CN102326060A - 零热通量传感器及使用方法 - Google Patents
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Abstract
当测量患者体内的核心身体温度时，提供了一种弯曲的传感器(10)，其具有预定义的曲率半径以舒适和接近地匹配到患者的前额。传感器(10)具有：至少一个可松开的固定条(例如，VelcroTM)，其将传感器(10)耦合到头带(14)；以及粘合条(16)，其沿传感器(10)的内部表面的一个边缘定位，并将5传感器(10)耦合到患者的皮肤。粘合条充当合叶，其便于观察传感器下方的皮肤而无需完全移除传感器，并且头带和传感器的曲率提供了传感器的内部表面与患者皮肤的隐密配合。此外，传感器可以是零热通量传感器(34)，其具有放置在其一侧的加热器(32)以及放置在其对侧10的所述热通量传感器(34)和患者皮肤之间的热敏电阻(36)。调整所述加热器直到通过所述热通量传感器的热通量为零，在通过热通量传感器的热通量为零的点，记录患者的皮肤表面温度(由热敏电阻探测)作为核心身体温度。此外，可以通过使温度与阻抗的曲线线性化，并且使所述线性化的曲线移动到预先确定的15参考曲线来快速校准所述热敏电阻(34、72)。
Description
本申请具体应用于医学患者温度感测系统。然而，应当意识到，所描述的技术还可以应用于其他类型的温度感测系统、热通量感测系统和/或其他医学或工业应用。
在临床环境下高敏锐度和低敏锐度的两种设施中，可靠和精确的身体温度监测都具有很高的重要性。然而，当前能够获得并提供精确读数的身体温度传感器都是高侵入度的(动脉线导管、食道/直肠探头，等等)，而非侵入式传感器具有非常差的测量精度。因此，温度传感器未被充分使用，并且很大的患者群体未被适当地进行温度监测。
在获取精确的核心身体温度测量结果的过程中最至关重要的因素之一是良好的皮肤接触。皮肤和传感器之间任何的气泡都将导致不可靠的读数。传统的零热流传感器具有扁平的构造，并且由于用于符合除颤要求的电绝缘带，这样的传感器相当刚性。通常，双侧医学级粘合剂被用于将传感器固定到皮肤上。在许多环境下，患者将被移动，例如更换床垫等，因此粘合剂在可能影响传感器位置的任何移动期间保持传感器附接至前额的过程中扮演着重要的角色。由于传感器的刚性，使用粘合剂不足以确保整个传感器与皮肤的良好接触，因为扁平传感器的边角易于变得从弯曲的患者体表皮肤(诸如前额)脱离。头带能够可以用于为传感器施加额外的压力以降低这一效应；然而，问题仍然存在。而且，向前额施加恒定的压力会变得不舒适并且可能导致压力损伤。此外，由于传感器附接到皮肤的时间长度(例如，36小时或者更长)，希望每隔几小时检查传感器下方的皮肤，以检查传感器和头带是否在那里引起了任何的过敏性皮肤反应或压力损伤。然而，在利用粘合剂的情况下，这会带来不便，因为一旦将传感器从皮肤上剥离，粘合剂强度会降低并且测量被打断。
当使用两个或更多个热敏电阻测量温度传感器中的热通量时，对于确定何时没有从身体流向表面的热通量、以及对于横向热损失补偿而言，对每个热敏电阻的精确校准至关重要。由于现货供应的热敏电阻的阻抗容限，通常要求对每个热敏电阻进行单个校准，以便精确地确定何时已达到零热通量。对热敏电阻的单个校准不仅耗时，而且需要额外的簿记以说明每个单个热敏电阻的热敏电阻系数，特别是在传感器包含多个热敏电阻的情况下。
现货供应的热敏电阻通常具有5％的阻抗容限，其解释为10kΩ热敏电阻的大约1℃的可交换性。然而，要求大约0.3℃的精度。因此，在临床设施中，热敏电阻阻抗容限过于不精确。为了实现所需的精度，利用精确的校准设备单个地校准热敏电阻。单个地校准热敏电阻是耗时的，因为需要若干温度点的阻抗(例如，从25℃到45℃的范围——可能使用的病例范围——中选取的最少10-15个点)。
在现有技术中，对于便于快速、经济和精确地测量患者核心身体温度的系统和方法的需求未得到满足，因而需要克服上述缺陷。
根据一个方面，一种用于监测患者的核心身体温度的系统，包括弯曲的温度传感器、传感器外表面上的至少一个可松开的固定条、通过所述至少一个可松开的固定条耦合到传感器并将传感器固定到患者的束带以及沿着传感器内侧的一个边缘定位的粘合条，所述粘合条将所述传感器的内侧耦合到患者的皮肤。
