CN104955386A - 基于阻抗测量的组织温度的无创测量 - Google Patents

Abstract

本发明公开了对于组织温度的无创测量，电流通过由至少一个馈送电极(10.1，10.2)供给到组织(20)。由电流(I)引起的电压(U)由至少一个测量电极(30.1，30.2)测量，并从电流流经的电阻或组织(20)的阻抗大小中被确定。组织中的温度从电阻和/或阻抗大小中被直接确定。

Description

基于阻抗测量的组织温度的无创测量

技术领域

本发明涉及组织温度的直接的持续的无创测量的方法，优选在不同的深度，以及特别是实施这种方法的装置。

背景技术

迄今在医药领域，如果人们希望测量人体内部的温度，通常需要侵入式完成，即，使用测量针或传感器插入皮肤下。此方法的缺点除了会造成一定的感染风险外，还会带来不可忽视的疼痛。

EP2096989 B1公开了一种医疗测量设备，其限定了生物电阻抗与局部电极。在EP2096989 B1中的心脏频率和脉冲振幅通过生物电阻抗的帮助来确定。相应地，根据EP2096989 B1，体温可由脉冲幅度来确定。根据EP2096989 B1中的测定装置，其缺点在于体温不能直接得到，而是要从必要的血液值中推导出来。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种方法和一种装置，其克服了现有技术的缺点，特别是能够以简单和可再现的方式最确切的确定温度。

根据本发明，这个目标通过对组织温度的无创测量的方法而达到，其中电流通过至少一个馈送电极导入到组织并且由电流引起的组织中的电压通过至少一个测量电极而被测量，并且从这电流流经的电阻或阻抗或组织中阻抗大小被确定。本发明的特征在于，组织温度由测量的电阻或阻抗或阻抗的大小直接确定。所描述的方法利用的是，电阻或阻抗或组织的阻抗大小随着温度增加或降低。如果施加电流，与组织温度相关联地的电压和电阻或阻抗或由这些量所决定的阻抗的大小，是广布在组织部分中的温度的直接测量。

组织温度的直接测定来自于阻抗测量，其无需例如在EP2096989B1中描述的血值测定，具有的优点是，即使组织部位的血液循环不良也可能确定身体温度。

优选地，根据本发明的方法，为了避免电偶作用，交流电流经由具有在几微安到几毫安的范围内的密集电流的馈送电极被作为馈送至组织内的电流。在组织中形成的势场主要依赖于组织的结构和温度。

由于势场而在组织中形成的电压是可被测量的，例如使用测量电极。电流所流经的组织的特定电阻或阻抗或组织阻抗大小是可以从所提供的电流和测量电压及考虑到电极几何测量来计算得到的，其中特定电阻是组织特定电导率的倒数。

对于特定电阻它保持Ps＝K*U/I，其中U是所测量的电压，I是所提供的电流，而K是一个几何因子，它是依赖于测量电极和馈送电极的电极布置。馈送电极和测量电极可以以各种布置来提供，例如

-温纳排列

-斯伦贝谢排列

-三点系统，

-双偶极系统

-李排列

根据本发明的馈送电极和测量电极的布置，其中，优选地由非金属材料制成，温纳排列为优选。

为了确定温度或组织温度，预定频率范围，特别是在330千赫到1000千赫之间的锁相环路(PLL)，阻抗曲线被记录，同时，电阻以及所产生的曲线斜率的变化被计算。

数学方法也可以用于确定组织温度。

为了能够确定组织深处的温度，在进一步改进的实施例中，可以提供具有相互分隔一定距离的至少两个馈送电极和/或至少两个测量电极。

如果距离是变化的，电流穿透到组织内不同深度。电阻值，阻抗值或阻抗的大小可以再次从不同距离所确定的电压中确定。电阻值、阻抗值，以及阻抗的大小能够表示不同深度的组织温度。

