具体实施方式

以下各实施例的说明是参考附图，用以示例本发明可以用以实施的特定实施例。

如图1、图2和图3所示，本实施例公开了一种多功能智能温控手术器械台，该多功能智能温控手术器械台包括冲洗液容器、活动托盘1、温度检测模块2、控制模块3、供电模块4和加热模块，活动托盘1用于放置冲洗液容器；温度检测模块2用于检测冲洗液容器的温度；供电模块4连接于活动托盘1，且供电模块4电连接于温度检测模块2和控制模块3，供电模块4用于检测托盘上放置有冲洗液容器并用于对温度检测模块2和控制模块3进行供电；控制模块3的输入端电连接于温度检测模块2，控制模块3的输出端电连接于加热模块；控制模块3用于接收温度检测模块2发出的实时温度值并与其内部设定值进行比较，以用于控制加热模块的开关。

控制模块3通过温度检测模块2对冲洗液容器的温度自动进行采样、实时监控。当冲洗液容器的温度低于控制模块3的设定值时，控制模块3将控制加热模块打开并启动加热功能，反之关闭加热功能，通过自然冷却回温。其中，多功能智能温控手术器械台在术中对冲洗液容器具有持续加温功能，温度可控范围36-43℃，且冲洗液容器满足无菌要求或可高温高压灭菌。且多功能智能温控手术器械台安全耐用。

其中，控制模块3采用PID控制原理，设置控制温度范围，实现温控精度优于±0.5℃。控制模块3的温度控制算法采用开关控制算法，其为最优时间控制中的一种，实现时根据系统环境温度较为稳定的特点，对其进行了优化。时间最优控制是Pontryagin于1956年提出的一种最优控制方法，它是研究满足约束条件下获得允许控制的方法，也叫最大值原理，用最大值原理可以设计出控制变量只在|u(t)|≤1范围内取值的时间最优控制系统，而在工程上|u(t)|≤1都只取±1两个值，而且依照一定的法则加以切换，使得系统从一个初始状态转到另一个状态所经历的过渡时间最短，这种类型的最优切换系统，称为开关控制系统，即

u_k为t＝kT时控制器的输出，u_max为系统的最大输出，e(k)为温度给定值与测量值之差，当偏差大于零时，控制器输出控制最大值，当偏差小于或者等于零时，控制器停止输出，这种算法具有控制简单、实现方便等优点，特别适合具有环境温度控制的且控制算法要求安全简单的红外探测器温控电路上，实现环境温度较为稳定，仅控制探测器内部较小区域内温度具有较高稳定性的控制要求。开关控制方法简单，但是在偏差接近零时，系统容易发生震荡，根据系统的特点，采用两种方法对其进行改进。首先将每次输出的控制量降低，同时提高系统的温度采样频率、温度的最小分辨率及系统控制量输出的频次，在环境无急剧温度变化，而且系统发热量较为稳定的条件下，使其在要求的温度范围内震荡；其次，采用为了提高系统的快速响应能力将控制算法改为三段式开关控制，如下式所示。

工程实现时使用军用级单片机作为控制单元，基于开关控制算法，产生PWM信号，驱动外部FET电路，将PWM信号转换为电流信号，驱动TEC制冷。温控软件核心温控算法实现的具体流程，首先测量当前温度，然后判断采集到的当前温度是否大于设定温度，若大于设定温度，则比较设定温度与当前温度差值是否小于ε₁，若小于则比较差值与ε₂，若大于则修改占空比增加的频次为f₁。当差值比ε₂大时则修改占空比增加的频次为f₂。然后输出占空比增加标志信号，实现温度的下降。

本实施例的多功能智能温控手术器械台主要用于摆放并实现手术器械、敷料和术中冲洗液的温度监视和控制，使处于常温的手术器械、敷料、冲洗液接近或高于患者体温。通过对温度控制功能，可显著减少手术器械、敷料、冲洗液等手术用品引起的患者核心体温的下降，减少机体热量丧失，避免低体温，降低术后出现寒战的概率；同时，有助于维护机体温度，改善患者体温状况，可促进患者术后快速康复，缩短术后拔管时间、苏醒时间、住院时间。

供电模块4包括无线充电发射端和无线充电接收端，无线充电发射端用于在工作距离范围内检测冲洗液容器的磁铁模块并产生磁场，无线充电接收端接收到磁场将用于对温度检测模块2和控制模块3进行供电。供电模块4主要采用电磁感应原理，通过线圈进行能量耦合实现能量的传递。利用法拉第电磁感应，当电流通过无线充电发射端的线圈之后，便会产生出磁场；磁场通过无线充电接收端的线圈时，电磁感应产生电流，从而将能量从无线充电发射端转移到无线充电接收端。无线充电发射端采用磁性接近模块作为开关，当冲洗液容器的磁铁模块达到无线充电发射端的工作距离范围内，无线充电发射端开始工作，产生磁场。磁场通过无线充电接收端的线圈时，电磁感应产生电流，为温控和检测模块进行供电。

其中，无线充电发射端和无线充电接收端之间的工作距离为5～20mm。无线充电发射端和无线充电接收端的工作距离设计为5～20mm，其作用有两点：1)满足多功能智能温控手术器械台铺设多层医用无菌棉布的需要；2)电磁感应只在很短的距离作用，可避免电磁辐射对医学仪器的干扰。

进一步地，供电模块4包括锂电池，锂电池为18650电池或者21700电池。无线充电发射端采用锂电池进行供电。目前工业应用较广泛的锂离子电池单体采用圆柱型封装设计，典型代表有18650电池以及21700电池。18650和21700分别代表了直径为18mm和21mm，长度为65mm和70mm。