根据另一方面，一种用于测量患者体内的核心身体温度的系统，包括：加热器，为其施加电流以生成热；热通量传感器，其位于加热器下方；以及热敏电阻，其定位在热通量传感器和患者皮肤之间，具有与皮肤温度反向可变的阻抗。该系统还包括印刷电路板(PCB)，该印刷电路板包括对向加热器施加的电流进行调整直到热通量传感器两端的电压为零的电子电路，在热通量传感器两端的电压为零的点，由PCB上的电路记录患者皮肤处的温度，作为核心身体温度。
根据另一方面，一种用于降低患者温度传感器的校准要求的系统，包括：热敏电阻，其具有与患者身体温度反向可变的阻抗；线性化电阻器，其并联耦合到热敏电阻；以及曲线移动电阻器，其与热敏电阻和线性化电阻器串联耦合。
根据另一方面，一种监测患者体内的核心身体温度的方法，包括将具有热敏电阻的温度传感器至少部分地粘合至患者的前额，并使用粘合条和可移除的头带将所述温度传感器固定至患者的前额。
一个优点在于便宜且精确地测量核心身体温度。
另一优点在于降低了在传感器区域内的患者皮肤刺激。
另一优点在于提高了对传感器下方的皮肤检查的便捷性。
另一优点在于降低了校准传感器所需的校准点的数量。
另一优点在于减少了若干热敏电阻以获得精确的核心身体温度读数。
本领域普通技术人员通过阅读和理解下文的详细说明，将意识到主题创新的更进一步的优点。
本创新可以具体化为各种部件和部件布置，以及各种步骤和步骤安排。附图仅用于图示说明各个方面，而不应认为其对本发明构成限制。
图1图示了一种弯曲的温度传感器，其被预先弯曲从而为传感器引入微小的曲率，由此降低当将传感器附接至患者时需要对前额施加的压力；
图2图示了通过固定条(图1)被附接至头带的传感器；
图3图示了通过粘合条被附接至患者的前额并且还通过前额被保持在适当位置的一对传感器；
图4图示了温度感测系统的分层布置的范例，该系统包括加热元件、热通量传感器和热敏电阻，以测量受检者或患者的核心身体温度；
图5的曲线图以摄氏温度为单位图示了在已经使用串联电阻移动了非线性化的阻抗相对于温度的曲线之后出现的平均误差；
图6的曲线图图示了通过以下显著降低阻抗相对于温度的曲线和参考曲线之间可变性误差：首先通过添加与热敏电阻并联的电阻器来使曲线线性化；
图7图示了根据本文所述的一个或多个方面，便于使热敏电阻的阻抗相对于温度的曲线线性化，并将线性化的曲线移动至参考曲线的系统。
图1和2图示了弯曲的温度传感器10，其被预先弯曲从而向传感器引入微小的曲率，由此降低当将传感器附接至患者时由头带14施加的压力。此外，使用固定条12(例如，VelcroTM搭扣(hook and loop)或搭扣织物，或者一些其他合适的紧固装置)将传感器10附接到头带，以消除头带从前额滑落的可能性。在一个实施例中，两个条12被牢固地粘附至传感器的顶侧，从而进一步增强曲率。此外，传感器由粘合剂16仅部分地覆盖在患者一侧，以便使得医务职员可以提起传感器的一部分来查看下面的皮肤而不会造成明显打断测量。应当意识到，粘合条或带16可以定位于传感器10的任意预期的边缘上。通过降低粘合条16的表面积，皮肤刺激被降低并且相对于覆盖整个传感器的常规的粘合剂而言便于对皮肤的检查。根据范例，粘合条16覆盖传感器10的皮肤一侧表面的大约5％到大约20％。在另一范例中，粘合条16覆盖传感器10的皮肤一侧表面的大约10％。
在一个实施例中，两个弯曲的传感器10被附接到头带以监测患者温度。在这种情况下，可以将粘合条16放置在每个传感器的皮肤一侧的顶部或底部边缘，或者放置在皮肤一侧的内部边缘(相对于彼此而言，如图3所示)，以方便皮肤检查而无需移除传感器。
在另一实施例中，传感器10被装配到呈弧形的夹具(jig)或表面，并且其各层耦合在一起(例如，使用机械扣件、化学扣件或环氧树脂、缝合，等等)，从而使得它们每个都具有预先确定的曲率半径，也就是最终传感器的曲率半径。将预先确定的曲率半径选择为符合人前额的平均曲率半径。在一个实施例中，曲率半径处在大约8cm到大约15cm的范围内。在另一实施例中，曲率半径较小以适应小儿患者。
