CN112798137A - 基于光声测温的婴幼儿体温监控系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于光声测温的婴幼儿体温监控系统及方法，本发明采用光声测温技术，该技术是生物组织接收到激光照射后产生超声，使得超声换能器接收的压力的变化，根据压力的变化量就可以确定生物组织温度的变化量。通过光声测温技术可以得到婴儿体内温度，避免了环境温度对体温测量的影响。测量了婴儿体内的三处的体温，使得婴儿的体温测量更加准确。并可通过中央处理电路及云平台来检测婴幼儿体温，当出现体温异常时，可及时通知家长及护士。
Description
技术领域
本发明涉及温度测量技术领域，具体是一种基于光声测温的婴幼儿体温监控系统及方法。
背景技术
婴儿体温监控系统是一种通过无线信道传输将从传感器中获得的婴幼儿体温信息传送到父母监护人终端的系统，该系统可实时对婴幼儿体温进行测量，当婴儿处于异常体温时可对父母进行提醒。目前婴儿体温监控系统往往分为通过热敏传感器及红外感知两种体温检测系统。基于热敏传感器的体温监测系统往往只能检测体表温度，比如在空调室内，通过热敏传感器获得体温信息往往无法真实反应体温。而对于基于红外感知的体温监测系统受到环境影响较大，无法得到真实的体温值。所以市场上急需要一台能够准确获得婴幼儿体温，且对婴幼儿进行实时监控的体温监控系统。
光声成像是一种非侵入式和非电离式的新型生物医学成像方法。其原理是当脉冲激光照射到生物组织时，生物组织吸收激光并产生超声信号，而我们往往会将这种超声信号称为光声信号。而这种光声信号往往会携带组织的光吸收特征信息，通过对光声信号的重建就可以得到生物组织对光吸收的图像。光声成像往往具有深穿透性，可生成高分辨率和高对比度的组织图像。目前用于心血管研究，药物代谢研究，肿瘤研究，基因表达等医学领域。而超声波在物体传导的速度往往受到物体本身的影响，所以生物组织所产生的超声波在生物组织中的传导往往会受到生物组织本身的温度影响。所以基于该原理开发出了光声测温技术。该技术可以在不侵入人体的情况下，获得人体体内的温度。Allen等分别于2006年和2007年报道了一种小型半导体激光器作为激发源的二维光声成像方法(ThomasJ.Allen and Paul C.Beard,"Pulsed near-infrared laser diode excitation systemfor biomedical photoacoustic imaging,"Opt.Lett.31,3462-3464(2006))。该小型半导体激光器可以缩小光声测温计的体积，使得该光声测温计体积更小。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于光声测温的婴幼儿体温监控系统及方法，采用光声测温技术，避免了基于热敏传感器及红外感知测温计受温度影响大，无法获得真实体温的问题。
为了解决所述技术问题，本发明采用的技术方案是：基于光声测温的婴幼儿体温监控系统，包括激光发射器、超声波接收器、中央处理器、数据采集电路、信号放大电路和信号预处理电路；
中央处理器与激光发射器相连，用于向激光发射器发送使能信号，使激光发射器发射激光；
超声波接收器与数据采集电路、信号放大电路、信号预处理电路以及中央处理器依次相连，激光发射器发射的激光经由婴幼儿身体反射回超声波接收器，超声波接收器接收返回的激光，通过采集、放大和预处理后传递至中央处理器，中央处理器计算出返回激光信号与基线压力的差值，进而通过基线压力的差值与温度之间的关系得到婴幼儿的体温。
进一步的，所述激光发射器包括连续波激光二极管A、连续波激光二极管B、连续波激光二极管C、聚焦镜A、聚焦镜B、聚焦镜C、聚焦镜D、反射镜A、反射镜B、反射镜C和反射镜D，连续波激光二极管A发射的激光经过聚焦镜A的聚焦、反射镜A和反射镜D的反射、聚焦镜D的聚焦后射出，连续波激光二极管B发射的激光经过聚焦镜B的聚焦、反射镜B和反射镜D的反射、聚焦镜D的聚焦后射出，连续波激光二极管C发射的激光经过聚焦镜C的聚焦、反射镜C和反射镜D的反射、聚焦镜D的聚焦后射出。
