CN107274769A - 一种红外热成像人体模型及其仿真教学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种红外热成像人体模型及其仿真教学系统，该人体模型包括：人体模型基体、电热膜、仿真皮肤以及多个温度传感器；电热膜固定铺设于人体模型基体的表面，且覆盖了除头部、手部以及脚部以外的其他所有部位；仿真皮肤包裹于人体模型基体以及电热膜的外部；多个温度传感器分别间隔设置于电热膜与仿真皮肤之间；仿真教学系统包括上述的人体模型和控制器，通过该人体红外热成像仿真教学系统，学员可以学习到百余种以上疾病的红外热像图，同时掌握如何设置红外热像仪的参数与熟练的操作红外热像仪，并了解环境温度、衣物、身体触摸等外界因素对患者红外热像图的影响，让学员尽快掌握这门技能。
Description
技术领域
本发明公开涉及医学仿真教学系统的技术领域，尤其涉及一种红外热成像人体模型及其仿真教学系统。
背景技术
随着红外热成像技术的进步和发展，红外热成像仪已被大量应用到医疗检查、分析或其它医疗诊断方面，并成立了“人体红外热成像诊断学”的学科，体现了热成像技术在诊断方面的重要性。人体是一个天然的红外辐射源，不断向周围空间辐射红外辐射能。当人患病后，全身或局部部位的热平衡受到了破坏，临床表现为组织温度升高或降低，因此，测定人体体温变化是临床医学诊断疾病的一项重要指标。由于红外热像仪可以直观的显示和记录人体的温度分布情况，将患病时的人体红外热像图和正常生理状态下的人体红外热像图进行对比，就可以判断病理状态。由于红外热成像仪在测量人体体温改变的方面具有常规检查、检测手段无法代替的优势，因此红外热成像诊断得到了医学界的认可和重视，在医疗教学培训机构和医学院校均专门成立了“人体红外热成像诊断学”的培训，对学员进行红外热成像检查诊断技能的专业培训，以提高医疗人员的专业技能。
然而，在现有的教学过程中，由于没有人体红外热成像模型以及仿真系统，导致学员只能看看红外热像病例图片，或使用红外热像仪在学员间互看。由于红外热像检查的特殊性，红外热成像仪的参数设置、操作方法、环境温度、身体触摸、衣物、患者的配合都对红外线热像图有影响，而这些问题通过看图片是掌握不到的。
因此，如何研发一种人体红外热成像模型及其仿真系统，以解决上述问题，成为人们亟待解决的问题。
发明内容
鉴于此，本发明公开提供了一种红外热成像人体模型及其仿真教学系统，以解决以往在人体红外热成像诊断教学中，只能通过观察现有的红外热像病例图片进行学习，导致学习效果差等问题。
本发明一方面提供了一种红外热成像人体模型，该人体模型包括：人体模型基体11、电热膜12、仿真皮肤13以及多个温度传感器14；
所述电热膜12固定铺设于所述人体模型基体11的表面，且覆盖了除头部、手部以及脚部以外的其他所有部位，其中，所述电热膜12由多个电热膜单元拼接而成，且每个电热膜单元中均设置有由多个独立加热单元121构成的加热矩阵；
所述仿真皮肤13包裹于所述人体模型基体11以及所述电热膜12的外部；
多个所述温度传感器14分别间隔设置于所述电热膜12与所述仿真皮肤13之间。
优选，所述红外热成像人体模型还包括：热缓冲层15；
所述热缓冲层15位于所述温度传感器14和所述仿真皮肤13之间，且所述热缓冲层15包裹于所述电热膜12以及所述温度传感器14的外部；
所述仿真皮肤13包裹于所述热缓冲层15的外部。
进一步优选，所述电热膜单元中每3～5个独立加热单元121对应1个温度传感器14，且所述温度传感器14设置于所述3～5个独立加热单元121所在区域的中央位置。
进一步优选，所述温度传感器14的个数和设置位置与所述独立加热单元121的个数和位置一一对应。
进一步优选，所述人体模型基体11由玻璃钢树脂、PU树脂或ABS塑料制成。
进一步优选，所述仿真皮肤13由医用硅胶、热塑性橡胶、聚氯乙烯、PU树脂或TPE制成。
进一步优选，所述温度传感器14为热电偶、热敏电阻或数字温度传感器。
进一步优选，所述电热膜12为PI电热膜。
