CN108742545A - 一种接触式实时眼表温度检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种接触式实时眼表温度检测装置，该装置的测温探头与温度变送器连接，温度变送器、电源与精密电阻串联，单片机AD转换器与精密电阻并联，单片机AD转换器与计算机连接，计算机将AD信号进行编程处理。解决了解决了现有技术的眼表温度检测装置损害眼部组织，测量精度低，不能连续测量，不能实时显示温度变化的问题。本发明将隐形眼镜形状的测温探头放置于眼球表面，通过信号转换后，在计算机上精确而实时地绘制眼部温度变化曲线，实现对眼表温度的准确测量。本发明具有良好的眼球贴合度，对眼部的刺激小，精度高，响应快，数字化以及智能化的优点，在不损伤眼球的同时，能实时而准确地反应眼表温度的变化，进行长时间的观察和记录。

Description

一种接触式实时眼表温度检测装置

技术领域

本发明涉及一种检测装置，具体涉及一种接触式实时眼表温度检测装置，属于生物医学工程领域。

背景技术

温度一直是诊断和治疗疾病的重要指标。作为身体的一部分，眼睛也具有自身的温度系统，并且与泪道炎症、干眼、颈动脉狭窄、青光眼、眼部带状疱疹后神经痛、视网膜静脉堵塞等眼部疾病都有密切关系，还有研究证实，眼表温度受到球后血流影响，眼动脉的舒张末期流速(EDV)越高，眼表温度越高；眼动脉的阻力指数(RI)越高，眼表温度越低。所以眼表温度的测量对眼部疾病的诊断和治疗有重要的意义。

目前，针对眼表温度的测量主要分为侵入式测量和非侵入式测量。侵入式测量出现较早，虽然取得了一定的成果，但由于传感技术和材料的限制，这种方式容易对眼球造成伤害，局限性较大。非侵入式测量主要根据热辐射原理制成的，可进行无创测量，但是测量环境对实验结果影响较大，不能进行长时间的实时检测，同时，操作者和个体之间的差异也会造成测量结果的误差，测量精度低限制了该方向的发展。

因此，现有技术尚没有一种精确而系统的测量眼表温度的方法。如何开发出一种高精度的非侵入温度测量装置，同时能够长时间的实时检测眼表温度变化，成为有待解决的重要技术问题。

发明内容

本发明解决了现有技术的眼表温度检测装置损害眼部组织，测量精度低，不能连续测量，不能实时显示温度变化的问题，提供一种接触式实时眼表温度检测装置，能够在保证对眼球没有伤害的同时，实时而准确地反应眼表温度的变化，进行实现长时间的观察和记录。

本发明所要解决的技术问题是通过以下技术方案实现的：

一种接触式实时眼表温度检测装置包括测温探头、温度变送器、电源、精密电阻、单片机AD转换器和计算机；所述测温探头与温度变送器连接，所述温度变送器、电源与精密电阻串联，所述单片机AD转换器与精密电阻并联，所述单片机AD转换器与计算机连接，所述计算机将AD信号进行编程处理。

优选地，所述测温探头采用聚二甲基硅氧烷为材料，形状为圆形薄膜其内部装有热敏电阻。

优选地，所述热敏电阻采用Pt100热电阻，所述热敏电阻感应眼球表面温度的变化，然后将温度变化转化成相应的电阻变化。

优选地，所述温度变送器的工作电压为DC24V，额定负载为250Ω，精度等级为0.2％FS，测量范围为0～100℃，输出电流为4mA～20mA。

优选地，所述电源为线性电源，输入电压是AC220V±10％，输出电压是DC24V。

优选地，所述编程处理包括以下模块：时钟配置模块、全双工通用同步/异步串行收发模块(USART)、模数转换器采样模块(ADC)、终断模块(NVIC)和定时器模块(TIM)。

本发明所述的一种接触式实时眼表温度检测装置的工作原理为：

所述接触式实时眼表温度检测装置的测温探头与眼球表面直接接触，测温探头中装有热敏电阻，通过热传递直接感应眼睛温度的变化，进而将温度变化转化成相应的电阻的变化。温度变送器由24V线性电源供电，并串联精密电阻，对热敏电阻的传来的信号进行放大和校正，通过读取精密电阻两端的电压变化，进而得知热敏电阻处温度的变化规律。精密电阻两端的电压是模拟电压，将该电压输入到单片机AD转换器中，进行AD信号处理，即可得到电压的数字信号，然后将该数字信号通过串口通信传到计算机，编写软件界面程序，读取该串口信号，并在界面上显示电压的变化与数值。通过水浴标定法对该装置进行标定试验后，即可确定电压与温度的关系，修改程序，再次测量时，可直接在计算机上读取温度变化的曲线和数值。

