CN112050950A - 一种可穿戴式设备及用于该设备的人体体温测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可穿戴式设备及用于该设备的人体体温测量方法，其中用于可穿戴式设备的人体体温测量方法，包括以下步骤：S1.通过可穿戴式设备测量设备内部温度以及用户皮肤温度；S2.通过所述设备内部温度以及用户皮肤温度计算当前环境温度，通过所述当前环境温度以及用户皮肤温度计算当前人体体温。本发明可以对用户在不同室温环境下的体温进行准确监测。本发明利用温度传感器采集的手环内部温度以及用户皮肤温度(可以是手腕处的皮肤温度)，计算用户的体温，使用方便，测量精准，不受环境温度影响，拥有较高的可靠性以及较好的推广前景。

Description

一种可穿戴式设备及用于该设备的人体体温测量方法

技术领域

本发明属于可穿戴传感器领域，具体涉及一种可穿戴式设备及用于该设备的人体体温测量方法。

背景技术

体温作为人的重要生理参数，对分析人体的身体状况、监测疾病具有较大的应用价值。带有温度传感器的可穿戴式手环设备以其小巧、廉价，不受时间、空间限制、易于推广等优点作为新兴技术被广泛应用于日常体温监测，其原理为根据人体手腕皮肤温度推算人体体温。但由于人体手腕皮肤温度容易受到外界气温的影响，现有设备往往存在体温测量精度差、检测发热精度差等缺点。也有研究者通过环境温度对手环推算的人体体温进行补偿，如余春艳等研究者在《可穿戴腕部体温监测装置设计》一文中介绍了一种通过环境温度补偿手环推算体温的方法。然而，现有方法依然存在不足，首先手环内置的环境温度传感器容易受到人体这一热源以及电路升温的影响，造成测量的环境温度偏高，影响体温补偿；其次，在快速切换环境温度条件时，手环所测环境温度需要一段时间才能稳定，这也影响了这段时间内的体温补偿；并且，现有具有测温功能的手环大多使用热敏电阻传感器，具有响应慢且必须与皮肤接触的缺点，如果接触不良会导致测量误差。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中体温测量精度差、容易受环境温度影响、环境温度测量不准影响体温补偿等缺点，并提供一种可穿戴式设备及用于该设备的人体体温测量方法。

本发明为解决技术问题，所采用的具体技术方案如下：

一种用于可穿戴式设备的人体体温测量方法，包括以下步骤：

S1.通过可穿戴式设备测量设备内部温度以及用户皮肤温度；

S2.通过所述设备内部温度以及用户皮肤温度计算当前环境温度，通过所述当前环境温度以及用户皮肤温度计算当前人体体温。

通过采用上述技术方案，将设备内部温度，以及用户皮肤温度作为计算环境温度的参数，将可能影响环境温度的因素(包括皮肤热源对可穿戴式设备内部温度的影响、电流做功造成的热量对设备内部温度的影响)进行了考虑，提升了环境温度的测量精度；并基于计算的环境温度及用户皮肤温度计算人体体温，环境温度起到了补偿的作用，很大程度地提升了测量体温的精度。

作为本发明的进一步改进，步骤S2中，所述当前环境温度的计算包括以下步骤：

S21.计算设备内部温度的变化率

式中，T_I(i)为当前设备内部温度，T_I(i-1)为上一个时刻采集的设备内部温度，dt为两个时刻的时间差；

S22.计算当前环境温度T_E：

式中，T_S为用户皮肤温度，q₁、q₂为两个温度传导系数，ΔT_I为设备在工作时由电流引起的设备内部温度上升值。

作为本发明的进一步改进，步骤S22中，对T_E进行实时低通滤波，滤波后的值作为T_E的最终值。

作为本发明的进一步改进，所述当前人体体温的计算包括以下步骤：

计算当前人体体温T_B：

T_B＝T_S+q₃·T_E+q₄

式中，q₃、q₄为两个温度补偿系数，为常数。

作为本发明的进一步改进，q₁、q₂、ΔT_I与可穿戴式设备的大小、形状、材质、电路组成相关，对同种设备为常数，在设备正式使用前通过实验确定，具体方法为：将手环设备开机后放置在一个恒温环境内，手环底部接触一恒温表面模拟皮肤；改变所述恒温环境温度以及恒温表面温度，并记录所述恒温环境温度值T_E、恒温表面温度值T_S、以及传感器所测设备内部温度值T_I的变化；收集足够数据后，将所记录值用于拟合热传导公式：

