用于控制温度的系统和方法与流程

本发明涉及用于皮肤加热的小型化控制器的领域。具体而言，本发明涉及用于控制温度的系统和方法。

背景技术：

神经肌肉疾病、copd和肥胖的换气过度患者常常存在慢性呼吸衰竭的问题。所述患者需要在家对他们的呼吸衰竭进行定期处理。低氧性患者通常在没有通气机支持的情况下通过氧气冶疗进行处置，而通过利用环境空气的无创通气进行的处置帮助将高碳酸血患者的高二氧化碳血气水平带回到可接受的水平。在夜间niv期间通气的效率通过测量动脉氧气和二氧化碳水平中的基线和趋势来检查。

在家使用经皮的co2传感器而不是动脉血气体分析。动脉血气体分析被广泛使用，但是需要由专业人员取得的样本，是疼痛的并且可能具有并发症。经皮的co2传感器被接受用于住所护理并且也在医院中用于co2监测。

为了根据所测量的-皮肤的-co2分压导出经皮的co2，必须考虑传感器温度与37℃的动脉血温度之间的差。此外，从测量值减去偏移以补偿在某种程度上随着皮肤温度变化的皮肤新陈代谢。

皮肤的动脉血化对于经皮的血气测量结果获得反映动脉co2气体水平的经皮值是必要的。现有技术基于通过加热传感器表面下面的皮肤造成的动脉血化。在当前可用的经皮系统中，针对稳定的动脉血化的最小传感器温度是42℃并且所要求的加热功率是最大～500mw，其主要需要补偿血流的冷却效应。

防止皮肤烧伤是皮肤加热中的主要关心问题。由于加热器是dc耦合的，因而例如驱动电路或软件错误中的电子故障可能导致不可控制的加热器电流。为了保护这样的情况下，大量的硬件被添加到主温度控制回路。

化学光学传感器材料可以经皮地被应用以测量co2。化学光学传感器可以包括以下项：在光学透明载体材料上，沉积两层“类似硅橡胶的”气体渗透材料。第一层(感测层)包括作为化学缓冲材料的两种荧光染料的混合物；即，具有长荧光寿命的参考染料以及具有短寿命的ph灵敏的指示剂染料。第二层(膜)包括光反射材料(tio2)颗粒并且防止离子传输到感测层和从感测层传输。co2气体扩散通过所述膜到第一层中并且改变ph，其改变来自指示剂染料的荧光。通过双寿命参考技术，有效地测量对调制光激发的时间响应，计算百分比co2气体。初看起来，这些传感器斑点的性质针对国内市场的一次性经皮传感器设备的设计看起来在以下方面具有明显的优点：动态范围、预校准、针对偏离温度的补偿、稳定性和成本效益。

皮肤加热和接触液体对于实现足够并且稳定的皮肤动脉血化是必要的。出于该目的，必须在40～45℃之间的范围中准确地控制传感器温度。在理想情况下，预见的夜间经皮co2监测系统是可穿戴的、优选地无绳的并且具有小的形状因子。

技术实现要素：

可以存在对改进用于皮肤加热的小型化的、固有地安全的控制器以及用于控制温度的设备和方法的需要。

通过所述独立权利要求的主题满足这样的需要。根据从属权利要求和以下说明，其他示范性实施例是显而易见的。

本发明的方面涉及一种用于控制温度的系统，所述系统包括：温度传感器模块，其被配置为测量温度值；微控制器模块，其被耦合到所述温度传感器模块并且被配置为基于测得的温度值通过分离的顺序代码步骤来生成ac加热脉冲信号；耦合模块，其被耦合到所述微控制器模块并且被配置为使用针对dc信号分量基本上为零的传递函数来将所生成的ac加热脉冲信号转换为经转换的ac加热脉冲信号；以及加热模块，其被耦合到所述耦合模块并且被配置为根据所述经转换的ac加热脉冲信号来生成热。

所述微控制器模块被配置为通过分离的顺序代码步骤生成ac加热脉冲信号，换句话说，基本上所生成的输出功率在ac耦合之后通过占空比每加热脉冲、占空比每热控制回路周期(加热脉冲的数目)或频率来调制。