如果温度的绝对值是从测定的电阻，阻抗或阻抗大小所确定，有利的是，通过独立的测定方法，独立地确定参考温度，例如，传感器装置，像是皮肤传感器和/或红外线温度计。根据本发明的方法确定的电阻，阻抗或阻抗大小或者阻抗分布可以被安排独立决定参考温度。因此，具有与一定的温度值相关联地一定的阻抗值。这能够产生绝对温度排列。

优选的应用交流电流作为电流。然而，直流电流或脉冲直流电也将是可能的。为了能够测量与频率相关的阻抗，施加的电流是频率可变的。

通过参考温度的方法，电阻，阻抗或阻抗大小或阻抗分布可以相对于温度被标准化或被校准，或设置零点。如果频率可变电流被提供，在这个频率范围的电流是变化的，并且由频率相关的方式所确定的阻抗或阻抗大小是在范围从几赫兹到几百兆赫内的，特别是在范围从10千赫至1000千赫内，优选地从300千赫到1000千赫，相当优选从330千赫到900千赫。

除了该方法，本发明还提供了用于无创测量组织温度的装置。根据本发明的装置包括至少一个用于提供进入组织的电流的馈送电极，和至少一个测量电极。馈送电极可以由金属或也非金属材料制成，例如，有可能由不锈钢制成馈送电极。除了用于供给电流的馈送电极，该装置包括至少一个由金属或非金属材料制成的测量电极。测量电极可以是Ag-AgCl多电极形式，例如，Ag-AgCl板或Ag-AgCl单电极，优选为粘合剂的电极。Ag-AgCl电极由于它们的化学属性而不适合作为馈送电极。

除了馈送电极和测量电极，所述装置还包括一个单元，借助于该单元可能从所提供的电流和测得的电压中，确定电流所流经的组织中的电阻或阻抗或阻抗大小或阻抗分布，然后从所确定的电阻或所确定阻抗或所确定的频率上的阻抗分布而确定组织中的温度。为此，各个阻抗值通过相对于它们的阻抗的频率变化的测量而被确定。

特别优选地，如果根据本发明的装置包括频率可变发生器，通过其电流被供给。一种可能的发生器是具有300千赫到1000千赫频率范围的可调正弦发生器，其提供了在几微安到几毫安范围内的恒定电流。测量值的记录是以毫伏范围来完成，即小于100毫伏的电压。特别优选地，频率变量发生器是基于微控制器电路。在本发明的一个实施例中，可以提供一种可调谐发生器，其特别是通过锁相环路(PLL)的可调谐发生器。

除了具有一个频率的正弦信号，其它周期信号也是可行的，例如，可在它们的频率内变化的矩形或三角波信号。曲线形状比用于馈送信号的正弦信号具有其他谐波可以专门设置的优势。除了周期信号，单相电流脉冲也是可能的。

如前所述，传感器装置可被提供用来零点设置或校准。在传感器装置的帮助下，独立阻抗测量来确定绝对温度是可能的，例如皮肤的表面温度。这个绝对值然后可以再次被分配存在绝对温度的阻抗，以使得阻抗值与温度相对应。由于这里涉及无创方法，能够应用到皮肤的表面传感器为了此目的而被提供。

附图说明

本发明将参照下面具体实施例来详细描述。

图1a-1b示出了本发明的测量原理

图2示出了温纳电极排列

图3a示出了根据本发明的装置的特征族，其示出了确定温度的实例中，阻抗值Z[Ω]的分布，作为各种温度所提供的交变电流的频率f[Hz]的函数。

图3b示出了与阻抗相关的温度。

图4示出了根据本发明的装置的结构。

具体实施方式

图1a和1b示出了所述方法的测定原理。在根据本发明的方法，在所考虑的实施例中，如图2所示，电极是根据温纳排列，但不限于此，即两个馈送电极10.1,10.2由电流12提供并被送到在电极下面的组织20。由组织内部电流所产生的电流线特征在于标号22。由于电流流经组织20，形成带有电势场线24的电势场，并且电压32通过测量电极30.1,30.2被确定。从测得的电压，并知道所提供的电流，电阻或阻抗或阻抗大小或阻抗值可以被确定，这是对组织内温度的直接的测量，如图下文所示。

