一种温度自适应调节热疗护具的制作方法

本实用新型涉及医疗器械技术领域，具体涉及一种热疗护具。

背景技术：

老人、工作紧张和繁忙的白领和久坐人士经常会发生腰酸背痛、颈肩麻木、腿脚不灵活等不舒服的症状，进而引发关节炎、风湿、类风湿、老寒腿、骨质增生、滑膜炎、积水、骨刺等症状和各种关节病痛。其中风湿病目前尚无理想的根治药物，风湿发病以疼痛为主要症状，环境温度和湿度与疼痛关系密切，温度低、湿度大的环境因素会加剧关节疼痛。

目前市售的一些风湿病理疗产品，通过对关节处加温，有效地减轻了关节疼痛。但是与影响患者关节疼痛的环境因素以及患者长时间穿戴需求相比，目前的理疗产品还存在一定的局限性：一是未考虑环境湿度对关节疼痛的影响。二是需要患者设置加热温度和加热时间，缺少根据环境温湿度变化的自适应温度调节能力。三是这些产品大都是固定式，采用220V交流供电，患者不方便携带和活动。目前，能够切实缓解风湿患者关节疼痛，并且可在日常生活中长时间“可穿戴”的理疗装置，仍然没有得到有效解决。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本实用新型提供一种温度自适应调节热疗护具，包括主控部分及至少一个加温部分，其特征在于：主控部分包括温湿度传感器、输入模块、显示模块、主控模块、驱动模块、接口模块及电源模块；加温部分包括加温部分接口模块、温度传感器及加热模块；其中温湿度传感器输出外界环境温湿度参数至主控模块，输入模块输出温度调节参数至主控模块，主控模块输出驱动控制参数至驱动模块，驱动模块输出驱动电压经过接口模块至加温部分，电源模块提供工作电源至各个用电模块；加温部分通过加温部分接口模块接收接口模块输出的驱动电压至加热模块，温度传感器将加温部分的温度参数经加温部分接口模块和接口模块输入至主控模块。

进一步的，加温部分与主控部分为可拆卸电连接，可并联多个加温部分至主控部分。

进一步的，可并联4个加温部分至主控部分。

进一步的，主控部分的温湿度传感器采用DHT11，输入模块采用两个按键开关，主控模块为Arduino Uno R3，驱动模块采用2片L293D驱动芯片，显示模块选用LCD1602A-5V，主控部分的接口模块选用4个独立的A型USB母口插座，电源模块选用可充电锂电池，加温部分的温度传感器采用LM35DZ，加温部分的加热模块选用碳纤维发热片，加温部分的接口模块选用A型USB公口插座；主控部分与加温部分通过USB电缆连接。

进一步的，加温部分周边还包括固定带，加温部分内侧与人体接触部分为透气绒布层，中间为加热层，加热层包括碳纤维发热片和温度传感器，加温部分最外侧为隔热耐磨层。

进一步的，加温部分内侧的透气绒布层上布置有可拆卸魔术贴，可以粘帖在加热层上。

进一步的，透气绒布层为中空形式，中间可以放置温灸中草药。

进一步的，加温部分的固定带为可调节绑带。

进一步的，加温部分的固定带上布置有魔术贴。

进一步的，加温部分外侧的隔热耐磨层包括反射膜和耐磨织物层,其中反射膜为阻燃铝膜，耐磨织物为麻布、棉布或化学纤维布。

本实用新型提供护具,可以根据空气湿度、环境温度与风湿患者疼痛感的密切关系，自动调节使用温度，同时考虑患者个体的对温度体感的差异以及操作简便性，在用户使用中动态调节最佳温度值，并将用户习惯值记忆；选用低功耗微处理器架构、碳纤维发热器件以及移动电源供电等手段，减小体积、方便使用，可长时间穿戴，缓解风湿等关节病痛。

附图说明

图1为本实用新型的系统结构图；

图2为本实用新型的硬件电路原理图；

图3为本实用新型加温部分俯视图；

图4为本实用新型的加温部分剖面图；

图中：10.主控部分，101.温湿度传感器，102.输入模块，103.显示模块，104.主控模块，105.驱动模块，106.接口模块，107.电源模块，20.加温部分，203.加温部分接口模块，202.温度传感器，201.加热模块，204.固定带，205.透气绒布层，206.加热层， 207.隔热耐磨层，2071.反射膜，2072.耐磨织物层,30.加温部分，303.接口模块，302. 温度传感器，301.加热模块。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案以及优势更加明晰，下面结合附图和实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。