18650锂电池安全性能高，不爆炸，不燃烧；无毒，无污染，经过RoHS商标认证；且耐高温性能好，65度条件下放电效率达100％。18650电池一般采用钢壳封装，在发生碰撞等极端情况下，更能尽量减少安全事故的发生，安全性高。除此之外，18650每个电池单元的尺寸小，将每个单元的能量可控制在较小的范围，与使用大尺寸电池单元相比，即使电池组的某个单元发生故障，也能降低故障带来的影响。18650锂电池的容量一般为1200mah～3600mah，而且具有很低的自放电率。18650电芯的能量密度目前能够达到250Wh/kg的水平。

21700电池单体容量提升35％。以特斯拉生产的21700电池为例，从18650型号切换至21700型号后，电池单体电池容量可以达到3～4.8Ah，大幅提升35％。21700电池的系统能量密度提升约20％，能量密度在300Wh/kg左右。由于1700电池的系统能量密度更高，便于集成，降低锂电池储能模块的重量。通过锂电池的串并联组合实现24V/100AH的输出。

多功能智能温控手术器械台还包括无线数传模块，控制模块3的输出端电连接于无线数传模块，控制模块3用于接收温度检测模块2发出的实时温度值并将实时温度值输送至无线数传模块。控制模块3同时通过无线数传模块将冲洗液容器的实时监控温度数据发送给用户，提供温度数据参考。

其中，无线数传模块可以为Zigbee无线数传模块。Zigbee技术是一种应用于短距离和低速率下的无线通信技术。ZigBee是一种无线连接，可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(欧洲流行)和915MHz(美国流行)3个频段上,分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率，它的传输距离在10-75m的范围内，但可以继续增加。作为一种无线通信技术，ZigBee具有如下特点：

(1)ZigBee的功耗低，发射功率仅为1mW。(2)ZigBee的成本低，并且ZigBee协议免专利费。(3)ZigBee的通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延30ms，休眠激活的时延是15ms，活动设备信道接入的时延为15ms。因此ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制(如工业控制场合等)应用。(4)ZigBee网络容量大，一个星型结构的Zigbee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络，而且网络组成灵活。(5)ZigBee采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。(6)ZigBee提供了基于循环冗余校验(CRC)的数据包完整性检查功能，安全性能高。

目前Zigbee技术已广泛应用于物联网产业链中的M2M行业，如智能电网、智能交通、智能家居、金融、移动POS终端、供应链自动化、工业自动化、智能建筑、消防、公共安全、环境保护、气象、数字化医疗、遥感勘测、农业、林业、水务、煤矿、石化等领域。

多功能智能温控手术器械台还包括数显温度控制面板5，数显温度控制面板5电连接于温度检测模块2并用于显示冲洗液容器的温度。通过数显温度控制面板5实时显示冲洗液容器的温度。本实施例的多功能智能温控手术器械升降台的主要功能包括有摆放手术器械、敷料和冲洗液；且采用遥控技术对术中冲洗液进行温度控制，维持预设的恒温状态；同时，实时监测和记录术中冲洗液的温度等参数，提供术中数据参考。

加热模块为加热片，加热片的加热功率最大为100W。加热片主要用于冲洗液容器的加热和温控。为了满足冲洗液容器的温控范围覆盖36-43℃，温控精度优于±0.5℃的指标要求，加热片的功率设计为100W，可解决冲洗液2℃/5min的温度下降速率，同时可实现温升速率1℃/5min，具体核算过程如下。

冲洗液经过温箱的加温后的温度为38℃，一次使用量为2kg。冲洗液一般放置于不锈钢材质的手术盆中，根据材质的导热系数以及环境对流散热的初步估计，通常的温度下降速率约为2℃/5min。5分钟内冲洗液的散发热量可通过下式计算获得，其中Q为散发热量；C_w为水的比热容；M_w为水的质量；ΔT_w为水的温差。

Q＝C_wM_wΔT_w (3)

根据上式，5分钟内散发热量4.2×10³J/(kg·℃)×2kg×2℃＝1.68×10⁴J，24h内散发热量约为4.8×10⁶J。为了解决冲洗液2℃/5min的温度下降速率，采用电加热的功率至少≥62W，设计最大加热功率为100W，实现温升速率1℃/5min。

根据1度电为热量3.6MJ核算，为了实现24时间维持38℃±0.5℃的温控要求，考虑到多功能温控手术器械升降台6的满负荷工作，所需的电量为1.3度电。因此电池电量所需为24V50Ah，考虑到实际的电池损耗，设计电池电量所需为24V100Ah。

本项目中，冲洗液容器的材质根据不锈钢材质进行核算，其导热系数为30W/(m·℃)。如果冲洗液容器的材质采用保温材料，自然条件下，冲洗液温度下降速率会显著下降，因此温升速率将进一步提高。

多功能智能温控手术器械台还包括升降台6，活动托盘1设置于升降台6上，升降台6采用可伸缩结构能够实现高度的调节。通过升降台6的升降伸缩能够实现高度的调节。

本实施例的多功能智能温控手术器械台，目前初步试验了无线充电发射端和无线充电接收端的功能测试。无线充电发射端和无线充电接收端的电磁场可完全穿透无菌无尘布、书本等非金属材料。采用供电模块4的供电，温度检测模块2可完成预设温度控制功能测试，温控精度满足±0.5℃，温控范围覆盖20℃～100℃。其中，温度检测模块2可以为温度传感器。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。