红外线热疗（通用4篇）
红外线热疗 篇1
0 引言
近年来,TiO2/石墨烯类纳米复合材料吸引了越来越多研究者的关注[1,2,3,4,5,6,7],这主要源于该类纳米材料可以充分融合TiO2和石墨烯的各自优势。例如,Wang等开发了一类以阴离子表面活性剂为媒介的金属氧化物-石墨烯纳米复合材料,该类新型复合材料锂离子嵌脱动力学优异,且高倍率充放电性能突出[8]。Dang等成功制备了一类Au@TiO2/石墨烯核-壳结构复合纳米颗粒,在可见光诱导下,该类材料对2,4-二氯酚呈现了良好的光催化降解效应[9]。近期,有研究者也成功制备了一种TiO2纳米颗粒/石墨烯纳米复合材料,该材料具有较好的光催化制氢性能[10]。
石墨烯具有优异的物理及化学性能[[11,12,13,14]]。值得注意的是,石墨烯类纳米材料吸收近红外光(NIR,700~1100nm)能力强,并可在最小损伤基础上实现对目标肿瘤细胞的光热灭活。基于该类材料的特殊性能,近年来,一些研究者开展了石墨烯肿瘤热疗的相关研究[15,16,17]。例如,Jung等发现,在近红外光的激发下,石墨烯氧化物具有较好的致热效应,并能在一定程度上破坏肿瘤细胞的活性,而健康细胞受损较小[18]。前期研究也发现,氧化锡/石墨烯纳米复合材料也可作为近红外光热治疗试剂破坏肾癌细胞活性[19]。
TiO2具有一定的光热催化或灭活特性[20,21,22,23]。一些研究者通过体外实验发现,在近红外区,二氧化钛纳米管可诱导肿瘤灭活,其细胞活性显著降低为1.35%,显示了二氧化钛纳米材料的良好肿瘤光热灭活性能[24]。
现有大多数文献报道的相关研究均集中在TiO2纳米颗粒/石墨烯、TiO2纳米棒/石墨烯片、大孔-介孔TiO2-石墨烯膜、TiO2@石墨烯氧化物核-壳结构(NGOTs)等方面[25,26]。本工作由一锅煮溶剂热法制备得到新型TiO2纳米带/石墨烯纳米片复合材料,并深入研究了该纳米材料在近红外光区对小鼠肾癌细胞的光热灭活效果,以评价TiO2/GR纳米材料作为肾癌光热治疗试剂的可行性。
1 实验
1.1 材料与表征
1.1.1 试验试剂
石墨粉(325目,99.99995%)购于Sigma Aldrich中国有限公司,小鼠肾癌细胞由浙江湖州市第一人民医院提供。10%胎牛血清等生化试剂购自上海生物工程有限公司。TiO2(锐钛矿,99.8%)及常规化学试剂均购自阿拉丁(上海)有限公司(分析纯)。试剂预处理及0.1mg/mL TiO2/GR分散液制备参考文献[27]。
1.1.2 样品表征及激光设备
产物尺寸、形貌由JEM-2010F透射电镜(TEM)、JSM-7401F场发射扫描电镜(FESEM)进行表征,工作电压:200kV。产物X射线衍射(XRD)表征在德国Bruker D8-advance X射线衍射仪上进行,单色Cu Kα辐射线(λ=1.5418),2θ扫描角度为10~70°,步长为0.02°。激光热电偶装置选用瑞典Cobolt RumbaTM型单频激光器,具体参数设定参考文献[27]。
1.2 二氧化钛纳米带/石墨烯复合材料的制备
石墨烯氧化物(GO)参照改进型Hummers法制备[10,27],取制备后的石墨烯氧化物5mg分散于15mL去离子水中,超声30min。随后,将15mL异丙醇加入该分散液中,磁力搅拌15min。搅拌结束后,加入100mg二氧化钛(锐钛矿),继续超声60min,然后加入4.8g氢氧化钠,短暂超声1min,将该分散体系转移至聚四氟乙烯衬里不锈钢反应釜。将反应釜置于180℃烘箱中,时间为18h,随后取出反应釜,自然冷却到室温。所得产物经过滤、0.1mol/L HCl洗涤、去离子水洗涤(洗至pH为7)后,65℃真空干燥24h即得TiO2/GR纳米复合材料。