图2图示了通过固定条12(图1)被附接到头带14的传感器10。以微小的曲率预先弯曲(例如，在制造期间或者在粘附到患者之前的一些其他时间)传感器并利用传感器的底侧(患者一侧)的粘合剂的条或带16(例如，电绝缘带等)将其固定在适当的位置。弯曲的构造更好地顺应前额并降低在传感器的边角处的脱落效应。固定条不仅有助于保持预先弯曲的形状，而且它们还便于将传感器10附接至头带14。
在一个实施例中，双侧医学级粘合带被附接至传感器的底侧(患者皮肤一侧)。仅在传感器的一侧应用粘合条16，并且由此作为合叶(hinge)以允许医务职员容易接近传感器下方的皮肤。例如，如果护士或医师希望检查传感器下方的皮肤，头带被松开并且传感器被轻轻地提起，同时由粘合条16保持附接至患者的前额。通过这种方式，能够检查患者皮肤的压力损伤等，同时确保当重新固定头带时传感器被恰当地重新定位。
通过这种方式，利用了最小量的粘合剂16以将传感器10保持在患者前额上的预期位置，同时降低皮肤刺激并增加对皮肤检查的便捷性。头带14为传感器提供足够的压力，以确保与患者皮肤的良好接触，从而改善测量精度。在一个实施例中，在皮肤和传感器之间应用凝胶材料，以进一步便于实现良好的热接触表面并降低皮肤刺激。
图3图示了通过粘合条16被附接至患者的前额、并且还通过头带14被保持在适当位置的一对传感器10。如果护士或医师摘除头带，双侧医学级粘合剂的条确保传感器保持附接至前额，同时提供从皮肤提起传感器以进行检查的可能性。随后，能够恢复测量而对传感器测量具有最小的干扰。
图4图示了温度感测系统30的分层布置的范例，其包括加热元件32、热通量传感器34和热敏电阻36，以测量受检者或患者的核心身体温度。系统30可以在先前附图的传感器10的内部表面上采用或者部分嵌入到所述传感器10中，或者与其分立。热通量传感器34产生与流过其的热通量成比例的电压。当没有热通量时，生成或测量参考电压(例如，零电压)。通过控制对直接定位在热通量传感器上方的加热器的电流，能够驱使热通量传感器电压为零，导致没有从身体到大气的热流动。随后，使用安放在传感器34的皮肤38一侧的热敏电阻36测量核心身体温度。使用热通量传感器而非两个热敏电阻测量热差的优点在于消除了热敏电阻的高精度校准要求。
加热元件39(在截面中示为阴影块)也可以定位在热通量传感器的周界(例如，横向边缘)处，以充当减少横向热损失的保护环。由于热通量传感器对热流的灵敏度，测量来自热通量传感器的电压的电子器件被安装到镀铜的印刷电路板(PCB)40，以确保在PCB上测量温度梯度时，实现均匀的温度分布。此外，可以将电子器件与由于环境造成的任何气流隔离以改善测量精度。
热通量传感器34由此测量从身体流向传感器34周围的环境空气的热通量的量。加热器32被安放在热通量传感器的顶部(例如，在非患者一侧)并对其加以控制以确保没有热通量流到环境中(即，测量到零电压读数)。热敏电阻36被安放在皮肤38表面处的热通量传感器的下方(例如，在患者一侧)，以提供发生零热通量时对温度的测量。记录这一温度作为核心身体温度。
在一个实施例中，热敏电阻36是10kΩ的热敏电阻，然而所述的系统和方法可以采用其他值的热敏电阻，正如本领域技术人员应当意识到的。
应当意识到，PCB 40可以包括一个或多个处理器或处理电路，其控制加热器、监测热通量传感器和/或热敏电阻，等等。此外，PCB可以包括存储部件，其存储与执行本文所述的各种功能相关联的数据，以及用于由(一个或多个)处理器执行所述功能的指令。PCB可以远离加热器、热通量传感器和热敏电阻而安装到例如传感器10的外部表面(例如，内侧或皮肤一侧表面)。
图5-7图示了简化在零通量温度传感器中采用的热敏电阻的校准的实施例。相同类型或模式的热敏电阻通常具有高达大约1℃的可变性。因此，为了获得高于1℃的精度，通常必须单个地校准每个热敏电阻，以便精确地获得完整的阻抗相对于温度的曲线。通过使阻抗相对于温度的曲线线性化，则能够将所述曲线移动至参考曲线，以便使其相等，并能够仅使用一个校准点(低于使用常规系统和方法的每个热敏电阻的大约15个校准点，其消耗若干小时以进行校准)实现这一操作。
图5是在未线性化的情况下以摄氏温度为单位示出了参考曲线和经移动的阻抗相对于温度的曲线之间的平均误差的曲线图50的图示。将37℃用作参考温度，并且在这一温度点，阻抗相对于温度的曲线和参考的误差是0℃。然而，随着偏离这一温度点，误差开始增加。可以将阻抗相对于温度的曲线移动至选择的参考曲线，以试图通过安放与热敏电阻串联的电阻器而使所述曲线相等。然而，由于热敏电阻的非线性特性，来自经移动的曲线和参考曲线的误差开始在所选取的参考温度之外出现。
