НЕОНАТАЛЬНАЯ КРОВАТКА
NEONATAL BED

Изобретение относится к медицинскому оборудованию, а именно к устройствам неонатологического профиля для выхаживания новорожденных детей.
Известна кроватка для новорожденного ребенка [1] с подогревом матраса, содержащая плоский нагреватель матраса, узел регулирования температуры и аварийную сигнализацию. Однако в этом устройстве плоский нагреватель матраса работает непосредственно от сети 220 В 50 Гц. В то же время надо отметить, что новорожденный фактически находится во влажной агрессивной токопроводящей среде. При этом несмотря на наличие защитного заземления существует некоторая вероятность поражения электрическим током обслуживающего персонала и пациента.
Наиболее близким техническим решением является кроватка [2], где в подогревателе матраса используется безопасное напряжение 12 В. Эта установка представляет из себя конструктивно законченное устройство для создания комфортной тепловой обстановки новорожденному ребенку. Установка прошла все необходимые медико-технические испытания, имеет сертификат соответствия и неоднократно экспонировалась на медицинских выставках.
Однако опыт серийного изготовления и эксплуатации такой кроватки выявил определенные недостатки этого устройства.
К ним относятся:
- относительно высокая трудоемкость регулировочных работ;
- плохая взаимозаменяемость основного элемента кроватки-термоматраса;
- отсутствие оперативной автоматической корреляции температурного режима кроватки в зависимости от изменения температуры окружающей среды.
Конструктивно термоматрас прототипа состоит из плоского нагревателя, мягкого ложа в виде поролонового коврика и термоизолятора из войлока. На плоском нагревателе закрепляются два датчика температуры (терморезисторы ММТ-1-1.5 кОм). Все эти компоненты с помощью застежки-молнии заключены в упаковку из детской клеенки. Плоский нагреватель и два датчика температуры через разъемное соединение подключаются к блокам питания и управления. Два датчика температуры являются основным регулирующим звеном в системе задания и поддержания заданных температурных режимов. Однако современные терморезисторы, используемые в качестве датчиков температуры, имеют существенный разброс по основному электрическому параметру - температурному коэффициенту сопротивления (ТКС). Так для терморезисторов, используемых в прототипе, разброс ТКС находится в пределах (2,4…5,0)%/°С. Отсюда возникает необходимость индивидуальной настройки температурного измерительного тракта в отдельности для каждой кроватки.
Кроме того, это создает определенные трудности при эксплуатации и ремонте кроваток в роддоме, поскольку после санитарной обработки термоматрасов, которая проводится регулярно, необходимо обеспечить обратную подстыковку каждого конкретного матраса именно к своей кроватке, т.е. именно к своему блоку управления.
Другая трудность заключается в том, что нельзя исключить вероятности повреждения поверхности детской клеенки матраса. Что неминуемо приведет к попаданию жидких выделений новорожденного на токопроводящую поверхность плоского нагревателя и, соответственно, к нарушениям в его работе.
И последнее. В руководстве по эксплуатации на изделие-прототип есть одно существенное ограничение. А именно указывается, что заданные температурные режимы кроватки обеспечиваются и гарантируются, если температура окружающей среды находится в пределах (24±2)°С
Задача изобретения - улучшение эксплуатационных характеристик изделия, снижение трудоемкости его изготовления, расширение температурного диапазона.
Поставленная задача достигается тем, что устройство, содержащее задатчик температурной уставки, силовой ключ, аварийный выключатель, блок силового питания, блок бесперебойного питания, прозрачную капсулу, с находящимся в ней нагревательным модулем состоящим из металличесгого основания, мягкого ложа, плоского нагревателя и двух датчиков температуры, согласно изобретению, заявленное устройство дополнительно содержит блок температурной корреляции и датчик температуры, расположенный вне прозрачной капсулы, цифровой индикатор температурной уставки, при этом все основные функции по управлению температурными режимами неонатальной кроватки выполняются блоком температурной корреляции, кроме того, плоский нагреватель и оба датчика температуры нагревательного модуля выполнены в виде изолированных токопроводящих цепей в гибкой печатной плате, установленной под металлическим основанием, на котором расположено мягкое ложе в виде гелевого матраса.
На фиг.1 представлен общий вид термокроватки;
на фиг.2 показано конструктивное исполнение нагревательного модуля;
на фиг.3 показан пример исполнения лицевой панели;
на фиг.4 показана гибкая печатная плата с плоским нагревателем и двумя датчиками температуры;
на фиг.5 показана функциональная схема заявленного устройства.