本发明所述的一种接触式实时眼表温度检测装置的有益效果为：

本发明将隐形眼镜形状的测温探头放置于眼球表面，通过电路处理和模数转换后，在计算机上精确而实时地绘制眼部温度变化曲线，实现对眼表瞬时温度的准确测量。本发明具有良好的眼球贴合度，对眼部的刺激性小，精度高，响应快，数字化以及智能化的优点，在保证对眼球没有伤害的同时，能实时而准确地反应眼表温度的变化，进行长时间的观察和记录。

附图说明

图1为本发明所述的接触式实时眼表温度检测装置的结构示意图；

图2为本发明所述的接触式实时眼表温度检测装置的工作原理图；

图3为本发明所述的接触式实时眼表温度检测装置在室温实验时的温度变化曲线；

图4为本发明所述的接触式实时眼表温度检测装置用于动物眼表温度测量曲线；

图5为本发明所述的接触式实时眼表温度检测装置用于动物眼表冷敷和热敷的温度变化曲线。

图中：1-测温探头；2-温度变送器；3-电源；4-精密电阻；5-单片机AD转换器；6-计算机。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明：

具体实施方式一：参见图1-图2说明本实施方式。本实施方式所述的一种接触式实时眼表温度检测装置包括测温探头1、温度变送器2、电源3、精密电阻4、单片机AD转换器5和计算机6；所述测温探头1与眼睛贴合，用于感应眼睛表面的温度，所述测温探头1与温度变送器2连接，所述温度变送器2、电源3与精密电阻4串联，所述单片机AD转换器5与精密电阻4并联，所述单片机AD转换器5与计算机6连接。

所述测温探头1与眼球表面直接接触，测温探头中装有热敏电阻，通过热传递直接感应眼睛温度的变化，进而将温度变化转化成相应的电阻的变化；所述温度变送器2由电源3供电，并串联精密电阻4，对热敏电阻的传来的信号进行放大和校正，通过读取精密电阻4两端的电压变化，进而得知热敏电阻处温度的变化规律；所述精密电阻4两端的电压是模拟电压，将该电压输入到单片机AD转换器5中；所述单片机AD转换器进行AD信号处理，即可得到电压的数字信号，然后将该数字信号通过串口通信传到计算机6；所述计算机6设置有软件界面程序，读取串口传输的信号，并在界面上显示电压的变化与数值。

所述测温探头1采用聚二甲基硅氧烷为材料，形状为圆形薄膜其内部装有热敏电阻。

所述测温探头1使用3D打印技术制作测温探头模具并进行表面处理，通过模压成形工艺制作测温探头1，测温探头1边缘处采用尖端处理，越靠近边缘越薄，外表类似普通隐形眼镜。所述测温探头表面柔软光滑，形似隐形眼镜，直接贴合于眼球表面，具有良好的眼球贴合度，并减少对眼部的刺激，在保证对眼球没有伤害的同时，能实时而有效地反应眼球表面温度的变化，并进行长时间的观察和记录。

所述热敏电阻采用Pt100热电阻，所述热敏电阻感应眼球表面温度的变化，然后将温度变化转化成相应的电阻变化。

所述温度变送器2的工作电压为DC24V，额定负载为250Ω，精度等级为0.2％FS，测量范围为0～100℃，输出电流为4mA～20mA。

所述温度变送器2不仅将测温探头1中装有的热敏电阻的变化转换成电压变化，并且其输出电压是会在0～5V之间波动，而所述单片机AD转换器5的输入电压恰在这个范围内，方便模数转换处理。所述温度变送器2选用三线制接法，其中有两个接头接一根导线，以便除去导线对测量结果的影响，提高测量精度。

所述电源3为线性电源，选用4NIC-X24的朝阳电源，输入电压是AC220V±10％，输出电压是DC24V。

所述电源3是线性电源，最显著的优点是当输入电压经常波动较大，输出电压仍能保持在24V不变。另外所述电源3的纹波系数非常小，当给温度变送器供电时，能保持温度变送器的高精度工作，不会使测量结果产生尖端信号。