图6的曲线图60的图示示出了通过首先使曲线线性化，例如通过添加与热敏电阻并联的电阻器，来显著降低参考曲线和经移动的阻抗相对于温度的曲线之间的可变性误差。注意到在图5和6中的误差中存在两个等级的幅度差异。在线性化之后，随后能够使用与并联配置串联的电阻器将阻抗相对于温度的曲线移动到参考曲线。在37℃的点将曲线对准，并且因此仅需要一个校准点。图6图示了能够实现的误差降低，与其中未采用线性化的方案(例如，图5)相比其得到了两个等级的幅度的改善。
图7图示了根据本文所述的一个或多个方面，便于使热敏电阻的阻抗相对于温度的曲线线性化，并便于将线性化的曲线移动至参考曲线的系统70。系统70可以在图1-4中的传感器10和系统30中的一个或两个中采用，或者独立于其采用。系统70包括热敏电阻72，其与线性化电阻器74以并联配置布置。移动电阻器76被耦合到线性化电阻器和电热敏电阻的并联配置中。选择低阻抗值的并联线性化电阻74导致较低的误差可变性；然而，结果，总阻抗值降低，以及由此灵敏度降低。选取较高的热敏电阻阻抗值会降低或偏离这一效应。串联安放的曲线移动电阻器76是可调电阻器，可以对其进行调节直到实现在37℃点处误差为0。
在一个范例中，热敏电阻具有大约10kΩ的值，线性化电阻器具有大约3kΩ的值，而曲线移动电阻器具有大约0-1kΩ的值。然而，本领域技术人员应当意识到，上述值仅用于解释说明，并且所描述的系统和方法并非对其进行限制。
已经参考若干实施例描述了本创新。他人通过阅读和理解先前的详细描述，可以做出修改和变型。意图将本发明解释为包含所有此类修改和变型，只要它们落在权利要求或与其等价的范围内。
Claims (20)
1.一种用于监测患者的核心身体温度的系统，包括：
弯曲的温度传感器(10)；
至少一个可松开的固定条(12)，其在所述传感器(10)的外表面上；
束带(14)，其通过所述至少一个可松开的固定条(12)被耦合到所述传感器(10)，并且所述束带将所述传感器(10)固定至所述患者；以及
粘合条(16)，其沿所述传感器(10)的内侧的一个边缘定位，所述粘合条将所述传感器(10)的内侧耦合至所述患者的皮肤。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述粘合条(16)的纵向边缘与所述传感器(10)的内表面的第一边缘对齐，从而使得所述传感器被提起时绕所述粘合条枢转。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述粘合条(16)覆盖少于或等于所述传感器(10)的内侧的表面积的20％。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述粘合条(16)包括双侧医学级粘合条和电绝缘带中的一个或多个。
5.根据权利要求1所述的系统，还包括：
加热器(32)，向所述加热器施加电流以生成热；
热通量传感器(34)，其在所述加热器(32)下方；
热敏电阻(36)，其定位在所述热通量传感器(34)和所述患者的皮肤之间，所述热敏电阻具有与皮肤温度反向可变的阻抗；以及
印刷电路板(PCB)(40)，其包括对向所述加热器(32)施加的电流进行调整直到所述热通量传感器(34)两端的电压为零的电子电路，在所述热通量传感器(34)两端的电压为零的点，所述PCB(40)上的所述电路记录所述患者的皮肤处的温度作为所述核心身体温度。
6.根据权利要求1所述的系统，还包括：
热敏电阻(72)，其具有与患者身体温度反向可变的阻抗；
线性化电阻器(74)，其并联耦合到所述热敏电阻(72)；以及
曲线移动电阻器(76)，其与所述热敏电阻(72)和所述线性化电阻器(74)串联耦合。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述线性化电阻器(74)的并联配置降低了所述热敏电阻(72)和线性化电阻器(74)的总阻抗，从而使所述热敏电阻(72)的阻抗相对于温度的曲线和参考曲线之间的可变性误差线性化。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述传感器(10)具有在8cm到15cm范围中的曲率半径。
