CN112220460A - 一种基于微波辐射技术的体内温度测量贴片 - Google Patents

一种基于微波辐射技术的体内温度测量贴片 Download PDF

Info

Publication number
CN112220460A
CN112220460A CN202011026689.7A CN202011026689A CN112220460A CN 112220460 A CN112220460 A CN 112220460A CN 202011026689 A CN202011026689 A CN 202011026689A CN 112220460 A CN112220460 A CN 112220460A
Authority
CN
China
Prior art keywords
temperature
temperature measurement
signal
module
loss factor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202011026689.7A
Other languages
English (en)
Inventor
姜晶
钟业奎
邱安美
张泽展
喻培丰
牛夷
王超
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
University of Electronic Science and Technology of China
Original Assignee
University of Electronic Science and Technology of China
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by University of Electronic Science and Technology of China filed Critical University of Electronic Science and Technology of China
Priority to CN202011026689.7A priority Critical patent/CN112220460A/zh
Publication of CN112220460A publication Critical patent/CN112220460A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/01—Measuring temperature of body parts ; Diagnostic temperature sensing, e.g. for malignant or inflamed tissue
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/0002—Remote monitoring of patients using telemetry, e.g. transmission of vital signals via a communication network
    • A61B5/0004—Remote monitoring of patients using telemetry, e.g. transmission of vital signals via a communication network characterised by the type of physiological signal transmitted
    • A61B5/0008—Temperature signals
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/68—Arrangements of detecting, measuring or recording means, e.g. sensors, in relation to patient
    • A61B5/6801—Arrangements of detecting, measuring or recording means, e.g. sensors, in relation to patient specially adapted to be attached to or worn on the body surface
    • A61B5/683—Means for maintaining contact with the body
    • A61B5/6832—Means for maintaining contact with the body using adhesives
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K1/00—Details of thermometers not specially adapted for particular types of thermometer
    • G01K1/02—Means for indicating or recording specially adapted for thermometers
    • G01K1/024—Means for indicating or recording specially adapted for thermometers for remote indication
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K1/00—Details of thermometers not specially adapted for particular types of thermometer
    • G01K1/14—Supports; Fastening devices; Arrangements for mounting thermometers in particular locations
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K11/00—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00
    • G01K11/006—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using measurement of the effect of a material on microwaves or longer electromagnetic waves, e.g. measuring temperature via microwaves emitted by the object

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Physiology (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Measuring And Recording Apparatus For Diagnosis (AREA)
  • Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)

Abstract

该发明公开了一种基于微波辐射技术的体内温度测量贴片，属于接触式温度测量领域，可以应用于医疗机械设备和人体体内温度测量。本温度监测系统采用天线结构设计，以微波辐射测温原理为基础，采用人体热辐射发出的微波信号作为接收信号源，相较于传统的接触式温度测量技术，该温度测量系统测温时间相对较短，且通过贴片式的设计将温度计附着于被测皮肤表面，可以随时进行温度检测，不影响使用者的正常活动，同时避免在温度测量中使用金属汞，具有较高的环保性。