本发明另一方面还提供了一种人体红外热成像仿真教学系统，该教学系统包括：红外热成像人体模型1以及控制器2；
所述红外热成像人体模型1为上述的任意一种；
所述控制器2包括：触摸屏单元21、温度采集单元22、加热驱动单元23、单片机24以及电源单元25；
所述触摸屏单元21上显示有与所述红外热成像人体模型对应的图像，且所述图像上设置有与所述红外热成像人体模型1中每个独立加热单元121位置一一对应的温度输入区，所述触摸屏21的输出端与所述单片机24的第一输入端连接，将由触摸屏单元21上每个输入区输入的温度信息发送到单片机24中；
所述温度采集单元22的输入端分别与红外热成像人体模型1中每个温度传感器的输出端连接，用于采集每个温度传感器检测的温度信息，所述温度采集单元22的输出端与所述单片机24的第二输入端连接，用于将采集到的每个温度传感器检测的温度信息发送到单片机24中；
所述加热驱动单元23的输入端与所述单片机24的输出端连接，所述单片机24依据所述触摸屏21中每个输入区输入的温度信息以及所述温度采集单元22输出的每个温度传感器检测的温度信息控制所述加热驱动单元23工作，所述加热驱动单元23的输出端分别与所述红外热成像人体模型1中每个独立加热单元121连接，驱动所述红外热成像人体模型1中每个独立加热单元121分别进行加热与否；
所述电源单元25的输出端分别与所述触摸屏21、温度采集单元22、加热驱动单元23以及单片机24的供电端连接。
进一步优选，所述温度传感器14为DS18B20数字温度传感器，每个所述DS18B20数字温度传感器通过74HC245后连接到单片机的IO口。
本发明提供的红外热成像人体模型，该模型主要由人体模型基体、电热膜、仿真皮肤以及多个温度传感器构成，其中，该人体模型由电热膜加热矩阵中的独立加热单元加热产生热量，经仿真皮肤向仿真人周围辐射红外辐射能，此时用红外热成像仪观察，便能够看到仿真人体的红外热图像。
本发明提供的人体红外热成像仿真教学系统，该系统由红外热成像人体模型和控制器两部分构成，其中，控制器中的单片机依据各输入区域输入的温度信息，控制加热驱动单元分别驱动各独立加热单元分别进行加热，人体模型由电热膜加热矩阵中的独立加热单元加热产生热量，经仿真皮肤向仿真人周围辐射红外辐射能，此时温度传感器检测各位置处独立加热单元的温度信息，并将检测后的温度信息反馈到温度采集单元中，温度采集单元将反馈的温度信息发送到控制器的单片机中，单片机依据接收的输入温度信息与温度采集单元反馈的温度信息，对加热驱动单元进行闭环控制，实现人体模型温度的修正和稳定，当人体模型温度稳定后，使用红外热成像仪观察，便能够看到人体模型的红外热图像，以用于“人体红外热成像诊断学”的教学。通过该人体红外热成像仿真教学系统，学员可以学习到百余种以上疾病的红外热像图，同时掌握如何设置红外热像仪的参数与熟练的操作红外热像仪，并了解环境温度、衣物、身体触摸等外界因素对患者红外热像图的影响，让学员尽快掌握这门技能。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为由电热膜覆盖后的人体模型基体的示意图，其中，灰色区域为覆盖有电热膜的区域；
图2为红外热成像人体模型中温度传感器的安装示意图；
图3为电热膜单元中加热矩阵的示意图；
图4为红外热成像人体模型的局部结构示意图；
图5为人体红外热成像仿真教学系统的模块示意图；
图6为加热驱动单元中的电路原理示意图；
图7为温度采集单元中电路原理示意图；
图8为红外热成像人体模型模拟小肠肠炎导致肚脐周围痛的红外热像图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置的例子。