1.3 肾癌细胞培养及存活力分析
选用小鼠肾癌细胞为模型,细胞培养液选用含1%青霉素-链霉素的RMPI-1640培养基(含10%胎牛血清及L-谷氨酰胺),上述实验均在超净工作台上进行。小鼠肾癌细胞预先在37℃、5%CO2调节下置于CO2培养箱中培养一定时间,至该细胞贴壁并逐渐铺满培养皿的底部。采用胰蛋白酶(Trypsin)将细胞消化后加入RMPI-1640培养基分散于24孔板中,每孔约含上述细胞2×105个,并培养至细胞完全贴壁。随后将所制备的TiO2/GR分散液(0.1mg/mL)除菌溶解于培养基中,分别加入孔内与细胞共同培养,分别于16h、24h和48h用台酚蓝(Trypan Blue)染色细胞,并对活细胞进行计数。对照试验采用等体积培养基为参比,实验组以及对照组的细胞相对活性评价则采用标准的MTT(甲基偶氮唑蓝试剂)比色法进行。
2 结果与讨论
2.1 二氧化钛纳米带/石墨烯复合材料的表征分析
采用一锅煮溶剂热法成功合成二氧化钛纳米带/石墨烯复合材料,该过程可以同步实现石墨烯的还原及TiO2/GR的原位生成。深入研究发现,TiO2/GR的最优合成条件为:石墨烯氧化物(GO)5mg,水15mL,异丙醇15mL,二氧化钛100mg,氢氧化钠4.8g。合成过程中,将该分散体系转移至聚四氟乙烯衬里不锈钢反应釜,随后将该反应釜置于烘箱中,于180℃反应18h后倒出反应物,经反复洗涤及真空干燥即可制备TiO2/GR复合材料。
研究表明,封闭的碱性溶剂热条件可还原石墨烯氧化物[[28,29]]。通常GO的组成在C8O2H3和C8O4H5之间(例如C/O比1.68)[29,[30]。Wang等以N,N-二甲基乙酰胺为溶剂,在180℃、12h的溶剂热条件下成功实现了GO的还原。反应产物用俄歇能谱测定C/O以判断还原程度,该工作C/O数值为14.3,还原程度比常压条件采用水合肼法还原得到的石墨烯更高[30,3[31]]。
利用透射电镜、扫描电镜及选区电子衍射等分别对TiO2/GR的形貌、结构和尺寸进行了详细表征。TEM图显示该类纳米材料呈带状形貌(见图1(a)),该带状结构长度3~8μm,宽度约100nm。材料用高分辨透射电镜(HR-TEM)进行了进一步表征,如图1(b)所示,TiO2带状结构具有显著的锐钛矿多晶结构。图1(b)所标注的两个晶格间距分别为0.398nm和0.685nm,对应于锐钛矿晶格的(101)和(200)晶面。由HRTEM图(见图1(b)右上插图)可以观察到所包裹的石墨烯的结晶特性,晶格条纹为0.34nm,可视为单层石墨烯[32]。该区域SAED图(见图1(b)左上插图)可观察到六重对称性的单晶特性,可视为单层或双层石墨烯[33,34]]。
由SEM图(见图2)可知,该纳米材料宽度约100nm,长度约数微米,与图1透射电镜图观察结果相符。
2.2 制备二氧化钛纳米带/石墨烯复合材料的影响因素及形成机理
反应条件对TiO2/GR的合成有一定影响,本工作分别研究了不同因素对制备TiO2/GR的影响,如GO比例、溶剂热时间、氢氧化钠用量等。如图3(a)所示,当起始原料GO的比例为2.5%(GO/TiO2,质量分数)时,TiO2纳米带被石墨烯的包覆效果较差。当GO的比例升高为7.5%时,石墨烯纳米片与TiO2纳米带仅呈现比较松散的连接,包覆效果比5%GO添加比例条件下更差(见图3(c))。类似的,当GO比例升高至10%(见图2(d))或15%时,石墨烯纳米片对TiO2的包覆仍不完全。一系列实验探索表明,5%GO的添加比例能得到较好的石墨烯纳米片对TiO2纳米带的包覆效果,得到目标TiO2/GR复合材料(见图3(b))。