本发明有利地提供用于恒温地控制温度的系统。本发明有利地提供经由耦合器件来控制耗散加热元件，其中，ac电流可以流动通过耦合装置。

本发明不限于仅经皮感测，而且可以扩展到针对健康护理以及其他中的耗散元件的任何控制。范例是：消融导管、电子加热片、用于测量例如身体核心温度的零热通量温度传感器、针对光应用的曝光控制装置、针对类似定位伺服的机械致动器的控制器等。

换句话说：在机械致动器的情况下，本发明有利地限制了由不同的代码步骤所生成的能量分组或加热脉冲可以生成热或能量。本发明有利地使用以串行或顺序方式操作的软件模块。换句话说，没有并行处理或多核处理器或硬连线脉冲发生器被使用以便保证任何挂起将停止加热脉冲的生成。

本发明有利地提供增加的安全水平，因为任何软件问题将导致归因于以下事实的较少的功率输出：仅电流波动或加热脉冲能够生成热。由于每个单个加热脉冲要求不同的代码步骤的执行，因而代替简单地控制硬连线脉冲宽度或频率调制器，软件挂起将不引起任何伤害。

所述经皮co2传感器模块可以包括两个部分：包括所述化学光学传感器材料的一次性石膏。所述第二部分包括光学读出和温度控制系统。可选地，加热模块可以是一次性(石膏)的一部分，耦合(电容性/电感性)到非一次性部分的ac。

如由本发明所使用的术语ac或dc可以分别是指交流电(ac，亦作ac)或直流电(dc，亦作dc)。在ac的情况下，电荷的流动周期性地反转方向。在直流中，电荷的流动仅在一个方向上。缩写ac和dc如在其修饰电流或电压时常常被用于简单地意指交流和直流的。

本发明有利地允许适应于由驱动电路所生成的(例如，由于部件故障所生成的)任何dc偏移。

本发明有利地允许通过对硬件冲突(hardwarebuck)(诸如adc故障、系统时钟故障或温度传感器短路或任何其他故障)的软件检测实现附加的安全性。

本发明由于最小数目的电子部件和单个供电电压的使用而有利地提供了小型化。

根据本发明的另一第二方面，本发明提供了一种医学系统，包括根据所述第一实现方案形式或根据所述第一实现方案的任何实施例的系统。

根据本发明的另一第三方面，提供了一种用于控制温度的方法，所述方法包括以下步骤：借助于温度传感器模块测量温度值；借助于微控制器模块基于所测量的所述ac加热脉冲信号，通过分离的顺序代码步骤来生成ac加热脉冲信号；借助于耦合模块使用针对dc信号分量基本上为零的传递函数来将所生成的ac加热脉冲信号转换为经转换的ac加热脉冲信号；并且借助于加热模块根据经转换的ac加热脉冲信号来生成热。

如由本发明所使用的术语“针对dc信号分量基本上零”可以是指针对dc分量小于0.1或小于0.05的传递函数，例如，由此dc意指所述分量的频率小于1hz或优选地小于0.5hz或特别地优选的小于0.1hz。这有利地允许以数字的和脉冲的和安全的方式以量化的数量来生成热。

根据本发明的示范性实施例，所述加热模块被配置为根据以1μs与500ms之间、优选地2μs与30ms之间并且特别地优选的5μs与100μs之间的时间间隔的形式的经转换的ac脉冲信号来生成热。这有利地允许以数字的和脉冲的和安全的方式以量化的数量生成热。

根据本发明的示范性实施例，所述微控制器模块是多核或单核处理器并且被配置为在顺序处理模式中操作。换句话说，在以一个单核处理器的形式的微控制器模块上执行用于基于测得的温度值来生成所述ac加热脉冲信号的代码。这有利地允许操作所述微控制器的安全并且可靠的方式，避免系统故障或系统挂起引起不需要的能量供应。

根据本发明的示范性实施例，所述耦合模块被配置为将所述dc信号分量衰减到输入dc信号分量的小于4％的值、优选地输入dc信号分量的小于2％的值和优选地输入dc信号分量的小于0.5％的值。这有利地限制在dc错误情况的情况下经由所述耦合模块提供最大加热水平。