Неонатальная кроватка содержит тележку с поворотной рамой 1, прозрачную капсулу 2, нагревательный модуль 3. Нагревательный модуль содержит гибкую печатную плату 4, состоящую из плоского нагревателя 5 с контактными площадками +12 В и -12 В для подключения низковольтного источника питания; первого (аварийного) датчика температуры 6 с контактными площадками ДТ1/1 и ДТ1/2; второго (рабочего) датчика температуры 7 с контактными площадками ДТ2/1 и ДТ2/2. Металлическое основание 8 нагревательного модуля обеспечивает передачу тепла от гибкой печатной платы к мягкому ложу (гелевому матрасу) 9 и в то же время защищает нагреватель от попадания жидких выделений ребенка. Теплоизолятор 10 препятствует потерям полезного тепла. Нагревательный модуль заключен в жесткий кожух 11.
Вне прозрачной капсулы расположен третий датчик температуры (датчик окружающей среды) 12. Конструктивно этот датчик расположен внутри нагревательного модуля около впускного отверстия, через которое с помощью вентилятора (на фиг.2 не показан) засасывается воздух для охлаждения платы с электронными компонентами.
На плоский нагреватель напряжение подается от блока силового питания 13 через силовой ключ 14. Аварийный выключатель 15 отключит нагреватель, если температура в кроватке по какой-либо причине превысит допустимую. На лицевой панели устройства находится цифровой индикатор рабочей температуры 16, цифровой индикатор температурной уставки 17, задатчик температурной уставки (задатчик температуры) 18, кнопки выбора режима и другие индикаторы.
Блок температурной корреляции 19 содержит однокристальную ЭВМ 20 с перепрограммируемой памятью данных 21, памятью программ 22, процессором 23 и магистральной шиной 24. Аналоговый мультиплексор 25 обеспечивает подключение ко входу АЦП (ADC) 26 одного из датчиков температуры - рабочего 7 или окружающей среды 12. Многоразрядные ключи 27, 28 схемы селекции каналов 29 производят разделение выходной информации с АЦП на два канала, что дает возможность подключить к выходу АЦП один из регистров - регистр рабочей температуры 30 или регистр температуры окружающей среды 31. Узел фиксации температурной разности 32 показывает, на сколько температура, фиксируемая датчиком окружающей среды, отличается от эталонной, записанной в регистре эталонной температуры 33. Выходной информацией узла 32 является информация о величине числового приращения и о знаке этого приращения (плюс или минус). Узел вычисления температурной поправки 34 производит анализ информации, полученной с узла фиксации температурной разности и с регистра тепловой константы 35. В модуле коррекции температурной уставки 36 производится обработка входной информации со счетчика температурной уставки 37 и с узла вычисления температурной поправки. Скорректированная цифровая информация о температурной уставке поступает на цифровой компаратор 38, где сравнивается с цифровым кодом температуры рабочего датчика. Выходная шина 39 схемы селекции каналов обеспечивает передачу многоразрядного цифрового кода в соответствующие регистры. Выходная шина 40 регистра рабочей температуры производит передачу цифрового кода для индикации текущей рабочей температуры и одновременно эта информация поступает на цифровой компаратор. По выходной шине 41 задатчика температурной уставки производится последовательная запись в соответствующий счетчик значения температурной уставки.
Блок бесперебойного питания 42 сигнализирует о пропадании сетевого напряжения и переводит схемы управления температурными режимами на питание от аккумулятора.
Все основные функции по управлению температурными режимами неонатальной кроватки выполняются блоком температурной корреляции 19, основой которого может быть СИГМА ДЕЛЬТА АЦП высокого разрешения со встроенным микропроцессорным модулем ADu824 MK 8051 фирмы ANALOG DEVICES, выполненной в микросхемном исполнении. Особенностью этой микросхемы является наличие двух АЦП на 16-и на 24- разряда, встроенной периферии в виде внутреннего датчика температуры, 12-разрядного ЦАП, источника тока возбуждения, счетчика временного интервала, последовательного порта и других схем.
Основными информационными входными каналами для блока 19 являются два датчика температуры 7, 12 и задатчик температурной уставки 18. Первый и второй датчики температуры 6, 7 являются составной частью нагревательного модуля 3 и расположены на гибкой печатной плате 4.