溶剂热时间对TiO2/GR的形成也有重要影响。如图4(a)所示,当溶剂热时间控制在12h时,反应体系仅能形成比较细长的TiO2/GR复合材料,无法形成石墨烯纳米片包覆的TiO2纳米带结构。将溶剂热时间延长至22h,产物仍呈现团聚状态(见图4(c)),无法形成石墨烯包覆的纳米带状形貌。深入研究发现,TiO2/GR复合材料的最优化溶剂热时间为18h(见图4(b))。
本工作也研究了氢氧化钠添加量对TiO2/GR合成的影响。深入研究发现,当氢氧化钠比例控制在36(NaOH与TiO2的质量比,下同)时,反应并未形成石墨烯纳米片包覆的二氧化钛带状结构,而仅形成了丝状形貌的复合物(见图5)。进一步研究发现,TiO2/GR合成的最佳氢氧化钠添加比例为48。
上述反应体系中,所有的反应介质或反应物(水、异丙醇和氢氧化钠)均含有丰富的-OH-基团。而作为起始原料的GO含有丰富的含氧基团,亲水性强。另一方面,TiO2分子结构中含有2个氧原子,可以较好地形成胶状分散体。GO结构上的羧基、羰基、羟基及环氧等基团可以与TiO2结构的氧原子形成大量氢键。在上述溶剂热过程中,TiO2晶粒形成的中间体[TiO]2+可以与GO上的羰基、环氧等基团作用,而带正电的[TiO]2+则可以与带负电(Zeta电位)的GO纳米片结合[35]。因此,碱性环境下强溶剂热条件可以实现石墨烯纳米片对TiO2带的包覆,同步实现石墨烯的还原及TiO2/GR的原位生成。
在TiO2晶粒的所有晶面中,(101)晶面具有最高活性。相对异丙醇和氢氧化钠而言,水分子具有更高极性和更小空间位阻,因此水分子与其他介质或反应物相比,更容易与TiO2(101)晶面作用。另一方面,与水分子相比,异丙醇则倾向于与TiO2(004)和(200)晶面结合而非(101)晶面。石墨烯氧化物则通过静电作用及氢键作用力与所形成的二氧化钛纳米带结合。在碱性条件及180℃高温下,GO纳米片被同步还原为石墨烯纳米片[36]。
2.3 二氧化钛纳米带/石墨烯复合材料的近红外热效应分析
功能石墨烯纳米材料是近年来的研究热点[37,38,39]。而现有涉及二氧化钛/石墨烯复合材料的文献报道的研究大部分均集中在非选择性光催化、光催化选择性有机合成、光催化染料降解及光催化制氢等常见研究领域,较少有以该类复合材料作为光热试剂用于肿瘤(如肾癌)细胞灭活的研究报道。
在1064nm近红外光激发下,0.1mg/mL TiO2/GR可吸收近红外光并升温明显。本工作采用瑞典Cobolt RumbaTM型单频激光器,装置中的单频激光器与光纤探针相耦合,距激光束垂直照射中心处附近(约4mm)设置两个注射针型热电偶传感器实时探测温度变化,升温条件均为3 W,5min,激光器波长为1064nm。图6(a)所示为不含TiO2/GR纳米复合材料的对照组升温曲线图,对照组采用含1%PL-127和2.5%HAc的PBS缓冲溶液替代TiO2/GR纳米复合材料。图6(b)所示则为含有0.1mg/mL TiO2/GR纳米复合材料的升温曲线,二者的升温条件相同。从曲线对照可以看到,图6(a)的升温速度较慢,从室温升至最高温度需280s左右。且最高温度仅为29.09℃,并未达到诱发癌细胞凋亡的临界温度(43℃),无法达到光热灭活的理想效果。而如图6(b)所示,实验组中约1min即可升至临界温度43℃以上,由室温升至最高温度(63.11℃)仅需250s左右,进而诱发肾癌细胞大量凋亡和少量坏死,达到光热灭活的效果。
不同石墨烯添加量对升温效果也有一定影响。如图7所示,当未添加石墨烯时(以GO作参考指标,标记为0%GO),最高温度为29.09℃。而当添加GO后,该体系的最高温度提升明显。当GO添加量为1.5%(质量分数)时,最高温度升至39.55℃,进一步增加GO比例,体系的最高温度也明显提升。当GO比例控制在5%时,TiO2/GR纳米复合材料最高温度可达63.11℃。然而,当GO比例超过5%时,最高温度的升幅越来越小。由图7不同GO添加量下升温柱状图可直观地观察到这一趋势。
