專利名稱：冷熱疼痛刺激系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于醫(yī)療器械技術(shù)領(lǐng)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(qiáng)磁場環(huán)境中的疼痛感覺研究、鎮(zhèn)痛效果評價、醫(yī)護(hù)人員對痛癥患者的輔助診斷與治療。
背景技術(shù)：
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(jīng)成為全球醫(yī)藥行業(yè)共同關(guān)心的問題?？蒲袡C(jī)構(gòu)對疼痛感覺研究和鎮(zhèn)痛效果的評價研究也越來越多。疼痛的研究是神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)與難點(diǎn)問題，隨著影像學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，疼痛的研究迎來了前所未有的機(jī)遇。但基于功能磁共振成像技術(shù)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(huán)境兼容的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。目前只能采用激光刺激設(shè)備作為功能磁共振成像技術(shù)的疼痛刺激設(shè)備。這種激光刺激設(shè)備存在以下不足I)只能產(chǎn)生熱刺激但不能產(chǎn)生冷刺激；2)操作復(fù)雜、體積大、安全性不高、成本高；3)與上位機(jī)通信復(fù)雜，數(shù)據(jù)不開放。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對上述激光刺激設(shè)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(shí)現(xiàn)在強(qiáng)磁場的核磁環(huán)境中根據(jù)實(shí)驗(yàn)人員設(shè)定的冷熱刺激模式，進(jìn)行疼痛刺激，并且把當(dāng)前溫度數(shù)據(jù)和疼痛感覺實(shí)時傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明包括冷熱刺激頭I、保護(hù)網(wǎng)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(jī)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(huán)系統(tǒng)；冷熱刺激頭I通過嵌入式控制模塊6與上位機(jī)7連接；所述的冷熱刺激頭1，包括導(dǎo)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(dǎo)熱片11，另一面黏貼水冷頭14 ;制冷片13和水冷頭14置于導(dǎo)熱片11和外殼15組成的腔體內(nèi)；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(dǎo)熱片11置于人體皮膚上的刺激點(diǎn)；所述的嵌入式控制模塊6，包括嵌入式處理電路、D\A轉(zhuǎn)換電路、功率放大電路、電流轉(zhuǎn)向電路、限流保護(hù)電路、橋式電路、差分放大電路、A\D轉(zhuǎn)換電路和打分電路；該嵌入式處理電路根據(jù)上位機(jī)7中設(shè)置的刺激溫度，產(chǎn)生相應(yīng)電壓數(shù)字信號，輸入給D\A轉(zhuǎn)換電路中轉(zhuǎn)換成模擬信號，再經(jīng)過功率放大電路放大后輸入到電流轉(zhuǎn)向電路后，再經(jīng)限流保護(hù)電路后輸入到制冷片13中，控制制冷片13的升溫或降溫，進(jìn)而控制導(dǎo)熱片11溫度變化；該橋式電路將黏貼在導(dǎo)熱片11與制冷片13之間薄膜鉬熱電阻12的電阻值轉(zhuǎn)換成電壓值，傳輸?shù)?A\D轉(zhuǎn)換電路中轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再傳輸?shù)角度胧教幚黼娐分校旬?dāng)前溫度值與設(shè)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(dāng)前溫度值傳輸?shù)缴衔粰C(jī)7中存儲顯示；被試者根據(jù)當(dāng)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(zhuǎn)成電壓值，經(jīng)過A\D轉(zhuǎn)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?shù)缴衔粰C(jī)7中存儲顯示。上述系統(tǒng)，其特征在于水冷頭14包括進(jìn)水口、出水口和內(nèi)部溝道16 ;內(nèi)部溝道16 為M形狀，且與水冷頭14同一側(cè)的進(jìn)水口和出水口連成通路。上述系統(tǒng)，其特征在于導(dǎo)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(tǒng)，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(zhì)紐扣18。上述系統(tǒng)，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(tǒng)，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(hù)網(wǎng)12內(nèi)。上述系統(tǒng)，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(biāo)有滑塊軌道刻度，滑塊連接滑動變阻器。