根据本发明的示范性实施例，所述微控制器模块被配置为使用占空比调制基于测得的温度值来生成所述ac加热脉冲信号。

换句话说，所述微控制器模块被配置为执行和进行占空比调制(例如，根据加热脉冲来控制温度)，其中，调制所述加热脉冲中的每一个的所述占空比。

根据本发明的示范性实施例，所述微控制器模块被配置为根据适配到所计算的数量的所请求的热能的热控制循环周期来控制所生成的ac加热脉冲信号的数目。这有利地允许生成热和控制所生成的热量的精确的方式。

根据本发明的示范性实施例，所述微控制器模块被配置为控制适配到所计算的数量的所请求的热能的所生成的ac加热脉冲的所述占空比。

根据本发明的示范性实施例，所述微控制器模块被配置为使用频率调制基于测得的温度值，生成所述ac加热脉冲信号的时间周期。

换句话说，所述微控制器模块被配置为执行频率调制或加热脉冲周期调制。与高通或带通耦合特性相组合，所耗散的电力取决于所述加热脉冲的频率。

根据本发明的示范性实施例，所述微控制器模块被配置为控制适配于所计算的量的所请求的热能的、所生成的ac加热脉冲的周期时间。这有利地允许热生成的安全并且可靠的方式。

根据本发明的示范性实施例，所述微控制器模块被配置为控制所生成的ac加热脉冲信号的频率或幅度。

根据本发明的示范性实施例，所述加热模块是电阻元件或电阻器或任何其他热生成设备。

根据本发明的示范性实施例，所述耦合模块是电容器或电感器或变压器。这有利地提供所述微处理器模块和所述加热模块的安全耦合。

根据本发明的示范性实施例，所述耦合模块包括驱动电路。这有利地提供安全耦合，即，所述微处理器模块可以被用于控制另一电路或其他部件(诸如高功率晶体管)以便对所述加热模块供电。

根据本发明的示范性实施例，所述驱动电路是h桥电路。

根据本发明的示范性实施例，所述微控制器模块包括模拟输入。所述温度传感器模块被耦合到所述模拟输入。

可以将执行本发明的所述方法的计算机可读存储在计算机可读介质上。计算机可读介质可以是软盘、硬盘、cd、dvd、usb(通用串行总线)存储设备、ram(随机存取存储器)、rom(只读存储器)和eprom(可擦可编程只读存储器)。计算机可读介质还可以是数据通信网络(例如，因特网)，其允许下载程序代码。

本文所描述的所述方法、系统和设备可以被实现为微控制器或任何其他端处理器中的数字信号处理器dsp中的软件或专用集成电路asic内的硬件电路。

本发明可以被实现为数字电子电路或计算机硬件、固件、软件或其组合，例如，设备或医学设备的可用硬件或专用于处理本文所描述的方法的新硬件。

通过参考以下示意性绘图(未按比例绘制)将更清楚地理解本发明的更完整的理解和其优点。

附图说明

图1示出了根据本发明的示范性实施例的用于控制温度的系统的示意图；

图2示出了根据本发明的另一示范性实施例的用于控制温度的系统的示意图；

图3示出了根据本发明的另一示范性实施例的用于控制温度的系统的示意图；

图4示出了根据本发明的另一示范性实施例的用于控制温度的系统的示意图；

图5示出了用于解释本发明的电压对时间示图；

图6示出了用于解释本发明的电压对时间示图；

图7示出了根据本发明的另一示范性实施例的用于控制温度的系统的示意图；

图8示出了根据本发明的示范性实施例的医学系统的示意图；并且

图9示出了根据本发明的示范性实施例的用于控制温度的方法的流程图的示意图。

具体实施方式

附图中的图示仅是示意性的并且不旨在提供比例关系或大小信息。在不同的附图或图片中，类似或者相同元件提供有相同附图标记。一般地，相同部分、单元、实体或步骤在说明书中被提供有相同的附图标记。图1示出了根据本发明的示范性实施例的用于控制温度的系统的示意图。