图1a示出通过电压源33提供的电流。另外，图1b示出了电流源35的供给。相同的部件在图1a中的特征在于相同的标号。

根据本发明的方法在特殊的实施例中，图2示出了一种特殊的温纳电极排列，但是不限于此。在温纳电极排列中，馈送电极E1，E2应等同于在图1a所示的电极10.1,10.2，测量电极S1，S2由图1a中的30.1和30.2所指定。馈送电极E1，E2之间的距离指定为L，馈送电极E1和测量电极S1之间的距离以及测量电极S1和S2之间的距离，和测量电极S2和馈送电极E2之间的距离总是恒等于a。K作为温纳排列的几何因子，可以得到K＝a。虽然此处示出的是温纳电极排列，另一电极布置也是可行的，像是斯伦贝谢排列，三点系统，双偶极系统或李排列。电极基本上因电极位置和几何因子K而不同。

图3a示出了基于根据本发明的装置的特征族，其示出了阻抗值的行为Z[Ω]作为给各种温度提供交流电流的频率f[Hz]的函数。从图3可以看出，对于每个温度T1，T2，T3，特定特征100.1，100.2，100.3被确定为阻抗频率的函数。如图3，因此根据开尔文体温T而获得与频率有关的阻抗Ζ[Ω]的特性族。频率范围在330千赫和950千赫之间在示例性实施例中示出而不限于此的组织阻抗Z[Ω]是相对于将要被测的组织温度为线性的，，例如，温度T1，T2和T3的直线彼此平行设置，并且不同温度的直线间的距离对于不同的频率是等距离的。

在指定的频率范围330千赫到950千赫，如图3b所示，发现温度与指定频率范围内的阻抗之间有线性关系。图3b示出了这种线性关系。当然在图3a中的曲线的等距离的结果，温度和阻抗之间的线性关系也可以应用到当为了在指定的频率范围内的平均频率而确定阻抗。阻抗的测定通过范围从33千赫到950千赫的平均频率是具有优势的，因为后续平均将改善在多数情况下的结果。如果体温在所观察到的位置改变，例如由于热量的供应，例如，在组织的热处理期间，组织温度，以及一定频率或一定频率范围或平均频率的阻抗增加。作为阻抗Ζ[Ω]和温度D[℃]的线性结果，如图3b所示，温度上升Δθ可以从增加的阻抗ΔΖ来确定。

由于这种行为的结果，能够通过组织阻抗在330千赫到950千赫范围内的间接路径，实施无创的温度测量。特征族由此被确定，例如，组织表面或皮肤样品借助于加热装置被加热到不同的温度，例如，加热灯。为了能够分配绝对温度到阻抗值，可以进行参考测量。可能的参考温度可以是表面温度或患者的耳温度。表面温度可被测量，例如，通过作为参考的表面传感器的帮助。

如果实施特殊的测量，知道如图3a和图3b所描述的特征族，温度可以被确定。在图3b中所示的给予了阻抗和温度的关系的直线是温度的直接测量。可变频率大大增加了该方法的测量精度，因为对于频率范围内的平均阻抗值可被分配到温度值。这个平均阻抗值也随温度线性变化，使得组织中温度的上升可以通过阻抗值的增加被直接地检测到。特别优选，如果在图3a中所示的参数是可以用于所有测量的标准化的Z-f参数。那么温度的测定局限于读取值。