9.一种用于测量患者体内的核心身体温度的系统，包括：
加热器(32)，向所述加热器施加电流以生成热；
热通量传感器(34)，其在所述加热器(32)下方；
热敏电阻(36)，其定位在所述热通量传感器(34)和所述患者的皮肤之间，所述热敏电阻具有与皮肤温度反向可变的阻抗；以及
印刷电路板(PCB)(40)，其包括对向所述加热器(32)施加的电流进行调整直到所述热通量传感器(34)两端的电压为零的电子电路，在所述热通量传感器(34)两端的电压为零的点，所述PCB(40)上的所述电路记录所述患者的皮肤处的温度作为所述核心身体温度。
10.根据权利要求9所述的系统，还包括：
加热元件(39)，其环绕所述热通量传感器(34)的周界并降低那里的横向热损失。
11.根据权利要求9所述的系统，其中，所述PCB(40)是镀铜的PCB，其具有均匀的热分布特性。
12.根据权利要求9所述的系统，还包括：
线性化电阻器(74)，其并联耦合到所述热敏电阻(72)；以及
曲线移动电阻器(76)，其与所述热敏电阻(72)和所述线性化电阻器(74)串联耦合。
13.根据权利要求9所述的系统，还包括按以下顺序布置的元件的堆叠，所述堆叠包括：
头带(14)，其定位在所述患者的头部周围；
温度传感器(10)；
所述加热器(32)；
所述热通量传感器(34)；以及
所述热敏电阻(36)；
其中，所述热敏电阻(36)定位在所述堆叠的底部的所述患者身上。
14.一种用于降低患者温度传感器的校准要求的系统，包括：
热敏电阻(72)，其具有与患者身体温度反向可变的阻抗；
线性化电阻器(74)，其并联耦合到所述热敏电阻(72)；以及
曲线移动电阻器(76)，其与所述热敏电阻(72)和所述线性化电阻器(74)串联耦合。
15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述线性化电阻器(74)的并联配置降低了所述热敏电阻(72)和线性化电阻器(74)的总阻抗，从而使所述热敏电阻(72)的阻抗相对于温度的曲线和参考曲线之间的可变性误差线性化。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述传感器(10)包括按以下顺序布置的元件的堆叠：
头带(14)，其定位在所述患者的头部周围；
温度传感器(10)；
所述加热器(32)；
所述热通量传感器(34)；以及
所述热敏电阻(36)；
其中，所述热敏电阻(36)定位在所述堆叠的底部的所述患者身上。
17.一种监测患者体内的核心身体温度的方法，包括：
向所述患者的前额应用具有热敏电阻(36、72)的至少部分粘合的温度传感器(10)；以及
使用粘合条(16)和可移除的头带(14)将所述温度传感器(10)固定到所述患者的前额。
18.根据权利要求17的方法，其中，所述温度传感器(10)被预先弯曲，以使其具有符合所述患者的前额的弯曲表面，并且其中，所述粘合条(16)沿所述温度传感器(10)的表面的与所述患者的皮肤接触的一侧定位。
19.根据权利要求17的方法，其中，所述温度传感器(10)包括：
加热器(32)，向所述加热器施加电流以生成热；
热通量传感器(34)，其位于所述加热器(32)下方；
热敏电阻(36)，其定位在所述热通量传感器(34)和所述患者的皮肤之间，所述热敏电阻具有与皮肤温度反向可变的阻抗；以及
印刷电路板(PCB)(40)，其包括对向所述加热器(32)施加的电流进行调整直到所述热通量传感器(34)两端的电压为零的电子电路，在所述热通量传感器(34)两端的电压为零的点，所述PCB(40)上的所述电路记录所述患者的皮肤处的温度作为所述核心身体温度。
20.根据权利要求17的方法，其中，所述温度传感器(10)包括：
热敏电阻(72)，其具有与患者身体温度反向可变的阻抗；
线性化电阻器(74)，其并联耦合到所述热敏电阻(72)；以及
曲线移动电阻器(76)，其与所述热敏电阻(72)和所述线性化电阻器(74)串联耦合。
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