婴儿培养箱

摘 要：婴儿培养箱是用科学方法,为早产婴儿或发育不良婴儿创造一个空气洁净,温度、湿度相适宜的理想环境,避免婴儿感染疾病,增强机体抵抗力,促使婴儿发育成长。本文对婴儿培养箱的由来、发展作简要的概述和展望。

关键词：婴儿培养箱 温度 湿度

1 引言

婴儿培养箱能为体重太轻的新生儿提供一个有利健康生长的卫生环境，箱内的温度和湿度能得到精确的控制。婴儿培养箱特别适用于那些神经系统没有发育成熟、还缺乏自我调节体温能力的早产儿。而随着科学技术的发展和临床的需要，婴儿培养箱的设计理念、制造工艺都发生了很大的变化。利用现代化微机控制进行精确的温度设定和各种报警，气流系统的先进设计能确保温度恒定，并使因箱门打开而受的影响降低到最小[1]。并且有些培养箱有治疗黄疸等病症的功能，因此多功能的婴儿培养箱被广泛应用于新生儿重症监护室（NICU）。

2 婴儿培养箱的由来、发展

2.1培养箱的由来

最早发明婴儿培养箱的是著名的法国妇产科专家Stephane Tarnier医生。1878年，他参观了法国巴黎动物园的家禽孵卵器后受到了启发，萌生了婴儿培养箱的构想。他当初的设计，尽管按我们现在的标准衡量是粗糙的，但是婴儿死亡率的显著下降验证了他的想法基本上是成功的。此后，他的原始设计中将婴儿放在密封箱内的理念至今几乎没什么变动，但是箱内的加热、隔离方法和婴儿进、出箱体等技术已经有了许多重大的改进和提高。第一台现代化婴儿培养箱是在第二次世界大战后问世的。其优点是它具有更好的可视性，可以有高的氧浓度，温度和湿度可以精确控制。二战后很受喜爱的市售婴儿培养箱是由Charles chappell博士开发Airshields C33型培养箱。C33型采用恒速风扇作空气的吸人和循环，同时也用于吸人过滤空气。其温度控制可精确到1。这种分室设计方便了培养箱的清洁和维护保养。据Chappell博士讲，这种培养箱内的婴儿身体上很少或无需使用什么复盖物，这样婴儿活动更自由，并能减少因更换尿布而造成的温度变化。

婴儿培养箱的箱体结构可分为三大部分，上部为透明箱体；中部为加热器、控制元件安装处；下部为箱体，可存放药品及其它治疗用品等[2]。箱体结构一直保持着这种风格，并没有太多的改变。但温度控制体系、湿度控制体系等的设计随着单片机技术、传感器技术的发展而有了很大的改善和提高。

2.2传感器的发展

婴儿保温箱的温度控制范围要求为，温度传感器精度：±0.3。温度检测的传统方法是使用诸如热电偶、热电阻、半导体PN结（如AD590）之类的模拟传感器，经信号取样电路、放大电路和模数转换电路处理，获取表示温度值的数字信号，再交由微处理器处理。由此会造成整个检测系统有较大的偏差，稳定性和抗干扰性能都较差。温度传感器经历了3个发展阶段：①传统的分立式温度传感器，②模拟集成温度传感器，③智能集成温度传感器。目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式，从集成化向智能化、网络化的方向飞速发展。可以分别在93.75ms和750ms内完成9位和12位的数字量，并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线（单线接口）读写，温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，而无需额外电源[2]。因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。它在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率都有了很大的改进，可以带来更方便的使用方式和更令人满意的效果。

湿度的测量一般采用湿敏元件。常用的湿敏元件有阻抗式湿敏元件和电容式湿敏元件。前者的阻抗与湿度呈现非线性，后者电容与湿度曲线基本呈线性关系。随着技术的发展，现已具有免调试、免标定、测量分辨率可编程调节，CRC传输校验、超小封装尺寸等特点数字式温湿度传感器。同时集成了温湿度传感器，可以进行温度补偿的湿度测量，并提供高质量的露点计算功能，测量精度高，是各种温湿度监测应用中的一种优选器件。

2.3控制方法的发展

培养箱中婴儿的体重一般低于最低标准，无法提供自身所需的能量。系统才重新开始加温。滞后时间越大，超过给定值也越大。同样，由于温度变化滞后于输出，温度将继续下降，从而造成温度的上下波动[4]。为了改善这种温度的波动性，控制方法也做了很大的改进。其中典型的代表有PID控制、神经网络控制、模糊控制。

2.3.1 PID控制

PID控制即比例、积分、微分控制。工作原理如图1所示。

PID算法根据比例、积分、微分系数计算出合适的输出控制参数，利用修改控制变量误差的方法实现闭环控制，使控制过程连续，是很普通的调节方法。但PID控制具有结构简单、稳定性能好、可靠性高等优点，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。