用于确定组织温度的装置的示意图在图4中进行说明。

根据本发明的设备一方面包括U-I变换器200，通过其电流，优选是恒定电流，经馈送电极210.1，210.2，被应用到患者280的组织。作用于患者280的组织上的电流导致势场的形成，从而导致可以通过测量电极230.1，230.2的方式来确定电压。由测量电极230.1，230.2接收到的电压，由测量放大器放大并提供给微控制器300。在微控制器中，频率相关的阻抗从所施加的电流和测得的电压中被进行评价并计算。阻抗反过来作为频率的函数显示在液晶显示器310。微控制器300还控制频率可变发生器320，其可配置为锁相环发生器，其信号经由U-I转换器200被转换成通过馈送电极210.1，210.2供给病人的恒定幅度的电流。出于标准化和校准的目的，可以提供的是，除了通过所测量电压与供给的电流强度的方法，电子和计算机计算确定组织温度外，做参考测量，例如，利用皮肤传感器330的帮助或温度测量针340，其可以记录组织中与深度有关的温度。皮肤传感器330是特殊类型的表面传感器，而温度测量针使与深度有关的测量成为可能。这两种测量方法可用于校准和/或标准化。

根据本发明的装置，装置和方法提供了用于在第一时间，通过简单的阻抗测量以在非常简单的方式直接地无创地确定病患的体温。方法和装置适用于所有领域的温度采集，例如长期的记录或临床监测或监控。此外，可以在重症监护，在手术和麻醉操作和肿瘤治疗中使用，特别是对施加热或冷到患者的疗法或程序中监控温度。

本发明包括将在以下的句子中描述的方面，其不构成权利要求，但根据J15/88属于说明书的部分。

1.组织温度的无创测量方法，其特征在于，电流通过一个馈送电极(0.1,10.2)供给到组织(20)，并且由电流(l)引起的电压(U)通过至少一个测量电极(30.1,30.2)而被测量，并从电流流经的电阻或组织(20)的阻抗大小中被确定，其特征在于，组织中的组织温度被直接地从电阻和/或阻抗大小中被确定。

2.根据句子1所述的方法，其特征在于，参考温度被确定。

3.根据句子1至2之一所述的方法，其特征在于，参考温度的测量需要传感器装置的帮助，特别是皮肤的传感器和/或红外线温度计。

4.根据句子1至3之一所述的方法，其特征在于，该方法是利用至少两个馈送电极，第一馈送电极和第二馈送电极，其中第一和第二馈送电极具有彼此相距有第一距离。

5.根据句子1至4之一所述的方法，其特征在于，该方法是利用至少两个测量电极，第一测量电极和第二测量电极，其中第一和第二测量电极彼此相距有第二距离。

6.根据句子4所述的方法，其特征在于，第一和第二馈送电极之间的第一距离和/或第一和第二测量电极之间的距离是变化的以确定不同深度的组织温度。

7.根据句子1至6之一的方法，

其特征在于，在预定频率范围内的电流是由可变频率电机所供给，并且频率相关的阻抗被确定。

8.根据句子1至7之一的方法，

其特征在于，该电流是频率可变的交流电流，脉冲直流电或正弦交流电。

9.根据句子1至8之一的方法，

其特征在于，所述频率可变的交流电流在频率范围内变化其频率。

10.根据句子9的方法，其特征在于，所述频率范围是从几赫兹到几百兆赫，特别是10千赫到1000千赫，优选300千赫到1000千赫，优选330千赫到900千赫。

11.组织(20)温度的无创测量装置，包括

至少一个馈送电极(10.1，0.2)，用于供给电流到组织；

至少一个测量电极(30.1，30.2)，用于测量由组织中电流产生的电压；

其特征在于，

该装置包括一个单元，用于确定电流流经的电阻和/或阻抗和/或组织(20)的阻抗大小。

12.根据句子11所述的装置，其特征在于，装置包括确定参考温度的设备。

13.根据句子12所述的装置，其特征在于，用于确定参考温度的设备是传感器设备，特别是皮肤的传感器和/或红外线温度计。

14.根据句子11至13之一所述的装置，其特征在于，装置包括频率可变发生器，特别地基于以与频率相关的方式提供电流的微控制器。

15.根据句子14所述的装置，其特征在于，频率可变发生器是可调谐发生器，特别是发生器通过锁相环(PLL)可调谐。

16.根据句子14至15之一所述的装置，其特征在于，频率可变发生器提供了单相电流或具有不同的信号形状的交流电流，特别是矩形形状，三角形形状或正弦形状。

17.根据句子15所述的装置，其特征在于，单相电流或交流电流具有恒定或可变振幅。

18.根据句子1至10之一所述的方法或句子11至17之一所述的装置，用于以下目的中的至少一个：

用于长期记录

用于监测或临床监测

用于重症监护，特别是在手术和麻醉手术和肿瘤治疗

用于监测温度或温度特性，特别是在热源或冷源被施加到患者的治疗和应用中。

Claims (17)

1.组织温度的无创测量方法，其特征在于：电流通过馈送电极(0.1,10.2)供给到组织(20)，并且由电流(l)引起的电压(U)通过至少一个测量电极(30.1,30.2)而被测量，并从电流流经的电阻或组织(20)的阻抗大小中被确定，其特征在于：组织中的组织温度被直接地从电阻和/或阻抗大小中被确定。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：参考温度是由测量方法和一定的电阻或分配的阻抗大小而确定的。

3.根据权利要求1至2之一所述的方法，其特征在于：测量方法执行参考温度的确定需要传感器装置的帮助，特别是皮肤的传感器和/或红外线温度计。

4.根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于：所述方法是利用至少两个馈送电极，第一馈送电极和第二馈送电极，其中第一和第二馈送电极彼此相距有第一距离。

5.根据权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于：该方法是利用至少两个测量电极，第一测量电极和第二测量电极，其中第一和第二测量电极彼此相距有第二距离。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：第一和第二馈送电极之间的第一距离和/或第一和第二测量电极之间的距离是变化的以使得确定不同深度的组织温度。

7.根据权利要求1至6之一所述的方法，其特征在于：在预定频率范围内的电流是由可变频率电机所供给，并且频率相关的阻抗被确定。

8.根据权利要求1至7之一所述的方法，其特征在于：所述电流是频率可变的交流电流，脉冲直流电或正弦交流电。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述频率可变的交流电流在频率范围内变化频率。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：所述频率范围是从几赫兹到几百兆赫，特别是10千赫到1000千赫，优选300千赫到1000千赫，优选330千赫到900千赫。

11.组织(20)温度的无创测量装置，包括：至少一个馈送电极(10.1，0.2)，用于向组织供给电流；至少一个测量电极(30.1，30.2)，用于测量由组织中电流所产生的电压；其特征在于：该装置包括一个单元，其用于确定电流流经的电阻和/或阻抗和/或组织(20)的阻抗大小，以及直接来自该组织的组织温度。

12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于：装置包括用于确定参考温度的设备，其被分配一个特定的电阻或一定的阻抗大小。

13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于：用于确定参考温度的设备是传感器设备，特别是皮肤的传感器和/或红外线温度计。

14.根据权利要求11至13之一所述的装置，其特征在于：装置包括频率可变发生器，特别地基于提供在预定频率范围内的电流的微控制器。

15.根据权利要求14所述的装置，其特征在于：频率可变发生器是可调谐发生器。

16.根据权利要求14至15之一所述的装置，其特征在于：频率可变发生器提供了单相电流或具有不同的信号形状的交流电流，特别是矩形形状，三角形形状或正弦形状。

17.根据权利要求1至10之一的方法或权利要求11至16之一的装置，用于以下目的中的至少一个：用于长期记录；用于监测或临床监测；用于重症监护，特别是在手术和麻醉手术和肿瘤治疗；用于监测温度或温度特性，特别是在热源或冷源被施加到患者的治疗或应用中。