)先設(shè)定溫度補(bǔ)償曲線［7］，在實(shí)施溫控時(shí)，只需要設(shè)定目標(biāo)溫度，將溫度傳感器采集到的溫度信息代入溫度補(bǔ)償曲線中，獲取溫度補(bǔ)償值，根據(jù)溫度補(bǔ)償值即可對(duì)孵育盤(pán)的溫度進(jìn)行控制，相對(duì)于傳統(tǒng)的方法更加簡(jiǎn)單、快捷。

3 討論

本研究的創(chuàng)新之處：通過(guò)預(yù)先設(shè)定的溫度補(bǔ)償曲線，實(shí)現(xiàn)溫度的閉環(huán)動(dòng)態(tài)控制，以得到更為精準(zhǔn)的溫度。具體解析研究成果如下：預(yù)先測(cè)定溫度差（環(huán)境溫度與孵育盤(pán)溫度）與補(bǔ)償量的關(guān)系，獲得二者之間的補(bǔ)償曲線；設(shè)定目標(biāo)溫度，獲取環(huán)境溫度以及孵育盤(pán)的溫度；依據(jù)目標(biāo)溫度和孵育盤(pán)的溫度差，通過(guò)預(yù)先測(cè)定的補(bǔ)償曲線，獲得孵育盤(pán)溫度的補(bǔ)償量；依據(jù)溫度補(bǔ)償值，對(duì)孵育盤(pán)實(shí)施溫度控制；多次判斷以確認(rèn)孵育盤(pán)溫度達(dá)到目標(biāo)溫度后，加熱器停止工作。這些研究成果可以啟發(fā)同行探究不同的溫度補(bǔ)償方式，以達(dá)到更為優(yōu)秀的溫控方法。本方案僅僅研究了升溫（孵育盤(pán)等需要加熱的部分）的補(bǔ)償方式，后續(xù)可以進(jìn)一步研究降溫（試劑盤(pán)等需要制冷的部分）的補(bǔ)償方式。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中設(shè)置了3 個(gè)環(huán)境溫度（10℃、20℃,25℃），在這3 個(gè)溫度之下，分別作出新舊兩種方式的溫度曲線來(lái)進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)SPSS 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并總結(jié)出測(cè)試數(shù)據(jù)，見(jiàn)圖4、圖5。

圖4 不同環(huán)境溫度時(shí)新舊兩種控制方式下的溫度曲線圖

圖5 不同溫度梯度下的性能表現(xiàn)

改變?yōu)樾驴刂品绞胶?，加入了環(huán)境溫度的因素，其優(yōu)勢(shì)如下：①相比原控制方式，在低溫時(shí)，加熱到目標(biāo)溫度（37±0.3）℃后穩(wěn)定性更好；②在高溫時(shí)，可以保持原控制方式的效果。也就是說(shuō)，加入環(huán)境溫度因素考量后，新控制方式能夠提升低溫時(shí)的加熱穩(wěn)定性。

5 結(jié)語(yǔ)

本研究基于目前IVD 行業(yè)中溫控精準(zhǔn)控制難題，利用預(yù)先設(shè)定的溫度補(bǔ)充方式，綜合考慮環(huán)境溫度等因素，提出了一種溫控補(bǔ)充的方式，通過(guò)預(yù)設(shè)溫度補(bǔ)償曲線，設(shè)定目標(biāo)溫度，獲取孵育盤(pán)溫度和環(huán)境溫度，計(jì)算孵育盤(pán)溫度和環(huán)境溫度的溫度差，根據(jù)溫度補(bǔ)償值即可對(duì)孵育盤(pán)的溫度進(jìn)行控制，簡(jiǎn)單、快捷。獲得了更為精準(zhǔn)的溫度。后續(xù)可以據(jù)此研究，進(jìn)一步探究其他升溫過(guò)程中的溫控補(bǔ)償方式，也可以進(jìn)一步探究溫降的補(bǔ)償方式。

該項(xiàng)研發(fā)于2018 年4 月申報(bào)了發(fā)明專利（專利申請(qǐng)?zhí)枮镃N201810354743.7，公開(kāi)/公告號(hào)：CN108427452A），2021 年獲得該發(fā)明專利的授權(quán)。此方案可以提升測(cè)試準(zhǔn)確性，進(jìn)一步降低測(cè)量誤差，從而提升診斷的準(zhǔn)確率，并節(jié)約醫(yī)療資源。此方案已經(jīng)在亞輝龍化學(xué)發(fā)光儀器上的4 000 多臺(tái)設(shè)備使用，效果反饋良好。