如图1所示，本实用新型提供一种温度自适应调节热疗护具，包括主控部分10及加温部分20，其中主控部分10包括温湿度传感器101、输入模块102、显示模块103、主控模块104、驱动模块105、接口模块106及电源模块107；加温部分20包括加温部分接口模块203、温度传感器202及加热模块201；其中温度传感器101输出外界环境温湿度参数至主控模块104，输入模块102输出温度调节参数至主控模块104，主控模块104输出驱动控制参数至驱动模块105，驱动模块105输出驱动电压经过接口模块106至加温部分20，电源模块107提供工作电源至主控模块107；加温部分20通过加温部分接口模块 203接收接口模块106输出的驱动电压至加热模块201，温度传感器202将加温部分20 的温度参数经加温部分接口模块203和接口模块106输入至主控模块104。

温度自适应调节热疗护具最多可配备四个独立的加温部分，每个加温部件的组成相同，每个加温部分可单独使用。如图1所示，加温部分30通过接口模块303接收接口模块106输出的驱动电压至加热模块301，温度传感器302将加温部分30的温度参数经接口模块303和接口模块106输入至主控模块104。当需要对膝盖进行理疗时只需要连接两个加温部分至主控部分，当需要增加理疗部位时只需要将对应接口连接即可，比如使用者可以同时理疗肩部和肘部或膝部。

为了实现不同天气条件下温度的自动调节，本实用新型在主控部分10加入温湿度传感器 101，以人体通常适宜的环境温度和湿度为依据，将环境湿度和环境湿度分别划分三个区域。针对低温、高湿是影响患者关节疼痛的主要因素，在低温和高湿的重叠区域实施温度调节，包括下列步骤：

(a)定义三个湿度区

定义方法是：

湿度HC1>H为干燥区，HC1≤H<HC2为湿润区，HC2≤H为潮湿区，H为温湿度传感器101测量的环境湿度值，HC1和HC2分别为体感舒适度的环境湿度常量。

(b)定义三个温度区

定义方法为：

TC1>T为低温区，TC1≤T<TC2为中温区，TC2≤T为高温区，T为温湿度传感器测量的环境温度值，TC1和TC2分别为体感舒适度的环境温度常量。

(c)定义温度调节区

低温高湿区：环境温度TC1>T，环境湿度HC1≤H；

中温高湿区：环境温度TC1≤T<TC2，环境湿度HC2≤H；

高温高湿区：环境温度TC2≤T，环境湿度HC2≤H；

(d)在温度调节区实施温度调节

在每个温度调节区分别实施温度调节方法：

低温高湿区：Tt＝T0+a0H，式中Tt为调节后的温度值，T0为该区的初始温度值，H为温湿度传感器测量的环境湿度值，a0为该区的环境湿度补偿因子。

中温高湿区：Tt＝T1+a1H，式中Tt为调节后的温度值，T1为该区的初始温度值，H为温湿度传感器测量的环境湿度值，a1为该区的环境湿度补偿因子。

高温高湿区：Tt＝T2+a2H，式中Tt为调节后的温度值，T2为该区的初始温度值，H为温湿度传感器测量的环境湿度值，a2为该区的环境湿度补偿因子。

在本实用新型的一个具体实施例中，HC1取值为30％，HC2取值为50％，TC1取值为15，TC2取值为30，T0取值为40，a0取值为1.85，T1取值为39，a1取值为1.25，T2取值为38，a2取值为1.08。

此外，为了便于使用者更为精确的手动调节温度，防止急剧升温和降温，并对使用者的常用设置进行记忆，本实用新型采用在加温部分20上设置温度传感器202，通过主控模块104 实时采集加温部分20的温度值，采用一种体感舒适度自学习算法控制输出驱动控制参数，包括下列步骤：

步骤1：计算一个学习周期的温度调节率

计算方法为an＝(Tn-Tn-1)/(tn-tn-1)，式中n为体感舒适度调节次数，取值为1,2,3,...， Tn是第n次调节后的温度值，Tn-1是第n-1次调节后的温度值，tn是第n次调节时的时间值， tn-1是第n-1次调节时的时间值；