当GO比例控制在5%时,石墨烯可以实现较好的包覆,成功制备TiO2/GR复合材料。本工作中,5%GO为最优的添加比例。作为对比,分别研究了0%及5%GO添加量下升温绝对值。在这两个条件下,两个体系升温绝对值差异明显。如图8所示,未添加TiO2/GR复合材料时的升温绝对值为4.06℃,而添加TiO2/GR复合材料(5%GO添加量)时的升温绝对值达38.41℃,远高于未添加该复合材料的升温绝对值,这一数据表明TiO2/GR近红外致热效应显著。
2.4 二氧化钛纳米带/石墨烯复合材料的肾癌细胞灭活研究
石墨烯及TiO2均具有较好的光致热效应,融合了二者各自优势的TiO2/GR有望具有优异的光热灭活效果。以小鼠肾癌细胞为研究对象,考察TiO2/GR复合材料对该类肿瘤细胞的灭活效果。图9给出了不同实验条件下台酚蓝染色肾癌细胞活力数据,对于未添加TiO2/GR光热试剂、无激光照射的对照组,细胞活力值为99.31%,仍保持较强活性;而对于添加有TiO2/GR光热试剂、但无激光照射的实验组,MTT细胞相对存活率为99.42%,仍保持相对高的存活率;对于未添加TiO2/GR光热试剂、但有激光照射的实验组,检测到的细胞存活率为98.15%,较前面两组实验数据仅微幅降低;对于添加TiO2/GR光热试剂且有激光照射的实验组,细胞相对存活率为4.72%,较对照组及其他两个实验组活力值显著降低。这些数据表明,在激光照射下,TiO2/GR光热肿瘤灭活效果较好。
图10为不同实验条件下激光照射位置附近光热灼伤的小鼠肾癌细胞图。由图10(a)可以直观地观察到,对于未添加TiO2/GR光热试剂、无激光照射的对照组,肾癌细胞活性仍保持在较高状态。而如图10(b)所示,对于添加有TiO2/GR光热试剂、无激光照射的实验组,肾癌细胞活性依旧较高,这表明激光照射是必要的,这样光热试剂才可以通过光热转化升高至临界温度,从而达到诱导细胞凋亡或坏死的效果。图10(c)所示实验组有激光照射,但未添加TiO2/GR光热试剂。尽管与前面两组数据相比,细胞活性有一定下降,但仍保持着高活性,表明仅仅有激光照射仍然是不够的,还必须要有良好的光热试剂,将光能充分转化为热能加热肾癌细胞,使温度达到临界治疗温度并维持一段时间,杀死肾癌细胞,进而达到灭活目的。深入研究表明,一旦实验体系添加TiO2/GR光热试剂,且有激光照射,小鼠肾癌细胞将会大量凋亡,由图10(d)可以直观地观察到这一现象。MTT检测细胞相对存活率数据值仅为4.72%,较对照组及其他两个实验组活力值显著降低,显示融合了二氧化钛及石墨烯的光热特性的TiO2/GR复合材料在一定激光能量照射下,有望被动靶向在肾癌细胞部位富集,在一定时间内快速升高至临界温度,从而诱导肾癌细胞发生大量的凋亡和坏死,揭示了TiO2/GR作为优良光热试剂在肾癌灭活或热疗领域的潜质。
3 结论
(1)利用一锅煮溶剂热法合成得到二氧化钛/石墨烯复合材料,该过程可以同步实现石墨烯的还原及二氧化钛纳米带/石墨烯复合材料的原位生成。该复合材料有望融合石墨烯及二氧化钛各自在近红外光吸收方面的优异特性。
(2)由于极性及空间位阻效应,水分子易与TiO2(101)晶面作用,异丙醇倾向于与TiO2(004)和(200)晶面结合,石墨烯氧化物则通过静电及氢键作用力包覆在所形成的二氧化钛纳米带上,并在碱性及高温条件下实现同步还原。应用透射电镜、扫描电镜、选区电子衍射等对材料进行了详细表征。石墨烯氧化物添加比例、溶剂热时间以及氢氧化钠用量等对该纳米复合材料的形成有一定影响。
(3)利用该新型纳米复合材料作为光热治疗试剂对小鼠肾癌细胞进行体外光热灭活研究。研究结果表明,在1064nm近红外激光照射下,对照组肾癌细胞仍保持较高活性,而实验组的肾癌细胞活力则显著降低至4.72%,展现了二氧化钛纳米带/石墨烯复合材料在肾癌近红外热疗领域的良好潜力。
肿瘤患者微波热疗的护理 篇2
1 资料与方法
1.1 一般资料
2008年3月～2009年9月笔者所在医院肿瘤科共接受微波治疗患者27例,其中男14例,女13例,年龄38～79岁,其中肺癌4例,肝癌6例,胃癌5例,结肠癌4例,其他恶性肿瘤8例。全部均经CT证实为肿瘤晚期。
1.2 研究方法
在全身麻醉下使用ET-SPACE-I型全身热疗系统对患者实施全身热疗。患者均采用微波热疗机对躯干部进行移动加温,使直肠温度达40℃～42.5℃持续60 min。加温时为减少患者躁动,静脉滴注冬眠合剂,升温时间约180 min,降温时间约90 min。外耳道、直肠及食管测温时要将热偶贴紧管壁。刚开始三处温度差应在0.5℃之内,体温升至39℃时为保护脑组织头部置冰袋,升温时如果患者出汗过多导致升温过慢可给予东莨菪碱减少汗腺分泌及热散失,有助于提高升温速度[3]。
2 结果
所有入组患者均完成了治疗,治疗有效率达到了88%,治疗后的生活质量有了明显的改善。在热疗过程中,2例患者出现热疗区皮肤水泡,3例患者发生皮下疼痛,1例出现放射性皮炎,经对症治疗护理后均痊愈。
3 护理
3.1 静脉通道的建立
患者术中在高热环境下体液丢失较多,能量消耗较大,需及时补充[4]。安置深静脉置管有助于补液及中心静脉压的监测。金属针可以产生集热反应,直接穿刺会导致针头附近的组织损伤。另外,高温会使患者出现躁动,脉置管可以避免化疗药物的外渗,防止药物性静脉炎的发生。
3.2 生命体征、球结膜及尿量的监护
严密观察患者的生命体征、球结膜及尿量的变化。由于全身热疗采用冬眠疗法,降低了患者体温中枢的体温调定点,导致出汗过多产生虚脱,极易导致血压下降,引起休克[5]。平均动脉压低于60 mm Hg需要引起注意,继续下降要及时通知经治医师,做相应处理。补充胶体或升压药时,输液滴速要控制在15滴/min。高温会导致心率加快,热疗中心率最好控制在120次/min以下,哮喘者意外的患者心率加快到130～140次/min可服普奈洛尔;若超过140次/min,需使用西地兰。体温升至38℃以上易导致血管扩张、球结膜水肿,此时使用眼罩,敷红霉素眼膏能减轻症状。每30 min记录1次尿量,如尿量少可适当加快输液速度,为掌握生化指标的变化,需在各时期分别采集尿常规标本。
3.3 呼吸系统的监护
吸烟刺激气管易引起咳嗽、咳痰,导致热疗术后患者肺部感染,入院时即应向吸烟患者说明,鼓励其戒烟。热疗引起全身皮肤血管扩张,细胞的代谢能力加强,氧的需求大量提高,容易导致缺氧,因此,要提供充分的氧气,使血氧饱和度在95%以上。如血氧饱和度过低,可能会造成组织器官的损伤。
3.4 消化系统的监护
在腹部肿瘤热疗前,晚餐进食易消化清淡食物,当日晨进流质200～300 ml,要注意的是胃肠道食物吸收电磁波热量后大量产热,如果没有散热充分容易引起胃肠道出血及坏死,因此,注意观察胃肠道有无出血是非常必要的。维生素C可以诱导酸化内环境,可适当补充。
3.5 心理护理
患者入院后,护士要热情接待,并且要认真倾听患者的主述,做好病房环境介绍,以便患者尽快适应环境,积极配合医疗工作,早日康复。有时患者知道病情会产生恐惧,表现出对检查结果的怀疑及不安,情绪容易激动,对康复缺乏信心。针对此类患者,要做好健康教育工作,让患者尽快适应病房生活,配合诊治[6]。对患者的病情保密,交谈时态度诚恳,取得患者及家属的信任,建立良好的护患关系,帮助患者减轻心理压力,还要讲解热疗治疗相关知识,使患者能够充分了解热疗全过程,加强康复信心。创造患者之间相互激励的和谐气氛,热疗中认真检查患者的情况如眼罩是否戴好,可以适当播放轻松的音乐,或与患者进行亲切交谈消除患者的紧张情绪,及时注意患者的表情变化及语言,使患者顺利完成治疗。