Первый (аварийный) датчик температуры 6 вместе со схемой аварийного выключателя 15 выполняет функцию защиты кроватки в случае отказа системы терморегулирования. Функционально узел 15 может быть выполнен аналогично прототипу и содержит пороговую схему, оконечным каскадом которой является реле, которое разрывает входную цепь силового ключа 14, отключая плоский нагреватель 5.
Все следующие операции, выполняемые с помощью однокристальной ЭВМ 20, направлены на то, чтобы снять ограничения по температуре окружающей среды, при которой гарантируются заданные температурные режимы.
Два датчика температуры 7, 12 вместе с блоком 19 собственно и выполняют функцию автоматического регулирования температуры неонатальной кроватки. Аналоговый мультиплексор 25 по команде из ЭВМ 20 подключает ко входу АЦП 26 датчик температуры 7 (рабочий). АЦП имеет высокоточный источник опорного напряжения UonopH. В АЦП аналоговая информация о текущей температуре нагревателя 5 сравнивается с опорным напряжением и преобразуется в цифровую форму. Этой же командой подается разрешение на многоразрядные ключи 27, 28 в схеме селекции каналов 29 и цифровая информация о текущей температуре в нагревательном модуле через шину 39 заносится в регистр рабочей температуры 30 и там хранится.
Следующей командой из ЭВМ 20 на выход мультиплексора поступает аналоговая информация с еще одного датчика - датчика температуры окружающей среды 12, она тоже преобразуется в цифровую форму и через многоразрядные ключи 27, 28 и шину 39 переписывается на хранение теперь уже в регистр температуры окружающей среды 31.
В этом же блоке 19 программно-аппаратными средствами организован регистр эталонной температуры 33. За эталонную температуру может быть принята температура, например, 24°С, при которой нормально работает кроватка-прототип. Цифровой код эталонной температуры хранится в памяти ЭВМ 20 и по соответствующей команде переписывается в регистр эталонной температуры 33.
После этого в узле фиксации температурной разности 32, опять же программно-аппаратными средствами, фиксируется на сколько в текущий момент времени температура окружающей среды отличается от эталонной, т.е. формируется цифровое значение приращения температуры окружающей среды. Понятно, что это приращение может быть как положительным, так и отрицательным, в зависимости от того, в какую сторону изменилась температура окружающей среды.
Затем производится определение величины температурной поправки. Эта операция выполняется в узле вычисления температурной поправки 34, где программными средствами формируется температурный поправочный коэффициент с учетом еще одной величины, под названием ТЕПЛОВАЯ КОНСТАНТА. Этот параметр отражает конструктивные особенности конкретного нагревательного модуля. Дело в том, что при измерении температуры поверхности матраса невозможно по конструктивным соображениям установить датчик температуры непосредственно на матрасе, т.е. под новорожденным. Поэтому управление нагревателем производится с помощью датчика температуры 7 (рабочий датчик), который находится на гибкой печатной плате 4 внутри нагревательного модуля 3. В этом случае неизбежно присутствует разница температур на поверхности матраса и внутри нагревательного модуля 3. В зависимости от конструктивных особенностей матраса, его толщины, теплопроводных свойств гелевого наполнителя и т.п., эта температурная разница может достигать 8°С. То есть, если поверхность матраса нагрета, например, до температуры 35°С, то температура плоского нагревателя на этот момент может составить уже 43°С. Эта разница температур и является тепловой константой матраса. Таким образом, этот параметр учитывает конструктивные и теплопроводные особенности конкретных гелевых матрасов. Конкретная величина этой константы определяется при регулировке кроватки и хранится в памяти ЭВМ 20 и по очередной команде через магистральную шину 24 переписывается в регистр тепловой константы 35. Таким образом, в узле вычисления температурной поправки происходит сложение цифрового кода температурной разности, хранящейся в узле 32 и кода тепловой константы (регистр 35) с учетом знака температурной разности сформированной в узле 32.