上述系統(tǒng)，其特征在于嵌入式處理電路，包括STM32處理器、JTAG接口電路、實(shí)時時鐘電路和串口通信電路JTAG接口電路、實(shí)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(jī)7相連。上述系統(tǒng)，其特征在于電流轉(zhuǎn)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(tǒng)，其特征在于限流保護(hù)電路由自動恢復(fù)保險絲和電阻串聯(lián)構(gòu)成。本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)I、本發(fā)明由于將冷熱刺激頭的部件裝配在銅質(zhì)殼體內(nèi)，不僅體積小、方便操作，而且保證冷熱刺激頭在核磁環(huán)境中的正常使用。本發(fā)明由于采用半導(dǎo)體制冷片產(chǎn)熱或制冷， 不僅使升溫或降溫的階躍性好，并且安全性高。2、本發(fā)明采用水循環(huán)來保持水冷頭溫度的穩(wěn)定，進(jìn)而保持制冷片的下表面溫度保持穩(wěn)定，保證冷熱刺激頭長時間的正常工作。3、本發(fā)明的嵌入式控制模塊采用負(fù)反饋的方式控制制冷片的溫度，使刺激溫度更準(zhǔn)確。本發(fā)明由于設(shè)有限流保護(hù)電路，可以有效的防止電路故障導(dǎo)致制冷片過熱或過冷對被試者產(chǎn)生的燙傷或凍傷。4、本發(fā)明由于采用上位機(jī)設(shè)定刺激溫度，實(shí)驗(yàn)人員可以根據(jù)實(shí)際需要在上位機(jī)中設(shè)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(shí)時傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中存儲顯示，便于實(shí)驗(yàn)分析。


圖I是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明中的冷熱刺激頭結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明中的嵌入式控制模塊原理圖。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施原理及使用進(jìn)行詳細(xì)的介紹。參照圖1，本發(fā)明系統(tǒng)，包括冷熱刺激頭I、保護(hù)網(wǎng)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(jī)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(huán)系統(tǒng)；冷熱刺激頭I通過嵌入式控制模塊6與上位機(jī)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(wěn)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(jù)上位機(jī)7設(shè)置的刺激溫度控制冷熱刺激頭I對人體皮膚進(jìn)行刺激，該實(shí)際刺激溫度和疼痛感覺的分值又經(jīng)嵌入式控制模塊6傳輸?shù)缴衔粰C(jī)7中存儲顯示，以供實(shí)驗(yàn)人員根據(jù)該實(shí)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(zhèn)痛效果評價。采用Im長水管連接核磁環(huán)境中的冷熱刺激頭I與水循環(huán)系統(tǒng)中的其他設(shè)備，有效地減少了需要屏蔽強(qiáng)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(hù)網(wǎng)2的內(nèi)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)熱硅脂黏貼在半導(dǎo)體制冷片13的上面，且導(dǎo)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(dǎo)熱片11上層的外部，橡膠隔熱墊的高度不超過導(dǎo)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?？噹?7通過純銅質(zhì)紐扣18固定在純銅質(zhì)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(dǎo)熱片11形成封閉的腔體，能夠有效的屏蔽外部環(huán)境中的強(qiáng)磁信號，保護(hù)內(nèi)部的薄膜鉬熱電阻12和制冷片13。該制冷片13是根據(jù)珀?duì)栙N效應(yīng)原理由N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體組成的熱點(diǎn)半導(dǎo)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(zhuǎn)部件，具有無污染、無噪聲、壽命長的優(yōu)點(diǎn)。制冷片13的底面通過導(dǎo)熱硅脂黏貼在純銅質(zhì)水冷頭14上，水冷頭14內(nèi)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(jìn)而提高水冷頭14的熱交換效率；進(jìn)水口與出水口置于水冷頭14的同一側(cè)；溝道16的一端連接進(jìn)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(zhuǎn)換電路、功率放大電路、電流轉(zhuǎn)向電路、限流保護(hù)電路、橋式電路、差分放大電路、A\D轉(zhuǎn)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(shí)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(nèi)核架構(gòu)的嵌入式處理器JTAG接口電路、實(shí)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(jī)7相連；嵌入式控制電路分別與D\A轉(zhuǎn)換電路、電流轉(zhuǎn)向電路和A\D轉(zhuǎn)換電路相連。