4 小结
微波热疗是治疗晚期恶性肿瘤近年来国内外开展的一项新技术,由于治疗手段特殊,整个治疗过程需要5～6 h,护理措施多而复杂,容易并发皮肤烫伤等并发症,因此必须引起护理人员的高度重视。整个热疗过程中,护理人员应当仔细查看高温下患者病情的变化,让患者得到有效的微波治疗,减少并发症的发生。但此技术在临床上应用时间短,还需要在未来的实践过程中不断探索,总结经验。
摘要：目的 探讨肿瘤患者微波热疗的护理。方法 对27例恶性肿瘤患者进行微波热疗护理。结果 及时解决了各种并发症的发生,减轻了患者的疾病痛苦,提高了疗效及治疗后的生活质量。结论 热疗前的各项准备工作的充分程度、热疗中细心的观察护理及整个过程中的心理指导是保证微波热疗取得成功的关键。
关键词：肿瘤,微波热疗,护理
参考文献
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[4]柳江,王芳,韩忠诚.微波热疗对晚期癌症患者的疗效观察.现代肿瘤医学,2008,16:108-109.
[5]方丽,张玲,石志红,等.恶性肿瘤红外线全身热疗联合化疗的护理.中华康复医学杂志,2004,19(11):859-860.
热疗过程中体温监测器的研制 篇3
热疗(Hyperthermia)一词源于希腊语,原意是指“高热”或“过热”[1]。热疗又名熏蒸,是中药外治疗法的分支,也是物理治疗的一类。热疗是以各种热源为介体,将热传递到机体,以达到治疗目的的疗法[2]。德国医学专家2009年9月22日公布的一项研究结果表明,在治疗癌症患者时使用热疗和化疗相结合的方法比单一接受化疗效果更好,无瘤期更长[3]。实验证明,热疗后患者的免疫力和抗病能力明显提高[4]。
正常人体温度的变化一般在35~42℃之间。热疗过程中就是使患者的体温升至40~42℃之间,人为的给人体创造“发烧”的环境[5]。全身加热的关键就是将加热后的体温控制在40~42℃之间这个安全而又有效的范围之内,否则会发生危险[6]。所以,对全身热疗系统来说,患者的体温监测非常重要,只有这样才能保证其组织在安全的温度中进行热疗。
为保证热疗过程中的安全性,需要对患者体温进行实时监测,这种测温精度较高并且测温范围较小。常用的人体温度计中,红外测温仪和电子测温仪适合应用于此类实时测温系统[7,8]。本文介绍一种基于单片机AT89C52系统的用于热疗过程中的体温监测器的研制方法,其测量范围在30~50℃,制作简单,可以对热疗过程中的体温进行有效地实时监测。
1 系统结构
本设计由热敏电阻、测量信号调整与放大电路、A/D转换电路、单片机系统、温度显示系统构成。系统结构如图1所示。由热敏电阻温度传感器将温度变化转换为电阻值的变化,经测量电路将电阻值的变化转换为电压的变化,经A/D转换送至单片机系统,最后在单片机系统中通过运算得出体温的测量值。此体温监测器能实现对人体温度的监测和显示,可设置温度的报警限并提供报警,以确保患者在热疗过程中的安全。
2 硬件电路设计
整体体温测量电路包括温度传感器电路、信号放大电路及A/D转换电路。体温测试中,常用的温度传感器有热电偶、热电阻和集成温度传感器等[9]。针对人体测温温度变化范围小,要求精度较高的特点,本设计选用精度为1‰的热敏电阻温度传感器。
2.1 热敏电阻温度传感器
热敏电阻是利用半导体材料制成的热敏元件。一般来说,半导体比金属具有更大的电阻温度系数。半导体热敏电阻可分为:正温度系数(PTC)、负温度系数(NTC)、临界温度系数(CTR)热敏电阻。
本设计采用负温度系数热敏电阻。负温度系数热敏电阻具有很高的负温度系数,特别适合于-100℃~+300℃的温度测量使用。热敏电阻的阻值随温度的上升而减小,它的温度特性方程为:
中,RT为热敏电阻,B为热敏电阻常数。这里所选用的热敏电阻为R25=10kΩ,热敏电阻常数B25|50=3950。
由公式可知,热敏电阻的热电特性非线性严重,需要做线性化处理。为了改善线性,可在热敏电阻两端并联补偿电阻R,如图2所示,使流过a、b的电流I=IR+IRT。由于补偿电阻的作用,总电流I随T变化的曲线变得平坦,从而改善了线性,但也降低了对温度的敏感性,所以并联补偿电阻R不能取的过小,一般不能小于RT,这里的并联补偿电阻R取10kΩ。为了进一步改善温度传感器的线性,本设计还采用了串联补偿。R'是串联补偿电阻,它与热敏电阻RT及其并联补偿电阻R相互串联后接在+5V电源两端,其线性补偿原理和计算方法叙述如下:
当热敏电阻温度传感器达到上限温度TH=50℃时,热敏电阻两端a、b的并联电阻为RTH,则a、b两端的输出电压为:
当热敏电阻温度传感器达到中点温度TM=40℃时,热敏电阻两端a、b的并联电阻为RTM,a、b两端的输出电压为:
当热敏电阻温度传感器达到下限温度TL=30℃时,热敏电阻两端a、b的并联电阻为RTL,a、b两端的输出电压为:
由于中点温度为上限温度和下限温度的平均值,要使这3个温度点上传感器的输出电压与温度成线性,中点温度的输出电压应该为上限温度和下限温度时输出电压的平均值:
将(2)、(3)、(4)式代入(5)式求解,可得线性串联补偿电阻:
将上限温度、中点温度和下限温度时热敏电阻温度传感器两端并联的电阻值代入(6)式,就可以算出线性串联补偿电阻的阻值,从而使输出电压与温度更接近线性[10,11]。
2.2 运算放大器A1和A2
从温度传感器获得的与温度相关的电压信号,通过反相放大器A1放大后,使得温度电压信号由原来的随传感器温度上升电压信号递减转变为随传感器温度上升反相放大器A1的输出电压递增的关系,这样就可以获得电压与温度的对应关系。反相放大器A1选用单电源仪表放大器AD623。AD623允许使用单个增益设置电阻进行增益编程,在无外接电阻条件下,AD623被设置为单位增益(K=1);在接入外接电阻RG后,AD623可编程设置增益,其增益最高可达1000倍。反相放大器A1的正相输入端接由分压电位器RP分压后的直流电压,调节分压电位器RP可改变放大器的静态直流输出电压。在体温监测器的调试过程中,当传感器温度处于下限30℃时,调节分压电位器RP,使反相放大器A1的输出电压为0V;当传感器温度上升到最大值50℃时,调节电阻RG,使反相放大器A1的输出电压为5V,这样就使温度传感器的温度从30~50℃变化时,反相放大器A1的输出电压从0~5V相应地发生变化。A2选用双电源供电低噪声精密运放作为射极跟随器,可提高带负载能力。
2.3 A/D转换电路
为了提高精度,本设计采用MAX191 12位模数转换电路。MAX191是一种CMOS型模数转换芯片(ADC),内置参考电压和内部时钟,A/D转换时间为7.5μs。本设计的A/D转换受单片机控制,单片机通过读写口启动A/D进行转换。转换完毕后向单片机送出高电平,经单片机查询后,分两次读出转换数据的低8位和高4位。A/D转换电路如图3所示。
当输入的模拟量为0~5V时,转换后的12位数码为二进制原码。此12位数码表示1个正数码,其数码与模拟电压值的对应关系为:
另外,根据线性化后的温度变化与电压输出的关系,可得如下关系式:
根据(7)式(8)式的关系,就可由A/D转换的数码换算出所要测量的体温:
2.4 单片机系统