进一步的，连续波激光二极管A、连续波激光二极管B、连续波激光二极管C的波长分别为808nm、650nm和450nm。
进一步的，激光发射器和超声波接收器集成在光声探头上，本监控系统包括三组光声探头，三组光声探头安装在床板或保温箱底部与婴幼儿的裸背相接触。
进一步的，超声波接收器是一个可接受1MHZ超声波的环形超声换能器。
进一步的，中央处理器计算出返回激光信号与基线压力的差值，进而通过基线压力的差值与温度之间的关系得到婴幼儿的体温的过程为：
中央处理器对接收的信号进行自适应滤波和EMD分解相融合的数据处理算法，分解得到反应超声波强度的压力信号p0，则婴幼儿体温值为：
其中T0为设置的基线温度，p0.0为基线温度对应的超声波压力信号，Δp0为超声波压力信号的变化值，Δp0＝p0-p0.0，Fth为光声信号的相对增量及温度相对增量之间的比率，
进一步的，中央处理器还连接有显示器和云平台，显示器用于显示婴幼儿体温，中央处理器通过云平台与终端通信。
本发明还公开了一种基于光声测温的婴幼儿体温监控方法，包括以下步骤：
S01)、中央处理器向激光发射器发送使能信号，使激光发射器发射激光至婴幼儿身体，婴幼儿身体组织因激光照射产生相应的超声波，超声波通过超声波接收器接收形成相应的信号；
S02)、信号通过数据采集电路采集、信号放大电路放大、信号预处理电路预处理后传递至中央处理器；
S03)、中央处理器对接收的信号进行自适应滤波和EMD分解相融合的数据处理算法，分解得到反应超声波强度的压力信号p0，则婴幼儿体温值为：
其中T0为设置的基线温度，p0.0为基线温度对应的超声波压力信号，Δp0为超声波压力信号的变化值，Δp0＝p0-p0.0，Fth为光声信号的相对增量及温度相对增量之间的比率，
进一步的，自适应滤波和EMD分解相融合的数据处理算法首先采用最小方差准则计算出自适应滤波的系数及EMD的权值，使用重构信号逼近原始信号，一旦有超声波压力信号输入本算法时，自适应滤波与EMD分解在LMS算法下相互作用，EMD分解得到的本征模函数重构效果采用LMS算法估计权值，LMS算法也进行自适应滤波处理，保证在重构信号噪声影响系数小，EMD分解得到的噪声频率传递给自适应滤波器，经LMS算法进行消除。
进一步的，设有三组激光发射器和超声波接收器，一个激光发射器发射激光后，对应超声传感器接收到信号，另一个激光发射器再发射激光，得到三组光声信号，通过中央处理器将三组光声信号计算出温度，将三组温度取平均值，该平均值即为婴幼儿的体温。
本发明的有益效果：本发明采用光声测温技术，该技术是生物组织接收到激光照射后产生超声，使得超声换能器接收的压力的变化，根据压力的变化量就可以确定生物组织温度的变化量。通过光声测温技术可以得到婴儿体内温度，避免了环境温度对体温测量的影响。测量了婴儿体内的三处的体温，使得婴儿的体温测量更加准确。并可通过中央处理电路及云平台来检测婴幼儿体温，当出现体温异常时，可及时通知家长及护士。
附图说明
图1光声探头结构示意图；
图2为激光发射器的结构示意图；
图3为基于光声测温的婴幼儿体温监控系统的原理框图；
图4为光声探头安装分布示意图；
图中：1、激光发射器，2、超声波接收器，3、激光二极管A，4、激光二极管B，5、激光二极管C，6、聚集镜A，7、聚集镜B，8、聚集镜C，9、聚集镜D，10、反射镜A，11、反射镜B，12、反射镜C，13、反射镜D，14、光声探头。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1
本实施例公开一种基于光声测温的婴幼儿体温监控系统，如图1所示，包括激光发射器1和超声波接收器2，超声波接收器2是一个可接受1MHZ的超声波的环形超声换能器，其外径为1cm，内径为2mm。
如图3所示，本系统还包括中央处理器、数据采集电路、信号放大电路和信号预处理电路；
中央处理器与激光发射器相连，用于向激光发射器发送使能信号，使激光发射器发射激光；
超声波接收器与数据采集电路、信号放大电路、信号预处理电路以及中央处理器依次相连，激光发射器发射的激光经由婴幼儿身体反射回超声波接收器，超声波接收器接收返回的激光，通过采集、放大和预处理后传递至中央处理器，中央处理器计算出返回激光信号与基线压力的差值，进而通过基线压力的差值与温度之间的关系得到婴幼儿的体温。