控制温度的系统100可以包括温度传感器模块10、微控制器模块20、耦合模块30和加热模块40。

温度传感器模块10可以被配置为测量温度值。

微控制器模块20可以被耦合到温度传感器模块10并且可以被配置为基于所测量的温度值，通过分离的顺序代码步骤来生成ac加热脉冲信号。

耦合模块30可以被耦合到微控制器模块20并且可以被配置为使用针对dc信号分量基本上为零的传递函数来将所生成的ac加热脉冲转换为经转换的ac加热脉冲信号。

微控制器模块30可以被配置为使用数字模拟转换器来控制所生成的ac加热脉冲信号的幅度。

加热模块40可以被耦合到耦合模块30并且可以被配置为根据经转换的ac加热脉冲信号来生成热。

被用作微控制器模块20的微控制器(或微处理器μp)可以包括模拟输入22和数字输出电容，所述模拟输入耦合到被用作温度传感器模块10的温度传感器，所述字输出电容被用作耦合模块30可以被耦合到被用作加热模块40的加热器电阻器。软件控制回路可以生成导致进入加热器的ac电流的加热脉冲。加热器可以包括任何耗散部件(例如，电阻器或半导体等)。可以经由电容器或电感地经由变压器来实现ac耦合。

控制温度的系统100还可以包括用于设定期望的温度和将状态/错误传送给用户的用户接口。

为了递送足够的输出电流，可以添加包括两个开关fet的功率驱动器。温度传感器可以是ntc、ptc、热耦合、半导体或任何其他温度相关设备。总电路可以在一个单个供电电压(例如，5伏特)上操作。

微控制器内的控制算法可以负责：

1.温度传感器信号的电压温度转换

2.生成误差信号，其为期望温度设定点与实际温度之间的差。

3.回路滤波

4.加热脉冲的生成

5.响应于回路滤波器的输出，修改所述加热脉冲的占空比或频率。

6.防止过度加热的安全措施，其基于例如一时间间隔期间的功率输出、温度传感器超范围、两个温度传感器之间的温度差超范围、通过检查样本抖动的缺少造成的adc故障等。

有利地，开关fet的发生的硬件故障可以增加供电电流，但是将不在加热器中生成耗散。

图2示出了根据本发明的另一示范性实施例的用于控制温度的系统的示意图。

与图1不同，在图2中，示出了本发明的另一示范性实施例。驱动电路可以被扩展到h桥。这可以将电压加倍并且可以以四倍的因子增加用于实现相同输出功率的所要求的阻抗水平，并且因此四倍更小的电容，或四倍更慢的加热脉冲，其隐含可以要求更慢的微处理器。

两个温度传感器(负温度系数热敏电阻ntc，例如ntc1和ntc2)可以出于安全(冗余)原因而被应用并且可以被设定为确定从加热器到皮肤的热通量。adc输入a2可以被用于温度测量结果的归一化。归一化可以允许补偿任何供电电压波动。模拟输入信号首先被分压以便良好适配芯片上adc的模拟输入范围内。

根据供电电压和跨越感测电阻r的平均电压降来计算加热器中的耗散功率。显而易见地；必须针对开关场效应晶体管fet中的功率损耗来对功率进行校正。

图3示出了根据本发明的另一示范性实施例的用于控制温度的系统的示意图。

与图1和图2不同，图3中的本发明的另一示范性实施例示出了电感地耦合到驱动电路的加热器。变压器可以是传感器头的一部分或包括传感器位点的一次性石膏的一部分以便使能例如将加热器紧密地定位到皮肤以避免热梯度。

图4示出了根据本发明的另一示范性实施例的用于控制温度的系统的示意图。

根据本发明的示范性实施例，如在图4中所示，两个ntc和加热器被定位在探头中，其经由近似1米长电缆(例如，1m+/-0.2m)被连接到电子装置。为了避免任何电磁兼容性emc问题，可以添加适当的去耦。