本设计采用AT89C52单片机系统。AT89C52单片机是一个低电压,高性能CMOS 8位单片机,片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器(RAM),兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元。AT89C52单片机正常工作时,启动A/D进行模数转换。每当查询到转换完成后,分两次从P1口读出所转换的低8位和高4位数据。将重复采样读得的数据进行平均计算,换算成对应的温度送至液晶DY12864CBL进行显示。
本实验将体温的测量范围选择在30~50℃。在此温度范围内,分别测量各摄氏度时的温度,选用精度高达0.05℃的高精度温度测量仪测量的温度作为实际温度进行参照,得到21组实验数据。实测温度与实际温度的曲线如图4所示。图中T1表示实际温度,T2表示实测温度。
液晶显示是人机交互的重要部分。本设计采用的液晶是图形点阵液晶DY12864CBL,该液晶由128×64点阵组成,可以显示图形、数字和汉字。
该液晶供电电压为+5V,液晶驱动模块整合在液晶电路板内,使用起来较为方便。在电路中使用单片机的P2和P0端口作为液晶的控制线和数据线,其接口电路如图5所示。
3 软件流程图
图6给出了热疗过程中体温监测器的软件流程图。在实际测量中,根据热疗的具体情况需要事先设定参考温度,参考温度介于43~50℃。将所测量的温度与参考温度进行比较,若超过警报就予以报警,同时不断重复进行测量过程。软件流程图如图6所示。
4 结束语
本文研制的体温监测器设计方法简单,测量精度较高,安全可靠,根据需要还可实现多路扩展。与同类热疗过程中使用的测温装置进行比较,此温监测器具有无水银、低功耗、高性价比的特点,能够快速、连续地对体温进行实时监测。经实验测试,热疗过程中对人体温度进行实时监测,其有效温度测量范围在30~50℃,误差在±0.1℃以内,具有较高的准确性和重复性。此体温监测器的成功研制,将为患者在热疗过程中带来便利。
摘要：目的 研制一种主要用于热疗过程中的体温监测器,可提供实时体温显示,并根据设置的参考体温值及时发出报警,为安全热疗提供保障。方法 采用温度传感器检测体温,通过对信号进行线性处理和放大,经模数转换和单片机AT89C52处理,最终通过液晶对体温进行显示。结果 该温监测器能够在误差小于±1%的条件下对热疗过程中的体温进行测量。结论 该体温监测器能够实时、连续地对热疗过程中的体温进行准确监测。
关键词：体温监测器,热疗,热敏电阻,单片机
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热疗致肝癌病人烫伤1例的护理 篇4
1 病例介绍
病人, 女, 肝癌进展期合并腹腔积液, 经知情同意后行热疗术, 热疗1 h, 术毕坐轮椅安全返回病房。热疗区域内有4处散在发红处, 脐周可见2处约3 cm×4 cm大小水疱, 生命体征正常。对较大的水疱遵医嘱用无菌注射器抽吸, 高压氧疗 (8 L/min) 患处, 每次15 min～20 min, 每天3次, 并于患处涂抹烧伤膏后用无菌纱布包扎[2], 给予心理安慰, 治疗4 d可见散在发红处颜色变浅, 脐周水疱明显吸收变小。
2 小结
热疗已成为一种新的肿瘤治疗模式, 烫伤极为少见。本组病人在1次治疗后即出现轻微烫伤, 由此可见为病人行热疗术应特别注意:①护士应熟练掌握热疗术前准备及热疗机器定位, 告知病人注意事项。②在热疗过程中确保探头移动, 避免固定照射一处皮肤, 避开手术瘢痕。③操作者应严密观察病人生命体征变化, 倾听病人主诉, 紧急情况下可停止治疗。
参考文献
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