CN110375883B - 基于主动热流控制的体温计及其测温方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于主动热流控制的体温计及其测温方法，该体温计包括导热装置、调温装置和热流控制装置；本发明通过主动热流控制建立一定深度处的人体内部组织到体温计温度控制面之间的可控梯度温度场，经过对导热通道的热流推导即可获得人体组织内部温度，从原理上消除了环境温度、皮肤状况、接触情况和生理波动等因素对测量结果的影响。采用非侵入式测量，直接接触人体皮肤即可测量体温，操作简便，一次测量既可获得皮肤表面温度，也可获得设定深处人体组织的温度。
Description
技术领域
本发明属于体温测量技术领域，特别涉及一种基于主动热流控制的体温计及测温方法。
背景技术
体温测量在医疗健康领域有着举足轻重的作用。从测量方法来看，体温测量分为侵入、半侵入和非侵入三种。临床上常采用侵入式的体温测量方法，通过导管或插针等专用工具，使测温装置直达人体内部器官或组织深处进行测量，典型产品有Swan-Ganz导管和针式温度计/热电偶等。这种方法测量准确，号称体温测量金标准，但操作复杂，设备昂贵，风险大，体验差。在门诊、健康体检和一般性测量场合，半侵入和非侵入的体温测量方法应用广泛，典型产品有红外体温计、各种电子温度计和水银温度计等。半侵入方法通常利用耳腔、口腔和直肠等人体孔窍进行体温测量，在测量准确度上略低于侵入式测量，在操作上需要一定的专业知识，用户体验度一般。非侵入方法是日常使用最方便的方法，主要用于接触式和非接触式体表测量，操作比较简单，用户体验比较友好，但测量结果易受环境参数和被测对象体征的影响，所测得的体表温度和人体组织内部温度之间存在误差。
从测量原理上来看，以上三种测量方法所使用的测量设备大都基于局部热平衡原理，即通过热敏器件与所接触人体组织、器官或腔体环境之间达到热平衡来检测人体温度，因此仪器越深入人体，检测准确度就越高，用户体验度就越差，反之亦然。这是一种被动检测方法，并没有充分利用人体温度场的整体性和扩展性，对于非侵入式体温测量来说难以实现对人体组织内部温度的准确测量。其中，红外体温仪利用人体的热辐射原理进行体温测量，但其测量结果受环境因素的影响尤其大，也不具备分辨不同深度人体组织内部温度的能力。当前，非侵入的人体组织内部温度测量通常采用超声、微波、磁共振等技术，利用不同深度人体组织的温度对同层波介质的影响来实现体温测量。这些技术专业性强，开发和使用难度大，设备精密昂贵，很少推广应用。
发明内容
针对上述缺陷，本发明提供了一种基于主动热流控制的体温计及其测温方法，本发明利用可控扩展温度场效应，通过接触皮肤表面来实现对体表下不同深度组织温度的测量，受外部因素影响小，为人体温度的非侵入式测量方法，且测量准确度高；具有成本低廉、准确度高、易于推广的特点。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以解决。
(一)基于主动热流控制的体温计，包括：导热装置、调温装置和热流控制装置；所述调温装置紧贴导热装置的上端面；
所述导热装置由内外设置的导热杆和隔热套组成，所述隔热套内嵌设有导热杆，所述隔热套内相对于隔热套的中心轴对称设置有两个导热杆，每个导热杆的上下端面分别设置有温度传感器；
所述调温装置包含由下而上依次紧贴设置的导热片、温度调节器、散热片和散热风扇组成，其中，所述导热片紧贴所述导热杆的上端面；