2.3.2 神经网络控制

人工神经网络是当前主要的、也是重要的一种人工智能技术，是一种采用数理模型的方法模拟生物神经细胞结构及对信息的记忆和处理而构成的信息处理方法。它用大量简单的处理单元广泛连接形成各种复杂网络，拓扑结构算法各异，其中误差反向传播算法（即BP算法）应用最为广泛[5]。工作原理如图2所示。

2.3.3 模糊控制

模糊逻辑是人工智能的重要组成部分，自从1965年美国控制理论专家L.A.Zadeh提出了用“Fuzzy Sets”（模糊集合）描述Fuzzy（模糊）事物以来[3]，Fuzzy技术获得了广泛的应用。模糊控制是基于模糊逻辑的描述一个过程的控制算法，主要嵌入操作人员的经验和直觉知识。它适用于控制不易取得精确数学模型和数学模型不确定或经常变化的对象。仅依赖于操作人员的经验和直观判断，非常容易应用[5]。工作原理如图3所示。

在控制理论和技术飞速发展的今天，工业过程控制领域仍有近90%的回路在应用PID控制策略。近年来，随之不断涌现将智能控制方法和常规PID控制方法融合在一起的新方法，形成了许多形式的智能PID控制器。培养箱内空气温度具有延迟特性，一直处于上下波动状态。而改进型的PID控制可以较好的解决此类问题，微分控制分量可以改善系统的动态特性，积分控制分量可以减少系统静差。因此能实现婴儿培养箱高精度的温度控制。

3 前景展望

美国儿科学院（AAP）指出，NICU中的噪音可能会损伤新生儿的耳蜗，影响早产儿的听觉的正常发育。因此培养箱内的噪声应保持在尽量低的水平上[1]。现今的培养箱已经采用一些办法来减少婴儿室的噪声。但交流电动机的转速较高，且不易改变，气动噪声不可能降至很低，又随着使用时间的增加，轴承间隙增大引起的振动噪声增加，往往使培养箱的噪声指标超出GB要求。所以关于噪声抑制方面的的改善也将是培养箱的一个发展方向。

培养箱一般都放置在新生儿重症监护室（NICU）中，采用交流电供电，但在一些情况下也会出现需要电池供电的情况（比如需要将在培养箱中的婴儿转移到其他地方，但婴儿太过虚弱，且路程较长，不适合脱离箱体）。因为电池很重、供电时间很短，而充电时间却很长。虽然今天仍然存在着成本等问题阻碍着氢基燃料电池走向实用，但是医学临床中又确实非常需要有这样一种便携式的可用于运送培养箱的电源[1]。因此基于燃料的电池研究以及应用也会是关于培养箱研究的一大命题。

培养箱箱内的工作温度、湿度等非常适合细菌的生长，故在培养婴儿生长、发育的同时，可能“培养”了大量的细菌。在婴儿培养箱的箱体内和加热器等在一起安装常用的消毒装置，如紫外线发生器、臭氧发生器、负离子发生器。通过面板人工控制或设定由单片机自动控制。消毒器将箱内空气进行消毒，经送风装置送入整箱之中，通过空气的流通达到预定消毒目的，并且不影响正常使用。

确保婴儿的安全，在不改变原有各项性能、结构等情况下，进行必要的改进。超声波加湿，是目前国内外普遍采用的设计方式，优点是加湿比较均匀、加湿效率较高，湿度容易控制，但对水质有较高的要求（需蒸馏水或去离子水）。这些粒子极容易被吸附，沉积在培养箱恒温罩上和空气循环通道中，不易清洗，给细菌滋生提供了条件，这对患儿培养会带来不利的影响[8]。所以在使用超声波加湿时，水质的影响需要加以考虑。

参考文献：

1.王佳棣.婴儿培养箱[J].中国医疗器械杂志，2007，31（2）.

2.袁林，张民.多功能婴儿培养箱的研制[J].医疗卫生装备，2004，09（2）.

3.路攀，胡兆燕，等.基于DS18B20的婴儿保温箱测温系统研究[J].中国医疗器械息，2010，16（2）.

4.李伟，孙雷明.基于模糊PID算法的婴儿培养箱的研究[J].电子测量技术，2008，31（6）.

5.樊军庆，张宝珍.温度控制理论的发展概况[J].工业炉，2008，30（6）.

6.钟晓伟，宋蛰存.基于单片机的实验室温湿度控制系统设计[J].林业机械与木工设备，2010，38（1）.

7.袁林.婴儿培养箱性能探讨[J].常规医疗装备，2003，2（1）.

8.兰天一，陈香才，等.高性能指标婴儿培养箱的研制[J].中国医学物理学杂志，2008，25（2）.

*该项目是浙江省科技创新项目资助。

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