Итоговой операцией блока 19 является операция коррекции заданной температурной уставки (заданной температуры), выполняемая по результатам анализа изменяющейся температуры окружающей среды и с учетом теплопроводных особенностей конкретного гелевого матраса. Такая коррекция выполняется программными средствами в модуле коррекции температурной уставки (модуле коррекции заданной температуры) 36. Сущность операции заключается в том, что с помощью этого модуля производится автоматическая подстройка заданной температурной уставки, т.е. уставки (заданной температуры), которая отражена в неизменном виде на цифровом индикаторе 17. Эта текущая температурная уставка задается задатчиком температурной уставки (задатчиком температуры) 18 и через шину 41 (которая соединяет первый и второй выходы (выходы увеличения и уменьшения заданной температуры) задатчика температурной уставки соответственно с третьим и четвертым входами блока температурной корреляции) записывается и сохраняется в счетчике температурной уставки (счетчике заданной температуры) 37.
Таким образом, для коррекции температурной уставки имеются все исходные данные, а именно: заданная температурная уставка (со счетчика 37) и цифровой код температурной поправки (с узла вычисления температурной поправки 34).
Цифровой код скорректированной цифровой температурной уставки по команде из ЭВМ 20 поступает на второй вход цифрового компаратора 38, где сравнивается с цифровым кодом текущей температуры матраса, поступившим по шине 40 из регистра 30 (регистр рабочей температуры) на первый вход компаратора. Цифровой компаратор 38 выдаст разрешающий сигнал на вход силового ключа 14, т.е. на включение нагревателя на все то время, пока рабочая температура матраса будет меньше скорректированной температурной уставки (имеется конечно ввиду, что цепь аварийного выключателя 15 в этом случае замкнута).
Обмен информацией между узлами в блоке температурной корреляции 19 производится по магистральной шине 24.
Как уже отмечалось, блок температурной корреляции может быть выполнен на основе микроконтроллера МК ADuC 824. Микросхема выпускается в 52 контактном корпусе и имеет развернутую систему отладки и программирования, совместимую с операционной системой WINDOWS-98.
Согласно техническим требованиям на подобные изделия они должны быть работоспособны даже при кратковременном пропадании сетевого напряжения. Обязательным атрибутом подобной схемы является аккумулятор и зарядное устройств. В прототипе имеется такая схема, но она выполняет там только функцию сигнализации о пропадании сетевого напряжения. Блок бесперебойного питания 42 можно выполнить, например, по схеме, приведенной в журнале РАДИО (ж.РАДИО, 2001 г. №7,стр.44). Как отмечается в этой статье "при неисправности питающей сети прибор просто продолжит работу от аккумулятора, как только напряжение сети будет восстановлено, аккумулятор начнет подзаряжаться". Блок 42 позволяет сохранить на цифровом табло всю текущую информацию о рабочей температуре и температурной уставке даже при кратковременном пропадании сетевого напряжения. Блок этот, естественно, предназначен только для питания схем управления и индикации, но отнюдь не силовых цепей.
К силовым цепям относится, прежде всего, плоский нагреватель 5, который может потреблять ток не менее 10 А при напряжении 12 В. Источником тока для плоского нагревателя выступает блок силового питания 13. В качестве его может быть использован блок MPS-200-12 фирмы MEAN WELL, он рассчитан на ток 16 А при выходном напряжении 12 В. Но главная его особенность заключается в том, что эта разработка имеет специальную медицинскую серию и имеет повышенную электрическую прочность, его пробойное напряжение составляет не менее 4000 В.
Отличительной особенностью заявленного технического решения является также то, что удалось физически отделить мягкое ложе (гелевый матрас) 9 от гибкой печатной платы 4 с нагревателем (фиг.2), расположив между ними металлическое основание 8. Это металлическое основание несет три функции - образует жесткую горизонтальную поверхность для матраса, передает тепло от плоского нагревателя к матрасу и защищает гибкую печатную плату 4 от попадания жидких выделений новорожденного.
Теперь о конструктивном исполнении плоского нагревателя.
Известно техническое решение исполнения плоского нагревателя в виде печатной платы (см. например патент RU 2126605). Однако в отличие от этого патента в заявленном техническом решении на одной печатной плате в едином технологическом процессе выполнен не только плоский нагреватель, но и два датчика температуры. Это позволило существенно снизить трудоемкость монтажных и регулировочных работ. В самом деле, теперь исключаются операции установки и закрепления нитками и клеем на плоском нагревателе терморезисторов, которые выполняют роль датчиков температуры. Кроме того, существенно упрощается калибровка температурного диапазона кроваток за счет высокой повторяемости датчиков температуры и обеспечения высокой стабильности их основного параметра - температурного коэффициента сопротивления.