D\A轉(zhuǎn)換電路，由12位數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片及周邊電路組成，D\A轉(zhuǎn)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(yīng)管功率放大器及周邊電路構(gòu)成,功率放大電路連接電流轉(zhuǎn)向電路中繼電器的動觸點(diǎn)。電流轉(zhuǎn)向電路由共集電極放大電路與繼電器構(gòu)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(diǎn)交叉連接形成兩個輸出端，兩個輸出端與限流保護(hù)電路連接。限流保護(hù)電路由自動恢復(fù)保險絲和電阻串聯(lián)構(gòu)成。自動恢復(fù)保險絲是一種采用高分子有機(jī)聚合物在高壓、高溫，硫化反應(yīng)的條件下?lián)郊訉?dǎo)電粒子材料后材料后，經(jīng)過特殊工藝加工而成的過流電子保護(hù)元件。A\D轉(zhuǎn)換電路采用12位逐次比較型轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，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(jìn)高科技方法，且阻值用數(shù)字修整方式作出微調(diào)的溫度傳感器；具有體積細(xì)小、響應(yīng)時間快、精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。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(biāo)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(jìn)行打分；本發(fā)明的工作原理如下將冷熱刺激頭I的導(dǎo)熱片11置于核磁環(huán)境中環(huán)境中被試者皮膚上的刺激點(diǎn)，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(huán)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(wěn)定。在上位機(jī)7中設(shè)定刺激溫度，嵌入式控制電路根據(jù)上位機(jī)設(shè)定的刺激溫度，控制 D\A轉(zhuǎn)換電路把溫度電壓的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，經(jīng)過功率放大電路輸入到電流轉(zhuǎn)向電路中，再經(jīng)過限流保護(hù)電路后輸入到制冷片13中，控制制冷片13的升溫或降溫，進(jìn)而控制導(dǎo)熱片11的溫度；橋式電路將黏貼在導(dǎo)熱片11與制冷片13之間薄膜鉬熱電阻12的電阻值轉(zhuǎn)換成電壓值，傳輸?shù)紸\D轉(zhuǎn)換電路中轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再傳輸?shù)角度胧教幚黼娐分校?把當(dāng)前測得溫度值與上位機(jī)中設(shè)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(dāng)前測得溫度值傳輸?shù)缴衔粰C(jī)7中存儲顯示。被試者根據(jù)當(dāng)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(zhuǎn)換電路連接嵌入式控制電路，把打分值傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中存儲顯示。當(dāng)上位機(jī)中設(shè)置的冷刺激與熱刺激發(fā)生轉(zhuǎn)換時，嵌入式控制電路控制電流轉(zhuǎn)向電路，使繼電器的開關(guān)狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，改變限流保護(hù)電路中電流的方向，進(jìn)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(zhuǎn)；上位機(jī)中存儲顯示的實(shí)際測得溫度值和疼痛感覺的分值，以供實(shí)驗(yàn)人員對人體的疼痛感覺研究和藥物的鎮(zhèn)痛效果評價。
權(quán)利要求