可以以这样的方式在反相中控制h桥的这两个分支：所得的加热器电压示出为如在下一附图中所描绘的。

图5为解释本发明示出了的电压对时间示图。在图5中，示出了40μs的周期的加热波。由软件库的实际限制指示0伏特阶梯。这限制最大可达功率。ac信号的幅度是5伏特。

图6示出了用于解释本发明的电压对时间示图。在图6中，示出了通过回路的连续地重复周期，其中，循环周期的固定95％被保留用于加热波。加热波的实际数目可以被适配到温度控制器的需要。为了保持波常量的总数，添加零能量“填充波”。在图6中，示出了77ms的周期的加热波，这对应于13hz。

图7示出了根据本发明的另一示范性实施例的用于控制温度的系统的示意图。

控制温度的系统100可以包括温度传感器模块10、微控制器模块20、耦合模块30和加热模块40。

温度传感器模块10可以被配置为测量温度值。

微控制器模块20可以被耦合到温度传感器模块10并且可以被配置为基于测得的温度值来生成ac加热脉冲信号。

微控制器模块20可以被耦合到附加通信装置(未绘出)用于控制和监测。

耦合模块30可以被耦合到微控制器模块20并且可以被配置为使用针对dc信号分量基本上为零的传递函数将所生成的ac加热脉冲转换为经转换的ac加热脉冲信号。

加热模块40可以被耦合到耦合模块30并且可以被配置为根据经转换的ac加热脉冲信号来生成热。

耦合模块30可以被配置为提供高阶高通滤波器或带通滤波器。以此方式，输出功率在加热波的周期与其预期值偏离时(例如，加热波的周期可以增加或减小)更强烈地减小，其可能由于处理器时钟频率或运行时间中的软件中断、软件缺陷或改变而发生。高阶高通滤波器或带通滤波器有利地提供系统的更加鲁棒和安全的操作。

用于控制温度针对系统的电气部件的可能的参数和针对电流、频率和电压的可能参数是以下各项：

16.5欧姆的r加热器，4.4v的u峰，0.27a的i峰，0.75的加热波占空比，0.95的控制回路占空比、836mw的rms加热功率、5μs的tinstr.(被用于指令的时间段)、为8的每加热波指令数、8倍5μs的加热波周期(例如，40μs)，对应于25khz，160μs的τ＝4*thwp，其中，τ是特性时间段，和10μf的耦合电容。

在最大值(95％占空比)处，836mw加热功率可以被生成到16.5ω加热器中。ac耦合的时间常量被选择为4倍循环周期；因此所要求的耦合电容器是10μf。为了耦合电容器的保护短缺，可以应用至少两个20μf电容器的串联布置。

图8示出了根据本发明的示范性实施例的医学系统的示意图。

医学系统200可以包括用于控制温度的系统100。医学系统200可以是用于测量co2血气水平或动脉血气分析器的系统。医学系统200可以是可穿戴的、优选地无绳的。

图9示出了根据本发明的示范性实施例的用于控制温度的方法的流程图的示意图。

控制温度的方法可以包括以下步骤：

作为方法的第一步，可以执行借助于温度温度传感器模块10测量s1温度值。

作为方法的第二步，借助于微控制器模块20基于所测量的温度值通过分离的顺序代码步骤来生成s2ac加热脉冲信号。

作为方法的第三步，借助于耦合模块30使用针对dc信号分量基本上为零的传递函数将所生成的ac加热脉冲信号转换s3为经转换的ac加热脉冲信号。

作为方法的第四步骤，借助于加热模块40根据经转换的ac加热脉冲信号生成s4热。

可以迭代地或递归地重复方法的步骤。

必须指出，参考不同的主题描述了本发明的实施例。具体而言，参考方法型权利要求描述了一些实施例，然而参考设备型权利要求描述了其他实施例。

然而，本领域技术人员根据以上和前述说明将理解到，除非另外指出，否则除属于一个类型的主题的特征的任何组合外，涉及不同主题的特征之间的任何组合也被认为由本申请所公开。

然而，可以组合所有特征，这提供超过特征的简单加和的协同效应。

虽然在附图和前述描述中已经详细说明和描述了本发明，但是这样的说明和描述将被认为是说明性或示范性而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。

本领域的技术人员通过研究附图、说明书和随附的权利要求书，在实践所主张的本发明时可以理解和实现所公开的实施例的其他变型。

在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。权利要求中的附图标记不得被解释为对范围的限制。