Description

一种基于微波辐射技术的体内温度测量贴片
技术领域
该发明属于接触式温度测量领域，可以应用于医疗机械设备和人体体内温度测量。
背景技术
温度作为检测人体正常生命特征的重要参数，研制一种合适的辐射温度计对于检测各种疾病的状况亦具有重要意义。如用于人体内测量心肌消融区域的温度以及体外测量脑组织、癌组织的温度等。例如在治疗心率失齐的方案中，射频消融是一种能够起到彻底治愈疗效的有效手段。但是，在消融治疗心率失齐手术当中，对于心脏消融区域温度的监测与控制是一个重要问题，因为消融区域的温度过低则起不到消融效果，而温度过高则会灼伤到正常组织，因此，如何准确的测量消融区域的温度，并将其控制在一个安全的范围之内是一件很有意义的工作。目前常用的人体温度测量技术主要分为接触式温度测量技术和非接触式温度测量技术两种，其中接触式温度测量技术只要包括电阻式温度计和玻璃温度计等；而非接触式温度测量技术主要通过接收人体组织辐射的热信号(红外或微波波段信号)，通过对接收到的信号进行反演，得到目标温度场的真实物理温度.
皮肤内的温度与实际皮肤表层的温度存在一定的差异，传统接触式温度测量技术对皮肤及体内温度监测存在一定缺陷：通常情况下，皮肤表层的温度与体内肌肉组织的温度差异大约可以到2.5K左右，针对不同的环境，相应情况的温差也存在一定的差异，相较于健康状态下，当体内出现病患时，这个温度的差值也会存在一定的区别，故实时监测体内的温度对于维持健康的生理状态具有重要意义。
传统人体温度检测系统中，一般采用接触式温度测量方案，采用这种测量方案时，大多遵循同一个准则：当被测目标与温度计达到热平衡状态时，温度计指示温度即表示当前目标的温度，但采用接触式温度测量技术时，存在一个很明显的缺陷，由于温度计需要与被测目标紧密接触，故可能会破坏原目标温度场的状态，同时采用接触式温度测量技术时，热平衡特性要求探测器与被测部位充分接触，需要探测器根据不同的目标升高或降低温度，故整个测量过程一般持续时间较长。
发明内容
本发明的目的在于：克服传统接触式温度计在测量人体温度过程中，无法准确测量体内组织温度的缺陷，提供一种满足相对精度高、测量稳定性强以及测量便捷的微波辐射温度计，实现对人体内组织(皮肤、脂肪、肌肉)温度的准确便捷测量。
本发明的技术方案如下：一种基于微波辐射技术的体内温度测量贴片，该温度测量贴片贴附于皮肤表面进行温度检测，包括：上壳、下底、位于上壳和下底之间的基板；所述上壳、下底、基板均为柔性结构，上壳和下底将基板进行密封；所述上壳表面设置有开关控制按钮和显示模块；所述基板上表面设置有电源管理模块、数据信号转换模块、温度信号处理单元、控制模块，下表面设置有信号检测模块；所述开关控制按钮设置于电源管理模块和其他模块之间，控制模块控制信号检测模块的信号发射和接收，信号检测模块接收到回波信号后，将回波信号传输给数据信号转换模块，将转换后的信号发给温度信号处理单元，温度信号处理单元计算出温度后，发送给显示模块进行显示；
所述温度信号处理单元中的计算内部温度Ta的方法为：
Figure BDA0002702317980000021
其中，FP为接收天线的波瓣张角，Ts表示皮肤亮度温度，Tf表示脂肪亮度温度，Tm表示肌肉亮度温度，Tfs和Tss表示组织向下辐射后被边界反射后的亮温，Tsfs表示二次反射亮温，LS表示皮肤层损耗因子，Lf表示脂肪层损耗因子，Fss和Fsm表示组织向下辐射后和被边界反射后接收天线的波瓣张角；
所述皮肤层损耗因子LS和脂肪层损耗因子Lf的计算方法相同，采用如下公式计算：
L＝el·α
Figure BDA0002702317980000022
其中，L表示皮肤层损耗因子或脂肪层损耗因子，l表示组织层厚度，可以通过常规超声技术测量，α为衰减系数，μ为真空介电常数，εr和εi分别表示对应组织层的相对介电常数实部和虚部，ε0表示真空环境的介电常数；
各部分亮温度通过以下方式计算：
Figure BDA0002702317980000023
其中，k为玻尔兹曼常数，λ为波长，Δf为频带带宽，亮度