，计算出q₁、q₂、ΔT_I的值；

q₃、q₄在设备正式使用前需通过实验确定，具体方法为：招募一批健康人作为实验对象，使用水银温度计记录每位实验对象的体温数值；每位实验对象穿戴所述可穿戴式设备，记录所测皮肤温度T_S以及所计算环境温度T_E；改变室温环境，每位实验对象测量多组数据；将各组人体体温T_B、皮肤温度T_S以及所计算环境温度T_E数据用于拟合公式：T_B＝T_S+q₃·T_E+q₄，计算出温度补偿系数q₃、q₄的值。

作为本发明的进一步改进，所述用户皮肤温度为用户穿戴所述可穿戴式设备处的皮肤温度。

可穿戴式设备，采用上述任一项方案所述的用于可穿戴式设备的人体体温测量方法，包括壳体、用于测量设备内部温度以及用户皮肤温度的热电堆红外传感器，以及用于计算体温的单片机系统，所述热电堆红外传感器及单片机系统设置于壳体内。

作为本发明的进一步改进，壳体包括相盖合的顶部外壳和底部外壳；底部外壳设有凹槽，凹槽内装有所述热电堆红外传感器。凹槽为孔状，可穿戴式设备与皮肤接触时，凹槽对着皮肤，便于热电堆红外传感器的测量。

作为本发明的进一步改进，热电堆红外传感器的镜头表面距离底部外壳表面至少2毫米。距离过小时传感器可能会接触到皮肤表面，会引起较大的误差，不利于温度的测量。

作为本发明的进一步改进，可穿戴式设备为可穿戴式手环或脚环或颈环或指环。

上述各优选方式中的技术特征在不相互冲突的前提下，均可进行相互组合，不构成限制。

本发明相对于现有技术而言，其有益效果至少有：

(1)使用本发明计算的环境温度，实时性更好，精确度更高，更利于对体温计算结果进行补偿；

(2)使用本发明进行人体体温测量，拥有较好的精度，可以更好的适应不同的环境温度；

(3)使用非接触式温度传感器，响应快且不会受到手环表面与手腕皮肤接触不良带来的误差；

(4)通过可穿戴式手环设备进行体温监测，利于在日常环境下长时间监测，具有较好的应用价值以及广泛的应用范围。

附图说明

图1本发明中手环设备穿戴示意图；

图2本发明中穿戴式手环设备外观图；

图3本发明中穿戴式手环设备底部俯视图；

图4本发明中穿戴式手环设备结构剖面图；

图5本发明中体温测量实例结果图；

上述图1中，1为可穿戴式手环设备；

上述图2、3、4中，2为顶部外壳，3为底部外壳，4为凹槽，5为热电堆红外传感器，6为单片机系统电路及电池；

上述图5中，A为用户体温，B为手腕皮肤温度，C为设备内部温度，D为环境温度。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明，以便于更好地理解。本发明中的技术特征在不相互冲突的前提下，均可进行相互组合，不构成限制。

本发明中所涉及的部分名词含义如下：

体温是指人体内部的温度，临床上的含义是平均深部温度，一般以口腔、直肠和腋窝的体温为代表。

环境温度是指皮肤周围环境的温度。

热敏电阻是一类接触式的温度传感器，原理是其阻值对温度敏感，不同的温度下表现出不同的电阻值。

热电堆红外传感器为基于塞贝克效应的传感器，是一种非接触式的测温传感器，结构包括热结区、冷结区、镜头、滤光片。热结区是指通过镜头吸收的红外辐射转换成热能而升温的功能区。冷结区是反映传感器温度的功能区，并设有热敏电阻，可输出冷结区温度。塞贝克效应又称作第一热电效应，是指由于两种不同电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间的电压差的热电现象。热电堆红外传感器的原理为：当外界红外辐射照射到探测器的吸收区，吸收区吸收红外辐射并将其转换成热能，在热结区和冷结区就会产生一个温度差，通过热电偶材料的塞贝克效应就可以将温度差转换成电压信号输出，通过换算即可获得传感器所照射表面的温度。由此，将热电堆红外传感器嵌入穿戴式手环设备，可以输出设备内部温度与手腕皮肤表面温度两个温度值。