如图2所示，所述激光发射器包括连续波激光二极管A、连续波激光二极管B、连续波激光二极管C、聚焦镜A、聚焦镜B、聚焦镜C、聚焦镜D、反射镜A、反射镜B、反射镜C和反射镜D，连续波激光二极管A发射的激光经过聚焦镜A的聚焦、反射镜A和反射镜D的反射、聚焦镜D的聚焦后射出，连续波激光二极管B发射的激光经过聚焦镜B的聚焦、反射镜B和反射镜D的反射、聚焦镜D的聚焦后射出，连续波激光二极管C发射的激光经过聚焦镜C的聚焦、反射镜C和反射镜D的反射、聚焦镜D的聚焦后射出。
本实施例中，连续波激光二极管A、连续波激光二极管B、连续波激光二极管C的波长分别为808nm、650nm和450nm。激光发射器发射不同波长(808nm，650nm和450nm)的光源，以1KHZ进行重复，最大允许曝光为100mW/cm2，激光二极管的辐射波长为800nm，5ns的脉冲持续时间，光通量为20流明(lm)。
本实施例中，激光发射器和超声波接收器集成在光声探头上。如图4所示，本监控系统包括三组光声探头，三组光声探头安装在床板或保温箱底部与婴幼儿的裸背相接触。
本实施例中，中央处理器计算出返回激光信号与基线压力的差值，进而通过基线压力的差值与温度之间的关系得到婴幼儿的体温的过程为：
中央处理器对接收的信号进行自适应滤波和EMD分解相融合的数据处理算法，分解得到反应超声波强度的压力信号p0，则婴幼儿体温值为：
其中T0为设置的基线温度，p0.0为基线温度对应的超声波压力信号，Δp0为超声波压力信号的变化值，Δp0＝p0-p0.0，Fth为光声信号的相对增量及温度相对增量之间的比率，
本实施例中，中央处理器还连接有显示器和云平台，显示器用于显示婴幼儿体温，中央处理器通过云平台与终端通信。家长及其医生可通过访问云平台来获得婴幼儿的体温信息。
实施例2
本实施例公开一种基于光声测温的婴幼儿体温监控方法，包括以下步骤：
S01)、中央处理器向激光发射器发送使能信号，使激光发射器发射激光至婴幼儿身体，当激光穿过组织，组织中的光吸收物质(如血红蛋白)吸收光能。这使得物体的温度上升，物体经历热弹性膨胀。这又产生了穿回组织的冲击波，并且可以在组织表面用压电传感器例如超声波接收器来检测。超声波通过超声波接收器接收形成相应的信号；
S02)、信号通过数据采集电路采集、信号放大电路放大、信号预处理电路预处理后传递至中央处理器；
本实施例中，信号预处理电路具有滤波及模数转换器的作用。
S03)、中央处理器对接收的信号进行自适应滤波和EMD分解相融合的数据处理算法，分解得到反应超声波强度的压力信号p0，则婴幼儿体温值为：
其中T0为设置的基线温度，p0.0为基线温度对应的超声波压力信号，Δp0为超声波压力信号的变化值，Δp0＝p0-p0.0，Fth为光声信号的相对增量及温度相对增量之间的比率，
具体的，自适应滤波和EMD分解相融合的数据处理算法首先采用最小方差准则计算出自适应滤波的系数及EMD的权值，使用重构信号逼近原始信号，一旦有超声波压力信号输入本算法时，自适应滤波与EMD分解在LMS算法下相互作用，EMD分解得到的本征模函数重构效果采用LMS算法估计权值，LMS算法也进行自适应滤波处理，保证在重构信号噪声影响系数小，EMD分解得到的噪声频率传递给自适应滤波器，经LMS算法进行消除。
本实施例中，设有三组激光发射器和超声波接收器，一个激光发射器发射激光后，对应超声传感器接收到信号，另一个激光发射器再发射激光，得到三组光声信号，通过中央处理器将三组光声信号计算出温度，将三组温度取平均值，该平均值即为婴幼儿的体温。
根据本实施例中，云平台接收来自中央处理器得到的婴幼儿体温，并将体温信息保存至云平台。家长及其医生可通过访问云平台来获得婴幼儿的体温信息。
以上描述的仅是本发明的基本原理和优选实施例，本领域技术人员根据本发明做出的改进和替换，属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.基于光声测温的婴幼儿体温监控系统，其特征在于：包括激光发射器、超声波接收器、中央处理器、数据采集电路、信号放大电路和信号预处理电路；