所述编程处理包括以下模块：时钟配置模块、全双工通用同步/异步串行收发模块(USART)、模数转换器采样模块(ADC)、终断模块(NVIC)和定时器模块(TIM)。

所述计算机6使用KeilμVision4软件对AD程序进行编程，按照执行的先后顺序主要有下面五个模块：时钟配置模块、全双工通用同步/异步串行收发模块(USART)、模数转换器采样模块(ADC)、终断模块(NVIC)和定时器模块(TIM)。不断循环上述几个模块，即可完成AD转换和发送数据的功能。

所述一种接触式实时眼表温度检测装置的具体操作过程为：

(1)测温探头1的制作过程。首先使用3D打印技术制作测温探头模具并进行表面处理的过程为：3D打印产品→前处理(净化)→喷涂UV底漆→IR(红外线)/热风干燥→冷却→UV固化→真空镀膜(铝膜)→喷涂UV面漆→IR/热风干燥→冷却→UV固化。然后通过模压成形工艺制作测温探头1，测温探头1的边缘处采用尖端处理，越靠近边缘越薄，外表类似普通隐形眼镜。

(2)选用与测温探头1相匹配的温度变送器2和电源3，温度变送器2的工作电压为DC24V，额定负载为250Ω，精度等级为0.2％FS，测量范围为0～100℃，输出电流为4～20mA。所述电源3选用4NIC-X24的朝阳电源，输入电压是AC220V±10％，输出电压是DC24V。

(3)数据采集系统设计。经温度变送器2和精密电阻4处理后的信号是模拟的电压信号，通过单片机AD转换器5转换，将模拟量转换成数字量，使其能直观地被观测者读取，并便于进行记录和分析，也能减少人为读取误差。以25600Hz的采样频率采样，0.01s采样周期得到256个样本，将得到的连续样本相加，然后除以16，在程序中可右移4位，即可得到一个16位的有用数据。将该结果保存或处理，采集下一个需要过采样的样本。

(4)软件界面设计。计算机6内设置有一个实时记录显示功能的界面，显示界面的制作由MATLAB GUI的功能来实现。该界面主要分为四大部分：功能按键区、设置区、绘图区和数据记录区。界面可以调节测量的时间、时间间隔和记录的数据量，记录和观测测量数据的实时值、最大值、最小值、平均值和测量时间等数据，为了方便后续数据处理，该软件界面还可以保存绘制的图片，并能保存数据点。首先设置区域进行设置测量时间间隔和记录数据量，对其格式和范围都需按规定，时间间隔范围在0.01～100s，且必须是0.01的倍数，这样设计的目的是为了更好的记录时间和计算数据量。同时，数据量区间需在0～100000之间，格式必须是整数，否则会出现“记录数据格式错误”提示。点击开始按钮之后会对设置区域的信息进行校对，符合条件后运行。为了方便，本界面设计了串口自动搜索并读取功能，由于计算机的串口有限，串口数的范围在0～10之间，基本满足要求。当搜索到串口后，端口的按钮由红色变绿色，并显示读取的串口数，若未搜索到串口，会弹窗提示。如果时间、数据量的设置和串口读取正常，界面开始读取串口数据。加入卡尔曼滤波程序，完全除掉了尖端信号，曲线变化柔和而平稳。

(5)通过水浴标定对该装置进行标定试验后，即可确定电压与温度的关系，修改程序，再次测量时，可直接在计算机6上读取温度变化的曲线和数值。

具体实施方式二：参见图3说明本实施方式。本实施方式为室温实验，具体是按照以下步骤进行的：使用所述接触式实时眼表温度检测装置对温度为室温的一杯水进行温度测量。因为室温水与空气之间的热交换相对稳定，在外界环境变化不大的情况下，可以看成一个恒温系统。实验时，由于温度变化较快，选用0.01s采样频率，先测量室温水的温度，然后将测温探头1从水中取出，测温探头1的温度会因为水的蒸发而降低，一段时间后，再将测温探头1放在同一杯水中，重复该操作五次，读取温度稳定时的温度值，观察测量时整个过程温度变化的曲线。实验结果表明装置可准确显示即时温度，具有良好的可重复性。