热电堆红外传感器内部集成有一个热敏电阻，用于测冷结区的温度。可穿戴式设备的内部温度是指冷结区的温度，皮肤表面温度是指冷结构区温度+热结区与冷结区的温度差。

本发明使用包括温度传感器的可穿戴式手环设备对用户的体温进行测量。以某一用户为例，本发明具体实施过程如下：

(1)准备工作：

本实施例中，体温是指人体内部的温度，临床上的含义是平均深部温度，一般以口腔、直肠和腋窝的体温为代表。环境温度是指皮肤周围环境的温度。热敏电阻是一类接触式的温度传感器，原理是其阻值对温度敏感，不同的温度下表现出不同的电阻值。热电堆红外传感器为基于塞贝克效应的传感器，是一种非接触式的测温传感器，结构包括热结区、冷结区、镜头、滤光片。热结区是指通过镜头吸收的红外辐射转换成热能而升温的功能区。冷结区是反映传感器温度的功能区，并设有热敏电阻，可输出冷结区温度。塞贝克效应又称作第一热电效应，是指由于两种不同电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间的电压差的热电现象。热电堆红外传感器的原理为：当外界红外辐射照射到探测器的吸收区，吸收区吸收红外辐射并将其转换成热能，在热结区和冷结区就会产生一个温度差，通过热电偶材料的塞贝克效应就可以将温度差转换成电压信号输出，通过换算即可获得传感器所照射表面的温度。由此，将热电堆红外传感器嵌入穿戴式手环设备，可以输出设备内部温度与手腕皮肤表面温度两个温度值。

本实施例中，可穿戴式设备为可穿戴式手环设备1，包括用于测量设备内部温度以及用户手腕皮肤温度的热电堆红外传感器5、用于计算体温的单片机系统电路、电池。可穿戴式设备的设备结构还包括顶部外壳2，底部外壳3；底部外壳设有凹槽4，用于嵌入所述热电堆红外传感器；热电堆红外传感器的镜头表面距离底部外壳表面至少2毫米，如图4所示。

本实施例中，热电堆红外传感器采样频率为1Hz。虽然热电堆红外传感器采样频率为1Hz，但数据处理频率为1分钟1次，计算过程中所用到的设备内部温度以及用户手腕皮肤温度均为该分钟内的采样平均值。使用带弹性的腕带将手环穿戴在用户的右侧手腕，底部外壳贴近手腕皮肤，如图1所示，并开机。

(2)计算当前环境温度：

计算设备内部温度的变化率

式中，T_I(i)为当前设备内部温度，T_I(i-1)为上一个时刻采集的设备内部温度，dt为两个时刻的时间差，本实施例中，dt的值设置为1分钟。

将环境、人体皮肤视为两个热源，同时考虑设备在工作时由电流引起的设备内部温度上升，基于热传导公式可得：

式中，T_E为当前环境温度，T_S为用户手腕皮肤温度，q₁、q₂为两个温度传导系数，ΔT_I为设备在工作时由电流引起的设备内部温度上升值。q₁、q₂、ΔT_I与可穿戴式手环设备的大小、形状、材质、电路组成相关，对同种设备为常数，在设备正式使用前需通过实验确定，具体方法为：将手环设备开机后放置在一个恒温环境内，手环底部接触一恒温表面模拟手腕皮肤；改变所述恒温环境温度以及恒温表面温度，并记录所述恒温环境温度值T_E、恒温表面温度值T_S、以及传感器所测设备内部温度值T_I的变化；收集足够数据后，将所记录值用于拟合上述热传导公式(基于最小二乘法)，即可计算出q₁、q₂、ΔT_I的值。本实施例中，q₁设置为0.07，q₂设置为0.09，ΔT_I设置为1℃。

简化上述公式，计算当前环境温度T_E为：

(3)计算当前人体体温：

考虑到皮肤表面温度对于环境温度变化的响应具有延迟性，同时减小所计算T_E的噪声信号，对T_E进行实时低通滤波，滤波后的值作为T_E的最终值，本实施例中，低通滤波的截止频率为0.008Hz。

根据下列公式计算当前人体体温T_B：

T_B＝T_S+q₃·T_E+q₄

式中，q₃、q₄为两个温度补偿系数，为常数，在设备正式使用前需通过实验确定，具体方法为：招募一批健康人(人数可为100人)作为实验对象，使用水银温度计记录每位实验对象的体温数值；每位实验对象穿戴所述可穿戴式手环设备，记录所测手腕皮肤温度T_S以及所计算环境温度T_E；改变室温环境，每位实验对象测量多组数据；将各组人体体温T_B、手腕皮肤温度T_S以及所计算环境温度T_E数据用于拟合上述公式，(基于最小二乘法)，即可计算出温度补偿系数q₃、q₄的值。本实施例中，q₃设置为-0.5，q₄设置为17.6。