本实施方案提供了一种红外热成像人体模型，该人体模型主要由人体模型基体11、电热膜12、仿真皮肤13以及多个温度传感器14构成，参见图1、图4，电热膜12固定铺设于人体模型基体11的表面，且覆盖了除头部、手部以及脚部以外的其他所有部位，仿真皮肤13包裹于人体模型基体11以及电热膜12的外部，参见图2、图4，多个温度传感器14分别间隔设置于电热膜12与仿真皮肤13之间。其中，电热膜12优选为PI电热膜，为了使铺设于人体模型基体11表面的电热膜与人体模型基体更为贴合，可将电热膜12设计为由多个电热膜单元拼接而成，而各个电热膜单元可根据具体情况设计为不同的形状和面积，但每个电热膜单元中均设置有加热矩阵，参见图3，该加热矩阵是由直径为15毫米的独立加热单元121排列组合而成，每个独立加热单元121相当于一个“像素”，独立加热单元121直径越小，排列越密集，加热分辨率就越高，红外热成像仿真人产生的红外热像图就越细腻，越接近真实人体，独立加热单元121的具体直径大小以及排列密集程度可根据实际需要确定。
参见图4，在红外热成像人体模型中还可以设置有热缓冲层15，该热缓冲层15位于温度传感器14和仿真皮肤13之间，且热缓冲层15包裹于电热膜12以及温度传感器14的外部，而仿真皮肤13包裹于热缓冲层15的外部；其中，热缓冲层15可有海绵制成，该热缓冲层的作用是起到缓冲电热膜加热矩阵中独立加热单元产生的热量，让独立加热单元产生的热量均匀散开，防止通过红外热像仪观察时，红外热成像人体模型的热像图是由一个个红点组成，同时也起到充当人体脂肪组织的作用，手触摸人体模型的时候犹如触摸真实人体一样。如果不采用海绵热缓冲层，需要增加仿真皮肤的厚度，通过增加仿真皮肤的厚度来起到缓冲电热膜加热矩阵中独立加热单元的热量和充当人体脂肪组织的作用，但成本相对会有所提高。
其中，多个温度传感器可分别对应安装于人体模型基体11中对应的器官(肝、脾、肺、心脏等)或重要区域(腹部、胸部、臀部等)处，优选，设计为电热膜单元中每3～5个独立加热单元121对应1个温度传感器14，且温度传感器14设置于3～5个独立加热单元121所在区域的中央位置，通过该温度传感器14检测该区域内的温度信息，通过此设计的主要目的在于可减少温度传感器14的使用个数。然而，为了提高温度传感器的温度检测效果以及实现对每个独立加热单元的精确控制，作为方案的改进，温度传感器14的个数和设置位置与独立加热单元121的个数和位置一一对应，即每个独立加热单元都对应唯一一个温度传感器。
其中，上述红外热成像人体模型中，人体模型基体11是由男性或女性倒模而成，具体由玻璃钢树脂、PU树脂或ABS塑料制成；仿真皮肤13可由医用硅胶、热塑性橡胶、聚氯乙烯、PU树脂或TPE制成；温度传感器14可为热电偶、热敏电阻或数字温度传感器。
参见图5为一种人体红外热成像仿真教学系统，该教学系统主要由红外热成像人体模型1和控制器2两部分构成，其中，红外热成像人体模型1可为上述实施方案中的任意一种；而控制器2主要由触摸屏单元21、温度采集单元22、加热驱动单元23、单片机24以及电源单元25构成，参见图6、图7分别本实施方案提供的一种加热驱动单元中电路原理示意图以及温度采集单元中电路原理示意图，其中，由于红外热成像人体模型上铺设的电热膜加热矩阵中每个独立加热单元在人体模型上都具有确切的位置，因此，可将上述电热膜加热矩阵中每个独立加热单元的安装位置都形成坐标，并编上编号，形成坐标数据表，并将该坐标数据表存储于单片机24的存储器中，在触摸屏单元21上显示有与红外热成像人体模型对应的3D图像，且该3D图像上设置有与红外热成像人体模型1中各个独立加热单元121的坐标位置一一对应的温度输入区，这样就可以通过在触摸屏单元21中每个温度输入区分别输入不同的体表温度，完成对红外热成像人体模型相应部位或区域体表温度的设置，而触摸屏21的输出端与单片机24的第一输入端连接，将由触摸屏单元21上每个输入区输入的温度信息发送到单片机24中；温度采集单元22的输入端分别与红外热成像人体模型1中每个温度传感器的输出端连接，用于采集每个温度传感器检测的温度信息，温度采集单元22的输出端与单片机24的第二输入端连接，用于将采集到的每个温度传感器检测的温度信息发送到单片机24中；加热驱动单元23的输入端与单片机24的输出端连接，单片机24依据依据触摸屏21中每个输入区输入的温度信息以及温度采集单元22输出的每个温度传感器检测的温度信息控制加热驱动单元23工作，加热驱动单元23的输出端分别与红外热成像人体模型1中每个独立加热单元121连接，驱动红外热成像人体模型1中每个独立加热单元121分别进行加热与否；电源单元25的输出端分别与触摸屏21、温度采集单元22、加热驱动单元23以及单片机24的供电端连接，进行供电。
其中，温度传感器14为DS18B20数字温度传感器，每个DS18B20数字温度传感器通过74HC245后连接到单片机的IO口，参见图7，采用这种连接方式，并通过DS18B20并行读取方法，可以一次性读取8个DS18B20数字温度传感器的温度数据，增加系统反应速度。
上述人体红外热成像仿真教学系统的工作过程为：将人体红外热成像仿真教学系统开机启动后，首先要进行红外热成像人体模型基础体温加温，也叫系统预热。系统预热是根据预先在触摸屏单元上设置好的人体模型基础体温值，由单片机控制加热驱动单元驱动人体模型中电热膜加热矩阵中各独立加热单元使其分别按照设定的基础体温值进行加热升温，实现对人体模型的加温，然后通过设置在各处的温度传感器进行温度信息采集，经由温度采集单元反馈到单片机中，单片机通过将触摸屏单元输入的温度值与反馈回来的温度信息比较，对加热驱动单元进行PID控制，完成电热膜加热矩阵中各独立加热单元的温度加热修正，使人体模型的体表温度稳定在设置的温度值上，这个过程大约需要5分钟左右。之后用户可以通过触摸屏单元进行人机交互，触摸屏单元上有一和人体模型一样的3D图像，用户可以任意点击并设置3D图像中某一部位或区域体表温度高低，用来仿真人患病后，全身或局部部位的热平衡受到了破坏的情况，临床上表现为组织温度升高或降低。用户设置后的参数传输到单片机中，单片机依据接收的参数控制加热驱动单元进行工作，加热驱动单元驱动人体模型上对应部位或区域内的独立加热单元进行加热工作，进行温度高低调整，然后利用该选定部位或区域上的温度传感器进行温度信息采集，反馈到温度采集单元，温度采集单元将反馈的检测温度信息发送到单片机中，单片机再对加热驱动单元进行PID控制，进行温度修正，使人体模型选定的部位或区域的温度保持在设定的温度，3-5分钟后温度稳定，这时用红外热像仪观察红外热成像人体模型，可以看到患病后的热像图。这样红外热成像人体模型就可以还原出各种疾病下的红外热像图。通过该人体红外热成像仿真教学系统，学员可以学习到百余种以上疾病的红外热像图，同时掌握如何设置红外热像仪的参数与熟练的操作红外热像仪，并了解环境温度、衣物、身体触摸等外界因素对患者红外热像图的影响，让学员尽快掌握这门技能。
以下为使用上述人体红外热成像仿真教学系统进行实际操作的一个具体案例。
使用人体红外热成像仿真教学系统模拟因小肠肠炎导致肚脐周围痛这一病例，开启人体红外热成像仿真教学系统中控制器的电源单元后，首先进行人体模型基础体温加温，提高人体模型体表温度，大约5分钟左右，人体模型体表温度达到30℃。然后，操作者可以根据教学需要在触摸屏单元中调出或设置人体模型病变后的体表温度。例如：胸前区35.5℃，腹前区34℃，股前区33.5℃，为了模拟因小肠肠炎导致肚脐周围痛这一病例，则单独设置肚脐周围温度为36.5℃。单片机读取在触摸屏单元中个输入区输入的体表温度参数后，通过独立加热单元的坐标数据表和DS18B20数字温度传感器反馈回来的温度数据进PID计算，得到每个电热膜加热矩阵中的独立加热单元的PWM数据值。之后单片机控制加热驱动单元中的行驱动，进行分时选通电热膜加热矩阵的行线，以及控制加热驱动单元中的列驱动，选通相应加热矩阵中的独立加热单元，并通过PWM方式控制发热量。然后再通过DS18B20数字温度传感器，将温度反馈到温度采集单元。单片机读取温度采集单元采集的温度数据后再进行PID计算，并控制加热驱动单元，驱动电热膜加热矩阵使温度达到并稳定在设置值，这一过程大概需要3-5分钟左右，温度稳定后，可以采用红外热成像仪进行观察，便可以看到系统模拟出的因小肠肠炎导致肚脐周围痛这一病例的红外热像图。如图6是采用福禄克型号为TI 110红外热像仪采用高对比度模式拍摄的，红外热成像人体模型模拟小肠肠炎导致肚脐周围痛的红外热像图。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (10)
1.一种红外热成像人体模型，其特征在于，包括：人体模型基体(11)、电热膜(12)、仿真皮肤(13)以及多个温度传感器(14)；
所述电热膜(12)固定铺设于所述人体模型基体(11)的表面，且覆盖了除头部、手部以及脚部以外的其他所有部位，其中，所述电热膜(12)由多个电热膜单元拼接而成，且每个电热膜单元中均设置有由多个独立加热单元(121)构成的加热矩阵；
所述仿真皮肤(13)包裹于所述人体模型基体(11)以及所述电热膜(12)的外部；
多个所述温度传感器(14)分别间隔设置于所述电热膜(12)与所述仿真皮肤(13)之间。
2.根据权利要求1所述红外热成像人体模型，其特征在于，还包括：热缓冲层(15)；
所述热缓冲层(15)位于所述温度传感器(14)和所述仿真皮肤(13)之间，且所述热缓冲层(15)包裹于所述电热膜(12)以及所述温度传感器(14)的外部；
所述仿真皮肤(13)包裹于所述热缓冲层(15)的外部。
3.根据权利要求1所述红外热成像人体模型，其特征在于，所述电热膜单元中每3～5个独立加热单元(121)对应1个温度传感器(14)，且所述温度传感器(14)设置于所述3～5个独立加热单元(121)所在区域的中央位置。
4.根据权利要求1所述红外热成像人体模型，其特征在于，所述温度传感器(14)的个数和设置位置与所述独立加热单元121的个数和位置一一对应。
5.根据权利要求1所述红外热成像人体模型，其特征在于，所述人体模型基体(11)由玻璃钢树脂、PU树脂或ABS塑料制成。
6.根据权利要求1所述红外热成像人体模型，其特征在于，所述仿真皮肤(13)由医用硅胶、热塑性橡胶、聚氯乙烯、PU树脂或TPE制成。
7.根据权利要求1所述红外热成像人体模型，其特征在于，所述温度传感器(14)为热电偶、热敏电阻或数字温度传感器。
8.根据权利要求1所述红外热成像人体模型，其特征在于，所述电热膜(12)为PI电热膜。
9.一种人体红外热成像仿真教学系统，其特征在于，包括：红外热成像人体模型(1)以及控制器(2)；
所述红外热成像人体模型(1)为权利要求1～6中的任意一种；
所述控制器(2)包括：触摸屏单元(21)、温度采集单元(22)、加热驱动单元(23)、单片机(24)以及电源单元(25)；
所述触摸屏单元(21)上显示有与所述红外热成像人体模型对应的图像，且所述图像上设置有与所述红外热成像人体模型(1)中每个独立加热单元(121)位置一一对应的温度输入区，所述触摸屏(21)的输出端与所述单片机(24)的第一输入端连接，将由触摸屏单元(21)上每个输入区输入的温度信息发送到单片机(24)中；
所述温度采集单元(22)的输入端分别与红外热成像人体模型(1)中每个温度传感器的输出端连接，用于采集每个温度传感器(14)检测的温度信息，所述温度采集单元(22)的输出端与所述单片机(24)的第二输入端连接，将采集到的每个温度传感器检测的温度信息发送到单片机(24)中；
所述加热驱动单元(23)的输入端与所述单片机(24)的输出端连接，所述单片机(24)依据所述触摸屏(21)中每个输入区输入的温度信息以及所述温度采集单元(22)输出的每个温度传感器检测的温度信息控制所述加热驱动单元(23)工作，所述加热驱动单元(23)的输出端分别与所述红外热成像人体模型(1)中每个独立加热单元(121)连接，驱动所述红外热成像人体模型(1)中每个独立加热单元(121)分别进行加热与否；
所述电源单元(25)的输出端分别与所述触摸屏(21)、温度采集单元(22)、加热驱动单元(23)以及单片机(24)的供电端连接。
10.根据权利要求9所述人体红外热成像仿真教学系统，其特征在于，所述温度传感器(14)为DS18B20数字温度传感器，每个所述DS18B20数字温度传感器均通过74HC245后连接到单片机的IO口。
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