Еще одно немаловажное преимущество заявленного технического решения заключается в том, что существенно упрощаются регламентные и ремонтные работы. Регламентной санитарной обработке теперь подвергается не термоматрас вместе с нагревателем и датчиками, а только гелевый матрас ребенка, в то время как гибкая печатная плата 4 с нагревателем 5 и датчиками температуры 6, 7 защищены металлическим основанием 8 от попадания моющего раствора на нагреватель. При этом резко уменьшается вероятность обрыва плоского нагревателя и датчиков температуры.
Кроме того, введение в состав устройства блока температурной корреляции 19 снижает требования к обеспечению стабильной температуры при регулировке и эксплуатации неонатальной кроватки.
В заявленном техническом решении учтен опыт изготовления и эксплуатации большой партии термокроваток ДЕТКА-12-01 и ДЕТКА-12-01М на предприятии. При этом предполагается использовать новую современную элементную базу, а также новые технические решения в дизайнерском оформлении.
Таким образом, заявленная неонатальная кроватка содержит задатчик температурной уставки, силовой ключ, аварийный выключатель, блок силового питания, блок бесперебойного питания, прозрачную капсулу, с находящимся в ней нагревательным модулем, состоящим из металлического основания, мягкого ложа, плоского нагревателя, соединенного с выходом силового ключа, первого и второго датчиков температуры, причем выход первого датчика температуры соединен с первым управляющим входом аварийного выключателя, выход которого соединен с управляющим входом силового ключа, силовой вход которого соединен с выходом блока силового питания, а выход блока бесперебойного питания соединен с входом блока силового питания. Отличительная особенность заявленного изобретения заключается в том, что неонатальная кроватка дополнительно содержит блок температурной корреляции, третий датчик температуры, расположенный вне прозрачной капсулы, цифровой индикатор температурной уставки, цифровой индикатор рабочей температуры и цифровой компаратор, при этом первый, второй, третий и четвертый входы блока температурной корреляции соответственно соединены с выходами второго и третьего датчиков температуры, с первым и вторым выходами задатчика температурной уставки; блок температурной корреляции первым выходом связан с входом цифрового индикатора рабочей температуры и первым входом цифрового компаратора, вторым и третьим выходами связан соответственно с вторым входом цифрового компаратора и входом цифрового индикатора температурной уставки; выход магистральной шины блока температурной корреляции связан с блоком бесперебойного питания и с блоком силового питания; выход цифрового компаратора связан со вторым входом аварийного выключателя, кроме того, плоский нагреватель, первый и второй датчики температуры нагревательного модуля выполнены в виде изолированных токопроводящих цепей в гибкой печатной плате, установленной под металлическим основанием, на котором расположено мягкое ложе в виде гелевого матраса.
Кроме того, блок температурной корреляции включает в себя: аналоговый мультиплексор, аналого-цифровой преобразователь, схему селекции каналов, регистр рабочей температуры, регистр температуры окружающей среды, регистр эталонной температуры, регистр тепловой константы, счетчик температурной уставки, узел фиксации температурной разности, узел вычисления температурной поправки, модуль коррекции температурной уставки, соединенные магистральной шиной с ЭВМ, причем первый и второй входы аналогового мультиплексора являются соответственно первым и вторым входами блока температурной корреляции, выход аналогового мультиплексора соединен с аналоговым входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с информационным входом схемы селекции каналов, выходная шина которой соединена с информационными входами регистра рабочей температуры и регистра температуры окружающей среды, выходная шина регистра рабочей температуры образует первый выход блока температурной корреляции, выход регистра окружающей среды соединен с первым входом сложения узла фиксации температурной разности, второй вход вычитания которой соединен с выходом регистра эталонной температуры, первый и второй выходы узла фиксации температурной разности соединены соответственно с первым и вторым входами узла вычисления температурной поправки, третий вход которого соединен с выходом регистра тепловой константы, выход узла вычисления температурной поправки соединен с первым входом модуля коррекции температурной уставки, второй вход которого соединен с выходом счетчика температурной уставки, первый и второй входы которого образуют соответственно третий и четвертый входы блока температурной корреляции, выход модуля коррекции температурной уставки образует второй выход блока температурной корреляции, выход счетчика температурной уставки образует третий выход блока температурной корреляции.
Источники информации
1. Согревающая кроватка "Амитерм" фирмы AMEDA Switzerland. Проспект фирмы. 1990 г.
2. Термокроватка неонатальная ДЕТКА-12-01. Руководство по эксплуатации. (прототип) 1996 г.