Figure BDA0002702317980000031
At表示发射天线的有效面积，Ft表示发射天线的辐射强度,可以通过辐射计测量。
本发明的有益效果在于：本温度监测系统采用天线结构设计，以微波辐射测温原理为基础，采用人体热辐射发出的微波信号作为接收信号源，相较于传统的接触式温度测量技术，该温度测量系统测温时间相对较短，且通过贴片式的设计将温度计附着于被测皮肤表面，可以随时进行温度检测，不影响使用者的正常活动，同时避免在温度测量中使用金属汞，具有较高的环保性。
附图说明
图1体内温度测量系统工作示意图。
图2体内温度测量系统分层结构示意图。
图3片上集成系统结构示意图。
图4不同组织层具有不同的介电常数说明。
图5人体组织热辐射温度传输模型。
具体实施方案
下面将结合附图对相关部分做进一步说明。
一种基于微波辐射技术的体内温度测量系统，其特征在于辐射测量系统的整体结构设计为贴片式结构，可以附着在人体皮肤表层，可以随时进行温度检测，不影响使用者的正常活动。该贴片式辐射测温系统包括柔性密闭结构式上壳(1)，柔性薄膜下底(2)，两者共同构成该系统保护结构，其中在柔性结构上壳上分布温度信号显示模块(6)和开关控制按钮(9)。在密闭保护结构内包含辐射温度信号检测模块(10)、数据信号转换模块(8)、温度信号处理单元(4)、控制模块(5)以及对所有单元提供电能的电源管理模块(7)；所述温度信号检测模块(10)主要为天线，可以针对人体近场辐射信号及时做出响应；待测目标经过辐射温度信号检测模块接收温度信号变化情况，通过信号转换模块和温度信号处理单元处理后，最终温度变化情况通过温度显示模块显示给用户。
温度信号检测模块(10)为可用于检测近场辐射的天线结构，该天线结构可以通过MOCVD的方式沉积于基板(3)的下底面，所述的数据转换模块(8)、信号处理单元(4)以及控制单元(5)设置于基板(10)的上表面。
温度检测模块(10)、数据转换模块(8)、信号处理模块(4)以及控制系统(5)形成一种片上集成系统(3)，便于成套设备的商业化开发。
集成电源管理模块(7)采用新能源储能电池，可以为整个系统中的信号检测模块(10)、数据处理模块(8)、信号转换模块(4)、控制模块(5)以及温度信号显示模块提供电能。
温度信号显示模块(6)采用柔性LED显示器，可以通过文字、图像的方式显示所测部位的温度值。
开关控制按钮(9)可以控制整个系统的工作与否。
针对人体不同组织层结构，设计了特殊的微波辐射结构模型。对比不同组织层在微波区域的辐射功率，可以有效计算出对应的亮度温度，结合本研究中的微波辐射结构模型，可以进一步得到体内组织的准确温度。相关模型如图5所示，具体表述如下：
构建皮肤层和脂肪层的损耗因子Ls和Lf：
Figure BDA0002702317980000041
式中ω＝2πf表示角频率，l表示组织层厚度，α为衰减系数，μ为真空介电常数，εr和εi分别表示对应组织层的相对介电常数实部和虚部，不同生物组织层的介电常数、电导率等节点参数在不同的频段下具有一定的差异。
结合辐射测温技术得到关键组织层的亮度温度，具体包括：皮肤亮度温度Ts、脂肪亮度温度Tf、肌肉亮度温度Tm、组织向下辐射后被边界反射后的亮温Tss、Tfs以及二次反射亮温Tsfs。
各部分亮温度可以通过以下方式计算：
Figure BDA0002702317980000042
其中，k为玻尔兹曼常数，λ为波长，Δf为频带带宽，亮度
Figure BDA0002702317980000043
At表示发射天线的有效面积，Ft表示发射天线的辐射强度,可以通过辐射计测量。
最后推出视在温度TAP:
Figure BDA0002702317980000044
设Fp为接收天线的波瓣张角，Fs为各分层组织中异常组织的张角，W(θ,φ)＝1,将视在温度带入，可以得到天线温度有
Figure BDA0002702317980000051
通过上述人体组织中的皮肤、脂肪、肌肉三层微波辐射热传输模型可以得到内部组织的准确温度值。