所述热流控制器包含温控模块、信号调理模块、界面模块和处理器模块，其中，每个温度传感器测得的温度转换成电阻信号传输至信号调理模块，信号调理模块对接收的每个温度传感器的电阻信号进行阻抗匹配、滤波和幅度调整，输出电压信号，并将电压信号传输至处理器模块；用户在界面模块输入待测部位的深度，界面模块将输入的待测部位的深度传输至处理器模块；处理器模块对各温度传感器的电压信号和待测部位的深度进行分析计算，得到主动热流控制温度并生成温控信号，然后将温控信号传输至信号调理模块进行阻抗匹配和信号调理，生成驱动温控模块的控制信号，控制信号由温控模块转换成温度调节器的驱动电流信号和散热风扇驱动速度信号，对应传输至温度调节器和散热风扇的控制端；当主动热流控制温度稳定后，处理器模块计算待测部位的温度并输出至界面模块显示。
优选的，所述温度传感器分别嵌入安装在导热杆的上下端面，且温度传感器的感温平面与导热杆的端面平齐。
优选的，所述温度传感器的覆盖面积占导热杆端面面积的一半。
优选的，所述导热片、温度调节器和散热片之间通过导热硅脂粘接。
优选的，所述隔热套的内设安装孔，所述导热杆装配于安装孔内。
优选的，所述温度调节器为TEC制冷片，且其上下表面可控温差大于30℃。
优选的，还包括手柄，所述热流控制器设置于手柄内。
优选的，所述导热装置和调温装置固定于外罩内。
本发明的热流控制器还包含电源模块，用于提供多路直流电源，为所述温控模块、信号调理模块、界面模块、处理器模块、温度调节器和散热风扇供电。
(二)基于主动热流控制的测温方法，包括以下步骤：
步骤1，获取环境温度，并设定待测组织深度；
步骤2，获取皮肤表面温度，并根据环境温度、皮肤表面温度和待测组织深度，计算产生主动热流所需温度，即导热片上所需温度；采用PI调节法使导热片温度达到该温度值；
步骤3，待导热片温度稳定后，获取四个温度传感器的温度值，并计算出待测组织深度处的温度。
进一步地，所述获取环境温度为：将温度计置于环境中，待温度计与环境达到温度平衡状态后，读取四个温度传感器的温度值，并将四个温度值的平均值作为环境温度；
其中，所述温度平衡状态为每个温度传感器的温度值在设定时间内不发生变化，即为达到平衡状态。
进一步地，所述获取皮肤表面温度为：将体温计的导热杆下端面紧贴待测皮肤表面，待导热杆下端面与皮肤表面达到温度平衡状态后，读取两个导热杆下端面的温度传感器的温度值，并将其平均值作为皮肤表面温度。
进一步地，所述根据环境温度、皮肤表面温度和待测组织深度，计算导热片上所需温度，其具体计算公式为：
Tc＝(Ts-20)-h×D-k×(Ts-Te)
其中，Tc为导热片上的所需的温度，且0＜Tc＜30，单位为℃；Ts为皮肤表面温度，单位为℃；D为待测组织深度，且0≤D≤20，单位为mm；Te为环境温度，单位为℃；h为人体组织内的温降速率，且0＜h≤0.5，单位为℃/mm，可通过与侵入法进行对比试验，由试验结果拟合获得；k为温度计的温降修正系数，其与温度计材质、结构和导热杆的热阻有关。
进一步地，所述采用PI调节法使导热片温度达到该温度值，其具体为：
首先，两个导热杆上端面的温度传感器实时监控导热片上的温度Tt，并将温度信息转化为温度传感器的电阻信息，输出至信号调理模块转换成电压信号V后，输出至处理器模块，处理器模块根据输入的温度电压值计算导热片上的实时温度Tt，并计算其与产生主动热流控制温度之间的温差ΔT＝Tc-Tt；
其次，处理器模块接收到该温差信号ΔT后进行PI调节，输出驱动散热风扇的PWM调速信号和驱动温度调节器的电压控制信号；
最后，所述驱动散热风扇的PWM调速信号和驱动温度调节器的电压控制信号分别依次经过信号调理模块、温控模块进行信号处理和转换后，输出功率PWM信号到散热风扇、功率电流信号I到温度调节器。
按照以上步骤循环调节，直至Tt＝Tc。
进一步地，所述计算出待测组织深度处的温度，其计算公式为：
其中，Tt为待测组织深度处的温度；T4、T5、T6、T7分别为导热片温度达到产生主动热流控制温度后，对应温度传感器在温度平衡状态时的检测温度；R1、R2分别为两个导热杆的热阻，其中，R1对应的导热杆的下端面温度为T4，上端面温度为T6，R2对应的导热杆的下端面温度为T5，上端面温度为T7。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明采用非侵入式测量人体表皮以下温度，操作简便、安全，用户体验效果好；同时，一次测量既可获得皮肤表面温度，也可获得人体表皮以下一定深度处人体组织的温度，能够更真实地反映人体健康状况。
(2)本发明采用主动热流控制，大大降低了环境温度、皮肤状况、接触情况和生理波动等因素对测量结果的影响，测量准确度高，同时，为非侵入式测量人体内部温度提供新思路。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
图1是本发明实施例的结构示意图。
图2是本发明实施例的热流控制器的信号连接图。
图3是本发明实施例的温度控制系统功能框图。
图4是本发明实施例中的测温原理示意图。
以上图中，1导热杆；2隔热套；3温度传感器；4导热片；5温度调节器；6散热片；7散热风扇；8热流控制器；81温控模块；82信号调理模块；83界面模块；84处理器模块；85电源模块；9手柄。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域的技术人员将会理解，以下实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。
参考图1和图2，根据本发明的一种实施例，基于主动热流控制的体温计，包括：导热装置、调温装置和热流控制装置；调温装置紧贴导热装置的上端面；导热装置由内外设置的导热杆1和隔热套2组成，隔热套2内嵌设有导热杆1，隔热套2内相对于隔热套2的中心轴对称设置有两个导热杆1，每个导热杆1的上下端面分别设置有温度传感器3；调温装置包含由下而上依次紧贴设置的导热片4、温度调节器5、散热片6和散热风扇7组成，其中，导热片4紧贴导热杆1的上端面。
热流控制器8包含温控模块81、信号调理模块82、界面模块83和处理器模块84，其中，每个温度传感器3测得的温度转换成电阻信号传输至信号调理模块82，信号调理模块82对接收的每个温度传感器3的电阻信号进行阻抗匹配、滤波和幅度调整，输出电压信号，并将电压信号传输至处理器模块84；用户在界面模块83输入待测部位的深度，界面模块83将输入的待测部位的深度传输至处理器模块84；处理器模块84对各温度传感器3的电压信号和待测部位的深度进行分析计算，得到主动热流控制温度并生成温控信号，然后将温控信号传输至信号调理模块82进行阻抗匹配和信号调理，生成驱动温控模块81的控制信号，此控制信号由温控模块81转换成温度调节器5的驱动电流信号和散热风扇7驱动速度信号，对应传输至温度调节器5和散热风扇7的控制端；当主动热流控制温度稳定后，处理器模块84计算待测部位的温度并输出至界面模块83显示。
以上实施例中，两个导热杆1为材质均匀的导热圆柱体，由塑料基底加导热金属粉末融混成型，在各自的上下端面加工有温度传感器3的安装座。两个导热杆1外形尺寸完全相同，但上下端面之间的热阻差在四倍以上，用于形成两个具有不同温度分布梯度的导热通道，隔热套2为材质均匀的圆柱形隔热塑料，其材料热阻系数远大于导热杆1的材料热阻系数，杆间热阻足以保证两者之间的温度干涉不影响测量结果，导热杆1对称设置，有利于以减小测量误差。
每个导热杆1的上下端面分别设置有温度传感器3，其中，导热杆1下端面的温度传感器3用于获取皮肤表面温度，导热杆1上端面的温度传感器3用于获取导热片4的温度；各温度传感器3为型号一致的薄片式铂电阻，测量精度优于±0.05℃。导热杆1热量传至导热片4、导热片4上端通过温度调节器5、散热片6和散热风扇7使导热片4上端的温度降低，从而与导热杆1下端形成温差，即形成自下而上的主动热流，温度差建立的梯度温度场将深入皮肤层、脂肪层和肌肉层组成的人体组织，其在组织内的场边缘将随着导热部分上下温度差的增大而加深，比如从图1中的曲线a下降到曲线b。散热片6安装在温度调节器5的上端面，通过散热风扇7散热。
导热片4为铜材薄片，导热系数远大于导热杆1，散热片6为带散热齿的铝型材，安装在温度调节器5的上端面，散热风扇7为带PWM调速的直流风扇。
每个温度传感器3测得的温度转换成电阻信号传输至信号调理模块82，信号调理模块82对接收的每个温度传感器3的电阻信号进行阻抗匹配、滤波和幅度调整，输出电压信号，并将电压信号传输至处理器模块84；用户在界面模块83输入待测部位的深度，界面模块83将输入的待测部位的深度传输至处理器模块84；处理器模块84对各温度传感器3的电压信号和待测部位的深度进行分析计算，得到主动热流控制温度并生成温控信号，然后将温控信号传输至信号调理模块82进行阻抗匹配和信号调理，生成驱动温控模块81的控制信号，此控制信号由温控模块81转换成温度调节器5的驱动电流信号和散热风扇7驱动速度信号，对应传输至温度调节器5和散热风扇7的控制端；当主动热流控制温度稳定后，处理器模块84计算待测部位的温度并输出至界面模块83显示。其中处理器模块84为STM32F103系列芯片。
参考图1，根据本发明的一个实施例，温度传感器3分别嵌入安装在导热杆1的上下端面，且温度传感器3的感温平面与导热杆1的端面平齐。
以上实施例中，温度传感器3分别嵌入安装在导热杆1的上下端面，且温度传感器3的感温平面与导热杆1的端面平齐，保证温度传感器3的稳定性及测温准确性。
参考图1，根据本发明的一个实施例，温度传感器3的覆盖面积占导热杆1端面面积的一半。
以上实施例中，温度传感器3的覆盖面积占导热杆1端面面积的一半，保证检测准确性和结构稳定性。
参考图1，根据本发明的一个实施例，导热片4、温度调节器5和散热片6之间通过导热硅脂粘接。
以上实施例中，导热片4、温度调节器5和散热片6之间通过导热硅脂粘接，以便于热传递。
参考图1，根据本发明的一个实施例，隔热套2的上下端面设置有安装座和安装孔，导热杆1装配于安装孔内，并固定于安装座上。
以上实施例中，隔热套2内设安装孔，导热杆1装配于安装孔内，通过过盈配合进行固定。
参考图1，根据本发明的一个实施例，温度调节器5为TEC制冷片，且其上下表面可控温差大于30℃。
以上实施例中，能够提供30℃以上的温降作为动力，同时适用于人体测温。
参考图1，根据本发明的一个实施例，还包括手柄9，热流控制器8设置于手柄9内。
参考图1，根据本发明的一个实施例，导热装置和调温装置固定于外罩内。
以上实施例中，手柄9和外罩，便于检测人员操作。
本发明的热流控制器8还包含电源模块85，用于提供多路直流电源，为温控模块81、信号调理模块82、界面模块83、处理器模块84、温度调节器5和散热风扇7供电。
上述体温计的使用方法为：开机，在温度计与环境温度达到平衡状态后，仪器自动读取环境温度值并显示；然后使用者根据受测对象体征和检查目的，输入待测组织深度并自动显示；
此时将体温计的下端面紧贴人体组织的皮肤表面并按下检测按钮，待与皮肤表面接触的温度传感器读数稳定后，仪器自动计算皮肤表面温度并显示，同时自动计算并控制导热片上的主动热流控制温度；待导热片的温度稳定在设定值且温度传感器的读数稳定后，仪器根据温度传感器的读数自动计算待测组织深度处温度并显示。
本发明在测试前，先将待测部位的表面皮肤擦洗干净，以减小测量误差。
参考图1-图4，本发明一个实施例提供了一种基于主动热流控制的测温方法，包括以下步骤：
步骤1，获取环境温度，并设定待测组织深度；
步骤2，获取皮肤表面温度，并根据环境温度、皮肤表面温度和待测组织深度，计算产生主动热流所需温度，即导热片上所需温度；采用PI调节法使导热片温度达到此温度值；
步骤3，待导热片温度稳定后，获取四个温度传感器的温度值，并计算出待测组织深度处的温度。
本发明的一个实施例，所述获取环境温度为：将温度计置于环境中，待温度计与环境达到温度平衡状态后，读取四个温度传感器的温度值，并将四个温度值的平均值作为环境温度；其中，所述温度平衡状态为每个温度传感器的温度值在设定时间内不发生变化，即为达到平衡状态。
本发明的一个实施例，所述获取皮肤表面温度为：将体温计的导热杆下端面紧贴待测皮肤表面，待导热杆下端面与皮肤表面达到温度平衡状态后，读取两个导热杆下端面的温度传感器的温度值，并将其平均值作为皮肤表面温度。
本发明的一个实施例，所述根据环境温度、皮肤表面温度和待测组织深度，计算导热片上所需温度，其具体计算公式为：
Tc＝(Ts-20)-h×D-k×(Ts-Te)
其中，Tc为导热片上所需的温度，且0＜Tc＜30，单位为℃；Ts为皮肤表面温度，单位为℃；D为待测组织深度，且0≤D≤20，单位为mm；Te为环境温度，单位为℃；h为人体组织内的温降速率，且0＜h≤0.5，单位为℃/mm，可通过与侵入法进行对比试验，由试验结果拟合获得；k为温度计的温降修正系数，其与温度计材质、结构和导热杆的热阻有关。
以上公式中，(Ts-20)项建立了皮肤表面和导热片之间20℃的温度差，以此产生热流温度场；h×D项为由待测组织深度决定的温差修正项，深度越深，所需温差越大；k×(Ts-Te)项为由皮肤表面温度和环境温度差决定的温差修正项，两者之间温差越大，热流损失越大，需要更大的温度差进行热流补偿。
本发明的一个实施例，所述采用PI调节法使导热片温度达到此温度值，其具体为：
参考图3，首先，两个导热杆上端面的温度传感器实时监控导热片上的温度Tt，并将温度信息转化为温度传感器的电阻信息，输出至信号调理模块转换成电压信号V后，输出至处理器模块，处理器模块根据输入的温度电压值计算导热片上的实时温度Tt，并计算其与产生主动热流控制温度之间的温差ΔT＝Tc-Tt；
其次，处理器模块接收到该温差信号ΔT后进行PI调节，输出驱动散热风扇的PWM调速信号和驱动温度调节器的电压控制信号；
最后，所述驱动散热风扇的PWM调速信号和驱动温度调节器的电压控制信号分别依次经过信号调理模块、温控模块进行信号处理和转换后，输出功率PWM信号到散热风扇、功率电流信号I到温度调节器。
按照以上步骤循环调节，直至Tt＝Tc。
本发明的一个实施例，所述计算出待测组织深度处的温度，其计算公式为：
其中，Tt为待测组织深度处的温度；T4、T5、T6、T7分别为导热片温度达到产生主动热流控制温度后，对应温度传感器在温度平衡状态时的检测温度；R1、R2分别为两个导热杆的热阻，其中，R1对应的导热杆的下端面温度为T4，上端面温度为T6，R2对应的导热杆的下端面温度为T5，上端面温度为T7。
以上公式的具体推导过程为：
如图4所示，设定待测组织深度处的温度为Tt，从该处到两个导热杆下端的温度传感器的热阻分别为Rt1和Rt2，其中，Rt1和Rt2为两个导热通道中的人体组织、皮肤污渍、接触界面和温度传感器的总热阻。由于两个导热通道具有对称结构和相同的皮肤接触面积，因此认为Rt1＝Rt2，R1、R2分别为两个导热杆的热阻。则Rt1和R1组成第一个导热通道，Rt2和R2组成第二个导热通道，两个通道的热流公式分别为：
其中，T4、T5、T6、T7分别为导热片温度达到产生主动热流控制温度后，对应温度传感器在温度平衡状态时的检测温度；R2、R2分别为两个导热杆的热阻，其中，R1对应的导热杆的下端面温度为T4，上端面温度为T6，R2对应的导热杆的下端面温度为T5，上端面温度为T7。
用公式(1)比公式(2)，可得到公式(3)：
求解公式(3)，得到待测组织深度处的温度Tt：
以上过程由于使用了主动导热技术而消除了环境温度的影响，因此可以准确地反映人体组织内部的温度。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些改动和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (4)
1.基于主动热流控制的体温计，其特征在于，包括：导热装置、调温装置和热流控制装置；所述调温装置紧贴导热装置的上端面；
所述导热装置由内外设置的导热杆和隔热套组成，所述隔热套内嵌设有导热杆，所述隔热套内相对于隔热套的中心轴对称设置有两个导热杆，每个导热杆的上下端面分别设置有温度传感器；
所述调温装置包含由下而上依次紧贴设置的导热片、温度调节器、散热片和散热风扇组成，其中，所述导热片紧贴所述导热杆的上端面；
所述热流控制装置包含温控模块、信号调理模块、界面模块和处理器模块；
将温度计置于环境中，待温度计与环境达到温度平衡状态后，读取四个温度传感器的温度值，并将四个温度值的平均值作为环境温度；
将体温计的导热杆下端面紧贴待测皮肤表面，待导热杆下端面与皮肤表面达到温度平衡状态后，读取两个导热杆下端面的温度传感器的温度值，并将其平均值作为皮肤表面温度，并根据环境温度、皮肤表面温度和待测组织深度，计算产生主动热流所需温度，即导热片上所需温度；其中，导热杆下端面的温度传感器用于获取皮肤表面温度，导热杆上端面的温度传感器用于获取导热片的温度；导热杆热量传至导热片、导热片上端通过温度调节器、散热片和散热风扇使导热片上端的温度降低，从而与导热杆下端形成温差，即形成自下而上的主动热流；散热片安装在温度调节器的上端面，通过散热风扇散热；
待导热片温度稳定后，获取四个温度传感器的温度值，每个温度传感器测得的温度转换成电阻信号传输至信号调理模块，信号调理模块对接收的每个温度传感器的电阻信号进行阻抗匹配、滤波和幅度调整，输出电压信号，并将电压信号传输至处理器模块；用户在界面模块输入待测部位的深度，界面模块将输入的待测部位的深度传输至处理器模块；处理器模块对各温度传感器的电压信号和待测部位的深度进行分析计算，得到主动热流控制温度并生成温控信号，然后将温控信号传输至信号调理模块进行阻抗匹配和信号调理，生成驱动温控模块的控制信号，此控制信号由温控模块转换成温度调节器的驱动电流信号和散热风扇驱动速度信号，对应传输至温度调节器和散热风扇的控制端；当主动热流控制温度稳定后，处理器模块计算待测部位的温度并输出至界面模块显示。
2.根据权利要求1所述的基于主动热流控制的体温计，其特征在于，所述温度传感器分别嵌入安装在导热杆的上下端面，且温度传感器的感温平面与导热杆的端面平齐。
3.根据权利要求1所述的基于主动热流控制的体温计，其特征在于，所述导热片、温度调节器和散热片之间通过导热硅脂粘接。
4.根据权利要求1所述的基于主动热流控制的体温计，其特征在于，所述温度调节器为TEC制冷片，且其上下表面可控温差大于30℃。
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