具体实施方式三：参见图4说明本实施方式。本实施方式为动物眼表温度测量实验，具体是按照以下步骤进行的：首先组装所述接触式实时眼表温度检测装置，由于测量时温度变化比较快，所以测量数据取样的时间间隔设置在最低的0.01s。取健康成年新西兰大白兔一只，记录兔子的年龄并称量体重。用所述接触式实时眼表温度检测装置测量室内温度，至曲线稳定，记录数据，作为眼温对照，实验时保持室内温度在25℃上下，空气流动性小，湿度和光线没有强烈地变化。将兔子全身麻醉后，让其在试验台上侧卧，盐酸奥布卡因滴眼液眼球表面麻醉。将测温探头1用酒精轻轻擦拭，消毒处理，轻轻打开眼睛，将测温探头1放入兔子的结膜囊内，保证测量时测温探头1的位置能贴合眼球表面，中间没有空气。测量时，要保持探头的位置一定，兔子眼睛的开合程度一致，通过卡尔曼滤波之后温度最后一定会稳定在一个数值，该值即为实际测量温度数值，保存温度变化曲线和实验数据。重复测量四次。温度曲线显示，测温探头1与眼球接触后，温度急剧发生变化，温度变化率逐渐缩小，最后稳定在一个数值，整个过程符合热交换的变化规律。对其测量前后兔子眼睛并没有任何损伤，连续数日观察该兔子都能正常的饮食生活，说明所述接触式实时眼表温度检测装置对兔子没有任何危害。

具体实施方式四：参见图5说明本实施方式。本实施方式为动物眼表冷敷和热敷实验，具体是按照以下步骤进行的：以成年新西兰大白兔为研究对象，本实验热敷选用的加热装置是加热处理的盐袋，冷敷用的是装有冰水混合物的冰袋。实验过程为：首先佩戴所述接触式实时眼表温度检测装置，测量正常兔子眼睛温度，至温度稳定状态。将兔子眼睛闭合，为了防止热敷袋或冷敷袋将兔子眼睛烫伤或冻伤，中间放两层纱布，保护眼睛。将热敷袋放在兔子眼睛周围，尽量包裹整个眼球，加热兔子眼睛，观察温度曲线的变化，一段时间后，取下热敷袋，让兔子眼睛自行恢复到正常状态。然后将冰袋放在眼睛周围，也尽量包裹眼球，降低眼睛温度，观察温度变化曲线。温度曲线显示正常情况下的眼温是35.3℃，热敷的过程中，温度接触升高，温度变化率逐渐减小，最终稳定在42℃左右，持续5min后，温度虽有所下降，但下降幅度很小。去除热敷袋，温度缓慢下降，但最终稳定的温度在36.1℃，说明热敷前后眼睛温度是有所升高的。在此基础上，进行冷敷，眼睛温度下降比较缓慢，本实验测得的最低温度是33.6℃，去除冷敷袋后，温度迅速恢复正常。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，还可以是上述各个实施方式记载的特征的合理组合，凡在本发明精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种接触式实时眼表温度检测装置，其特征在于，包括测温探头(1)、温度变送器(2)、电源(3)、精密电阻(4)、单片机AD转换器(5)和计算机(6)；所述测温探头(1)与眼球表面贴合，用于感应眼睛表面的温度，所述测温探头(1)与温度变送器(2)连接，所述温度变送器(2)、电源(3)与精密电阻(4)串联，所述单片机AD转换器(5)与精密电阻(4)并联，所述单片机AD转换器(5)与计算机(6)连接，所述计算机(6)将AD信号进行编程处理。

2.根据权利要求1所述的接触式实时眼表温度检测装置，其特征在于，所述测温探头(1)采用聚二甲基硅氧烷为材料，形状为圆形薄膜其内部装有热敏电阻。

3.根据权利要求2所述的接触式实时眼表温度检测装置，其特征在于，所述热敏电阻采用Pt100热电阻，所述热敏电阻感应眼球表面温度的变化，然后将温度变化转化成相应的电阻变化。

4.根据权利要求1所述的接触式实时眼表温度检测装置，其特征在于，所述温度变送器(2)的工作电压为DC24V，额定负载为250Ω，精度等级为0.2％FS，测量范围为0～100℃，输出电流为4mA～20mA。

5.根据权利要求1所述的接触式实时眼表温度检测装置，其特征在于，所述电源(3)为线性电源，输入电压是AC220V±10％，输出电压是DC24V。

6.根据权利要求1所述的接触式实时眼表温度检测装置，其特征在于，所述编程处理包括以下模块：时钟配置模块、全双工通用同步/异步串行收发模块、模数转换器采样模块、终断模块和定时器模块。