1.一種冷熱疼痛刺激系統(tǒng)，其特征在于，包括冷熱刺激頭(I)、保護(hù)網(wǎng)(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(jī)(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(huán)系統(tǒng)；冷熱刺激頭(I)通過嵌入式控制模塊￠)與上位機(jī)(7)連接；所述的冷熱刺激頭(I)，包括導(dǎo)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(dǎo)熱片(11)，另一面黏貼水冷頭 (14);制冷片(13)和水冷頭(14)置于導(dǎo)熱片(11)和外殼(15)組成的腔體內(nèi)；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(dǎo)熱片(11) 置于人體皮膚上的刺激點(diǎn)；所述的嵌入式控制模塊￠)，包括嵌入式處理電路、D\A轉(zhuǎn)換電路、功率放大電路、電流轉(zhuǎn)向電路、限流保護(hù)電路、橋式電路、差分放大電路、A\D轉(zhuǎn)換電路和打分電路；該嵌入式處理電路根據(jù)上位機(jī)(7)中設(shè)置的刺激溫度，產(chǎn)生相應(yīng)電壓數(shù)字信號，輸入給D\A轉(zhuǎn)換電路中轉(zhuǎn)換成模擬信號，再經(jīng)過功率放大電路放大后輸入到電流轉(zhuǎn)向電路后，再經(jīng)限流保護(hù)電路后輸入到制冷片(13)中，控制制冷片(13)的升溫或降溫，進(jìn)而控制導(dǎo)熱片(11)溫度變化； 該橋式電路將黏貼在導(dǎo)熱片(11)與制冷片(13)之間薄膜鉬熱電阻(12)的電阻值轉(zhuǎn)換成電壓值，傳輸?shù)紸\D轉(zhuǎn)換電路中轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再傳輸?shù)角度胧教幚黼娐分校旬?dāng)前溫度值與設(shè)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(dāng)前溫度值傳輸?shù)缴衔粰C(jī)(7)中存儲顯示；被試者根據(jù)當(dāng)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(zhuǎn)成電壓值，經(jīng)過A\D轉(zhuǎn)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?shù)缴衔粰C(jī)(7)中存儲顯示。
2.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于水冷頭(14)包括進(jìn)水口、出水口和內(nèi)部溝道 (16);內(nèi)部溝道(16)為M形狀，且與水冷頭(14)同一側(cè)的進(jìn)水口和出水口連成通路。
3.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于導(dǎo)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(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于外殼(15)由3_純銅薄板加工而成，且背面的中心處焊有純銅質(zhì)紐扣(18)。
5.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，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(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，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(hù)網(wǎng)(12)內(nèi)。
7.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，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(biāo)有滑塊軌道刻度，滑塊連接滑動變阻器。
8.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于嵌入式處理電路，包括STM32處理器、JTAG接口電路、實(shí)時時鐘電路和串口通信電路JTAG接口電路、實(shí)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(jī)(7)相連。
9.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于電流轉(zhuǎn)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(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于限流保護(hù)電路由自動恢復(fù)保險絲和電阻串聯(lián)構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種冷熱疼痛刺激系統(tǒng)，主要解決在核磁環(huán)境中現(xiàn)有激光刺激設(shè)備不能制冷、操作復(fù)雜、成本高的問題。它包括冷熱刺激頭(1)、保護(hù)網(wǎng)(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(jī)(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(huán)系統(tǒng)；冷熱刺激頭(1)通過嵌入式控制模塊(6)與上位機(jī)(7)連接。嵌入式控制模塊(6)根據(jù)上位機(jī)(7)設(shè)置的刺激溫度控制冷熱刺激頭(1)對人體皮膚進(jìn)行刺激，該實(shí)際刺激溫度和疼痛感覺的分值經(jīng)嵌入式控制模塊(6)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)(7)中存儲顯示。本發(fā)明具有易于操作、使用安全的優(yōu)點(diǎn)，可用于核磁環(huán)境中的對疼痛感覺的研究和鎮(zhèn)痛效果的評價。
文檔編號A61B5/00GK102579014SQ20121009951
公開日2012年7月18日 申請日期2012年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月7日
發(fā)明者何嘉全, 劉鵬, 朱振營, 田捷, 秦偉, 胡凱 申請人:西安電子科技大學(xué)