中央处理器与激光发射器相连，用于向激光发射器发送使能信号，使激光发射器发射激光；
超声波接收器与数据采集电路、信号放大电路、信号预处理电路以及中央处理器依次相连，激光发射器发射的激光经由婴幼儿身体反射回超声波接收器，超声波接收器接收返回的激光，通过采集、放大和预处理后传递至中央处理器，中央处理器计算出返回激光信号与基线压力的差值，进而通过基线压力的差值与温度之间的关系得到婴幼儿的体温。
2.根据权利要求1所述的基于光声测温的婴幼儿体温监控系统，其特征在于：所述激光发射器包括连续波激光二极管A、连续波激光二极管B、连续波激光二极管C、聚焦镜A、聚焦镜B、聚焦镜C、聚焦镜D、反射镜A、反射镜B、反射镜C和反射镜D，连续波激光二极管A发射的激光经过聚焦镜A的聚焦、反射镜A和反射镜D的反射、聚焦镜D的聚焦后射出，连续波激光二极管B发射的激光经过聚焦镜B的聚焦、反射镜B和反射镜D的反射、聚焦镜D的聚焦后射出，连续波激光二极管C发射的激光经过聚焦镜C的聚焦、反射镜C和反射镜D的反射、聚焦镜D的聚焦后射出。
3.根据权利要求2所述的基于光声测温的婴幼儿体温监控系统，其特征在于：连续波激光二极管A、连续波激光二极管B、连续波激光二极管C的波长分别为808nm、650nm和450nm。
4.根据权利要求1所述的基于光声测温的婴幼儿体温监控系统，其特征在于：激光发射器和超声波接收器集成在光声探头上，本监控系统包括三组光声探头，三组光声探头安装在床板或保温箱底部与婴幼儿的裸背相接触。
5.根据权利要求1所述的基于光声测温的婴幼儿体温监控系统，其特征在于：超声波接收器是一个可接受1MHZ超声波的环形超声换能器。
6.根据权利要求1所述的基于光声测温的婴幼儿体温监控系统，其特征在于：中央处理器计算出返回激光信号与基线压力的差值，进而通过基线压力的差值与温度之间的关系得到婴幼儿的体温的过程为：
中央处理器对接收的信号进行自适应滤波和EMD分解相融合的数据处理算法，分解得到反应超声波强度的压力信号p0，则婴幼儿体温值为：
其中T0为设置的基线温度，p0.0为基线温度对应的超声波压力信号，Δp0为超声波压力信号的变化值，Δp0＝p0-p0.0，Fth为光声信号的相对增量及温度相对增量之间的比率，
7.根据权利要求1所述的基于光声测温的婴幼儿体温监控系统，其特征在于：中央处理器还连接有显示器和云平台，显示器用于显示婴幼儿体温，中央处理器通过云平台与终端通信。
8.基于光声测温的婴幼儿体温监控方法，其特征在于：包括以下步骤：
S01)、中央处理器向激光发射器发送使能信号，使激光发射器发射激光至婴幼儿身体，婴幼儿身体组织因激光照射产生相应的超声波，超声波通过超声波接收器接收形成相应的信号；
S02)、信号通过数据采集电路采集、信号放大电路放大、信号预处理电路预处理后传递至中央处理器；
S03)、中央处理器对接收的信号进行自适应滤波和EMD分解相融合的数据处理算法，分解得到反应超声波强度的压力信号p0，则婴幼儿体温值为：
其中T0为设置的基线温度，p0.0为基线温度对应的超声波压力信号，Δp0为超声波压力信号的变化值，Δp0＝p0-p0.0，Fth为光声信号的相对增量及温度相对增量之间的比率，
9.根据权利要求8所述的基于光声测温的婴幼儿体温监控方法，其特征在于：自适应滤波和EMD分解相融合的数据处理算法首先采用最小方差准则计算出自适应滤波的系数及EMD的权值，使用重构信号逼近原始信号，一旦有超声波压力信号输入本算法时，自适应滤波与EMD分解在LMS算法下相互作用，EMD分解得到的本征模函数重构效果采用LMS算法估计权值，LMS算法也进行自适应滤波处理，保证在重构信号噪声影响系数小，EMD分解得到的噪声频率传递给自适应滤波器，经LMS算法进行消除。
10.根据权利要求8所述的基于光声测温的婴幼儿体温监控方法，其特征在于：设有三组激光发射器和超声波接收器，一个激光发射器发射激光后，对应超声传感器接收到信号，另一个激光发射器再发射激光，得到三组光声信号，通过中央处理器将三组光声信号计算出温度，将三组温度取平均值，该平均值即为婴幼儿的体温。
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