(4)使用效果：

本例中用户实际体温为36.2℃，共计穿戴100分钟，环境温度在25℃～29℃中变化，该手环设备输出用户体温如图5所示，误差为-0.1℃±0.3℃。可见，本发明的装置和方法相对于现有技术而言，可实现对用户的体温的精确计算。

在其他实施例中，可穿戴式设备可为可穿戴式脚环或颈环或指环。

以上所述的实施例只是本发明的一些较佳的方案，然而其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。例如，上述实施例也可以使用简化后的函数或其他形式的函数来拟合环境温度与人体体温的计算过程；上述实施例也可以使用其他温度传感器来测量设备内部温度以及用户手腕皮肤温度，如使用两个热敏电阻传感器。

由此可见，凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于可穿戴式设备的人体体温测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.通过可穿戴式设备测量设备内部温度以及用户皮肤温度；

S2.通过所述设备内部温度以及用户皮肤温度计算当前环境温度，通过所述当前环境温度以及用户皮肤温度计算当前人体体温。

2.如权利要求1所述的用于可穿戴式设备的人体体温测量方法，其特征在于，步骤S2中，所述当前环境温度的计算包括以下步骤：

S21.计算设备内部温度的变化率

式中，T_I(i)为当前设备内部温度，T_I(i-1)为上一个时刻采集的设备内部温度，dt为两个时刻的时间差；

S22.计算当前环境温度T_E：

式中，T_S为用户皮肤温度，q₁、q₂为两个温度传导系数，ΔT_I为设备在工作时由电流引起的设备内部温度上升值。

3.如权利要求2所述的用于可穿戴式设备的人体体温测量方法，其特征在于，步骤S22中，对T_E进行实时低通滤波，滤波后的值作为T_E的最终值。

4.如权利要求2-3任一项所述的用于可穿戴式设备的人体体温测量方法，其特征在于，所述当前人体体温的计算包括以下步骤：

计算当前人体体温T_B：

T_B＝T_S+q₃·T_E+q₄

式中，q₃、q₄为两个温度补偿系数，为常数。

5.如权利要求4所述的用于可穿戴式设备的人体体温测量方法，其特征在于，q₁、q₂、ΔT_I与可穿戴式设备的大小、形状、材质、电路组成相关，对同种设备为常数，在设备正式使用前通过实验确定，具体方法为：将手环设备开机后放置在一个恒温环境内，手环底部接触一恒温表面模拟皮肤；改变所述恒温环境温度以及恒温表面温度，并记录所述恒温环境温度值T_E、恒温表面温度值T_S、以及传感器所测设备内部温度值T_I的变化；收集足够数据后，将所记录值用于拟合热传导公式：

，计算出q₁、q₂、ΔT_I的值；

q₃、q₄在设备正式使用前通过实验确定，具体方法为：招募一批健康人作为实验对象，使用水银温度计记录每位实验对象的体温数值；每位实验对象穿戴所述可穿戴式设备，记录所测皮肤温度T_S以及所计算环境温度T_E；改变室温环境，每位实验对象测量多组数据；将各组人体体温T_B、皮肤温度T_S以及所计算环境温度T_E数据用于拟合公式：T_B＝T_S+q₃·T_E+q₄，计算出温度补偿系数q₃、q₄的值。

6.如权利要求1-3任一项所述的用于可穿戴式设备的人体体温测量方法，其特征在于，所述用户皮肤温度为用户穿戴所述可穿戴式设备处的皮肤温度。

7.可穿戴式设备，其特征在于，采用如权利要求1-6任一项所述的用于可穿戴式设备的人体体温测量方法，包括壳体、用于测量设备内部温度以及用户皮肤温度的热电堆红外传感器，以及用于计算体温的单片机系统，所述热电堆红外传感器及单片机系统设置于壳体内。

8.如权利要求7所述的可穿戴式设备，其特征在于，壳体包括相盖合的顶部外壳和底部外壳；底部外壳设有凹槽，凹槽内装有所述热电堆红外传感器。

9.如权利要求7所述的可穿戴式设备，其特征在于，热电堆红外传感器的镜头表面距离底部外壳表面至少2毫米。

10.如权利要求7所述的可穿戴式设备，其特征在于，所述可穿戴式设备为可穿戴式手环或脚环或颈环或指环。

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