Claims (1)

1.一种基于微波辐射技术的体内温度测量贴片，该温度测量贴片贴附于皮肤表面进行温度检测，包括：上壳、下底、位于上壳和下底之间的基板；所述上壳、下底、基板均为柔性结构，上壳和下底将基板进行密封；所述上壳表面设置有开关控制按钮和显示模块；所述基板上表面设置有电源管理模块、数据信号转换模块、温度信号处理单元、控制模块，下表面设置有信号检测模块；所述开关控制按钮设置于电源管理模块和其他模块之间，控制模块控制信号检测模块的信号发射和接收，信号检测模块接收到回波信号后，将回波信号传输给数据信号转换模块，将转换后的信号发给温度信号处理单元，温度信号处理单元计算出温度后，发送给显示模块进行显示；
所述温度信号处理单元中的计算内部温度Ta的方法为：
Figure FDA0002702317970000011
其中，FP为接收天线的波瓣张角，Ts表示皮肤亮度温度，Tf表示脂肪亮度温度，Tm表示肌肉亮度温度，Tfs和Tss表示组织向下辐射后被边界反射后的亮温，Tsfs表示二次反射亮温，LS表示皮肤层损耗因子，Lf表示脂肪层损耗因子，Fss和Fsm表示组织向下辐射后和被边界反射后接收天线的波瓣张角；
所述皮肤层损耗因子LS和脂肪层损耗因子Lf的计算方法相同，采用如下公式计算：
L＝el·α
Figure FDA0002702317970000012
其中，L表示皮肤层损耗因子或脂肪层损耗因子，l表示组织层厚度，可以通过常规超声技术测量，α为衰减系数，μ为真空介电常数，εr和εi分别表示对应组织层的相对介电常数实部和虚部，ε0表示真空环境的介电常数；
各部分亮温度通过以下方式计算：
Figure FDA0002702317970000013
其中，k为玻尔兹曼常数，λ为波长，Δf为频带带宽，亮度
Figure FDA0002702317970000021
At表示发射天线的有效面积，Ft表示发射天线的辐射强度,可以通过辐射计测量。
CN202011026689.7A 2020-09-25 2020-09-25 一种基于微波辐射技术的体内温度测量贴片 Pending CN112220460A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011026689.7A CN112220460A (zh) 2020-09-25 2020-09-25 一种基于微波辐射技术的体内温度测量贴片

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011026689.7A CN112220460A (zh) 2020-09-25 2020-09-25 一种基于微波辐射技术的体内温度测量贴片

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN112220460A true CN112220460A (zh) 2021-01-15

Family

ID=74108844

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011026689.7A Pending CN112220460A (zh) 2020-09-25 2020-09-25 一种基于微波辐射技术的体内温度测量贴片

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112220460A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113116513A (zh) * 2021-02-24 2021-07-16 电子科技大学 一种基于基片集成同轴电缆的微波消融天线

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1986004800A1 (en) * 1985-02-20 1986-08-28 M/A Com, Inc. Infiltration detection apparatus
CN101657707A (zh) * 2007-04-12 2010-02-24 里尔科学技术大学 辐射度温度计
CN102749141A (zh) * 2012-07-30 2012-10-24 中国科学院自动化研究所 一种测量目标真实温度的辐射测温方法和仪器
CN104378707A (zh) * 2014-11-04 2015-02-25 青岛歌尔声学科技有限公司 一种耳机及具有体温监控功能的穿戴类电子产品
CN104545828A (zh) * 2015-01-08 2015-04-29 江波涛 一种体表测量装置及测量系统
CN104688196A (zh) * 2013-12-05 2015-06-10 舜新生物科技股份有限公司 贴片式温度量测装置
CN107402031A (zh) * 2017-06-19 2017-11-28 中北大学 基于微波散射原理的温度压力双参数传感器及制备方法
CN108720813A (zh) * 2018-08-13 2018-11-02 脱浩东 一种用于乳腺癌监测的柔性传感器
CN108871609A (zh) * 2017-05-09 2018-11-23 维瓦灵克有限公司 一种长工作周期的可穿戴温度测量贴片