步骤2：计算一个学习周期的平均温度调节率

计算方法为a＝(a1+a2+...+an)/n，式中a为平均温度调节率，n是体感舒适度调节次数，取值为1,2,3,...，an是第n次温度调节率；

步骤3：计算下一个学习周期的体感舒适度值

计算方法为T＝37+a*Tp，式中a为(b)中计算的一个学习周期的平均温度调节率，Tp为自学习算法的周期。

在本实用新型的一个具体实施例中，tn和tn-1以本装置重新加电为计时起点，体感舒适度自学习算法的周期Tp为30分钟。

加温部分20与主控部分10为可拆卸电连接，如通过USB电缆连接或者工业电缆连接，可并联多个加温部分至主控部分10，在本实用新型的一个具体实施例中，并联4个加温部分至主控部分10。

如图2所示，在本实用新型的一个具体实施例中，主控部分的温湿度传感器101采用 DHT11，经数字校准信号输出，温度范围0～50℃，温度测量精度±2℃，湿度测量精度±5％RH，采用3～5.5V供电，平均测量供电电流0.5mA，不仅满足本装置对环境温度、湿度测量要求，也满足便携式、功耗小和小型化要求。主控部分10的输入模块102，采用“增加”和“减小”两个按键开关，每按一次“增加”按键，体感舒适度值加“1”，每按一次“减小”按键，体感舒适度值减“1”；显示模块103选用LCD1602A-5V，具有16×2显示字符模块，满足显示环境温度值、环境湿度值和体感舒适度值的需要；主控模块104选用Arduino Uno R3，是一种使用广泛、体积很小的嵌入式计算机主板，具有14个数字输入输出端口，6个模拟量输入输出端口(可做为数字输入输出端口使用)，满足温湿度传感器、温度传感器、按键、显示屏数据的读取与控制；32KB的Flash和2KB的SRAM，存储用户的程序和数据；容量1KB的EEPROM 非易失存储器，永久保存体感舒适度的积累参数；主控部分的驱动模块106选用L293D驱动芯片，输入的逻辑控制与TTL电平兼容，可用于输出加温部件的加温控制信号。在一个具体实施例中驱动模块106选用2片L293D驱动芯片输出4个加温部分的独立加温控制信号，驱动端的工作电压最高36V，每个通道持续工作电流为1A，满足加温部件5V/1A的供电需要；主控部分10的接口模块106选用4个独立的A型USB母口插座，可以分别连接4个加温部件，患者可同时对4个不同的部位进行理疗。4个A型USB母口插座的接口定义完全相同，1和4 引脚分别为+5V电源和地，2和3引脚分别用于传输实际温度值和加温控制信号；电源模块 107选用aigo-W200锂电池移动电源，容量20000mAh，满足本装置连续使用12小时的要求；加温部分20的温度传感器202采用LM35DZ，温度范围0℃～100℃，准确率为±0.25℃，工作电流小于133μA，体积小，便于和加热模块一体化设计；加温部分20的加热模块201选用碳纤维发热片，其热效率高，工作温度可达45～55℃，发热时产生波长为5～20um的远红外线热辐射，对风湿病患者健康有益，发热片尺寸有200×150mm、220×130mm和300×240mm 等多种规格，柔软贴身，满足肩、肘、腕、踝、膝等关节部位的理疗需求；加温部分的接口模块选用A型USB公口插座及USB电缆，接口定义为1和4引脚分别为+5V电源和地线，2和 3分别传输实际温度值和加温控制信号。

本实用新型的主控部分硬件连接如图2所示，信号连接关系如下：

(1)主控板与显示屏的信号连接

本实用新型采用LCD1602显示屏4位并行连接，具体硬件连接方法：显示屏的控制引脚 RS、R/W、EN，分别连接主控板的数字输出2、3、4引脚。显示屏的数据引脚D4、D5、D6、 D7，分别连接主控板的数字输出5、6、7、8引脚。显示屏的背光控制引脚A，连接主控板的数字输出9引脚，背光控制引脚K接地。采用一个10K的电位器，为显示屏的引脚VO提供可调电压，进行对比度调节。供电引脚VDD、VSS，分别连接5V和接地。

主控板对LCD显示屏的背光控制方法：当主控模块检测到有按键操作时，主控板的9引脚输出高电平，显示屏背光点亮；按键操作结束后保持10秒钟，主控板的9引脚输出低电平，显示屏背光不点亮。当主控板没有检测到有按键操作时，显示屏背光不点亮。

(2)主控板与温湿度传感器的信号连接

温湿度传感器DHT11的数字输出引脚2连接至主控板的10引脚，由主控板进行环境温度和湿度数据的读出。

(3)主控板与驱动电路的信号连接

本实用新型有两块驱动电路L293D_1和L293D_2，主控板的数字输出0和1引脚，分别连接L293D_1的使能端E1和E2；将主控板的模拟输出2和3引脚定义为数字输出引脚，分别连接L293D_2的使能端E1和E2。通过控制使能端的状态，控制加温部件的开始或停止通电加热。

以加温部件1的加温控制为例进行说明。主控板通过数字输出0引脚向使能端E1输出高电平，驱动电路的o1输出高电平，加温部件1开始加热；当主控板通过数字输出0引脚向使能端E1输出低电平，此时驱动电路的o1输出低电平，加温部件2开始加热。

(4)主控板与USB插座的信号连接

本实用新型主控部分有5个USB母口插座，每个USB插座的引脚1和4分别为+5V和地。 USB插座5用于连接移动电源，为主控部分和加温部分供电；主控板的模拟输入A0和A1引脚分别与USB插座2和USB插座1的2引脚相连，主控板的模拟输入A4和A5引脚分别与USB 插座3和USB插座4的2引脚相连，分别用于传输加温部分4个加温部件输出的实际温度值。

(5)主控板与按键的连接

采用2个按键开关，按键1和按键2分别连接主控板的数字输入引脚，按键按下相应的数字输入引脚为低电平，按键有效。按键1有效，体感舒适度值增加1；按键2有效，体感舒适度值减少1。按键有效性通过主控模块的输入判断软件进行处理。

加温部分20电路连接如图2所示。4个加温部件的内部电路连接相同，下面以加温部分 1为例进行说明。

USB公口插座的1和4引脚分别与温度传感器的VSS和GND引脚连接，给温度传感器供电；USB公口插座的1引脚与加热片的VSS引脚连接，给加热片供电；USB插座公口的2引脚与温度传感器的O引脚连接，传输温度传感器1的输出信号；USB公口插座的3引脚与加热片的I引脚连接，传输加热片的加温控制信号。

如图3所示，加温部分20周边还包括固定带204，其为可调节绑带或者在其两端布置有魔术贴，便于使用者固定于肩、肘、腕、踝、膝等关节部位的特定位置。

如图4所示，加温部分20内侧与人体接触部分为透气绒布层205，中间为加热层206 其上布置有碳纤维发热片和温度传感器202，加温部分20最外侧为隔热耐磨层207。透气绒布层205上布置有可拆卸魔术贴，可以粘帖在加热层206上，便于清洗；透气绒布层 205为还可以为中空形式，中间可以放置温灸中草药，例如艾绒等，提高热疗效果；隔热耐磨层207包括反射膜2071和耐磨织物层2072,其中反射膜2071为阻燃铝膜，耐磨织物为麻布、棉布或化学纤维布。

本实用新型根据空气湿度、环境温度与风湿患者疼痛感的关联度增加空气湿度、环境温度等参数的测量，并作为主要变量加入闭环控制，采用机器学习方法动态生成贴合患者体感舒适度的最佳温度，并且对加热部件进行连续闭环控制，使理疗局部的温度维持在最佳；充分考虑患者个体的对温度体感的差异以及操作简便性，在软件设计上只保留一个“舒适度”设置项，用户可以根据自己的体感，加减“舒适度”的档位，软件综合用户的修改过程、环境参数和理疗局部温度等因素，自动调节最佳温度值，并作为用户习惯值记忆到非易失存储器中，积累针对该用户的内部调控参数，达到使用越久越舒适的目的；此外，选用低功耗微处理器架构、碳纤维发热器件以及移动电源供电等手段，减小体积、提高能源效率，方便使用，可长时间穿戴，缓解风湿等关节病痛。