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1986004800A1 (en) * 1985-02-20 1986-08-28 M/A Com, Inc. Infiltration detection apparatus
CN101657707A (zh) * 2007-04-12 2010-02-24 里尔科学技术大学 辐射度温度计
CN102749141A (zh) * 2012-07-30 2012-10-24 中国科学院自动化研究所 一种测量目标真实温度的辐射测温方法和仪器
CN104688196A (zh) * 2013-12-05 2015-06-10 舜新生物科技股份有限公司 贴片式温度量测装置
CN104378707A (zh) * 2014-11-04 2015-02-25 青岛歌尔声学科技有限公司 一种耳机及具有体温监控功能的穿戴类电子产品
CN104545828A (zh) * 2015-01-08 2015-04-29 江波涛 一种体表测量装置及测量系统
CN108871609A (zh) * 2017-05-09 2018-11-23 维瓦灵克有限公司 一种长工作周期的可穿戴温度测量贴片
CN107402031A (zh) * 2017-06-19 2017-11-28 中北大学 基于微波散射原理的温度压力双参数传感器及制备方法
CN108720813A (zh) * 2018-08-13 2018-11-02 脱浩东 一种用于乳腺癌监测的柔性传感器

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
皮钊逢: "用于人体温度测量微波辐射计天线的研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库（工程科技辑）2017年》 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113116513A (zh) * 2021-02-24 2021-07-16 电子科技大学 一种基于基片集成同轴电缆的微波消融天线
CN113116513B (zh) * 2021-02-24 2022-12-13 电子科技大学 一种基于基片集成同轴电缆的微波消融天线

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Stauffer et al. Non-invasive measurement of brain temperature with microwave radiometry: demonstration in a head phantom and clinical case
KR102532409B1 (ko) 지속적인 무선 모니터링 및 유기체의 온도 분석을 위한 센서 시스템 및 방법
US20120029369A1 (en) Passive Microwave Assessment of Human Body Core to Surface Temperature Gradients and Basal Metabolic Rate
US9795304B2 (en) Low profile temperature transducer
Myers et al. Microwave thermography: principles, methods and clinical applications
EP2635178B1 (en) Electromagnetic probes, methods for fabrication thereof, and methods which use such electromagnetic probes
CN102395311A (zh) 诊断测量设备
Rahimoon et al. Design of a contactless body temperature measurement system using Arduino
US8013745B2 (en) Passive microwave assessment of human body core to surface temperature gradients and basal metabolic rate
WO2011012386A1 (en) Sensor and method for determining a core body temperature
WO2008021226A1 (en) Platform for detection of tissue structure change
EP3860443B1 (en) Sensor system and method for continuous and wireless monitoring and analysis of respiratory sounds, heart rate and core temperature in organisms
Momenroodaki et al. Non-invasive microwave thermometry of multilayer human tissues
CN112220460A (zh) 一种基于微波辐射技术的体内温度测量贴片
Haines et al. Wireless system for continuous monitoring of core body temperature
Klemetsen et al. Improved radiometric performance attained by an elliptical microwave antenna with suction
CN201108496Y (zh) 电生理电极导管及相应设备
WO2017219765A1 (zh) 从电磁场能量传播角度求解组织电特性分布及局部比吸收率的方法
Baksheeva et al. The sub-THz emission of the human body under physiological stress
Amendola et al. UHF epidermal sensors: Technology and applications
CN112656384A (zh) 一种核心温度测量探头、系统及方法
Maccarini et al. A novel compact microwave radiometric sensor to noninvasively track deep tissue thermal profiles
CN114587347A (zh) 肺功能检测方法、系统、装置、计算机设备和存储介质
CN108720813A (zh) 一种用于乳腺癌监测的柔性传感器
KR102568015B1 (ko) 심부 체온을 측정하는 마이크로파 라디오미터용 반사판이 있는 듀얼 밴드 온바디 근거리 안테나를 구비하는 rf 수신기 모듈

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
CB03 Change of inventor or designer information

Inventor after: Jiang Jing

Inventor after: Niu Yi

Inventor after: Wang Chao

Inventor after: Zhong Yekui

Inventor after: Qiu Anmei

Inventor after: Zhang Zezhan

Inventor after: Yu Peifeng

Inventor before: Jiang Jing

Inventor before: Zhong Yekui

Inventor before: Qiu Anmei

Inventor before: Zhang Zezhan

Inventor before: Yu Peifeng

Inventor before: Niu Yi

Inventor before: Wang Chao

CB03 Change of inventor or designer information
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20210115

WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication