DE102011114620A1

DE102011114620A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmungder Körpertemperatur

Info

Publication number: DE102011114620A1
Application number: DE102011114620A
Authority: DE
Inventors: Dr. Sattler Frank
Original assignee: Draeger Medical GmbH
Current assignee: Draegerwerk AG and Co KGaA
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2011-09-30
Publication date: 2013-04-04
Anticipated expiration: 2031-10-01
Also published as: CN103027666A; US20130085708A1; US9101271B2; CN103027666B; DE102011114620B4

Abstract

Die Vorrichtung zur Bestimmung der Körperkerntemperatur eines Lebewesens mit einer verbesserten Messwertkorrektur enthält: – einen ersten Temperatursensor (15) zur Erfassung der, Hauttemperatur T1, – einen Isolator (11) zur Aufnahme des ersten Temperatursensors (15), – einen zweiten Temperatursensor (17) im Isolator (11) zur Erfassung einer Temperatur T2, – einen dritten Temperatursensor (19), der gegenüberliegend zum ersten Temperatursensor (15) am Isolator (11) angeordnet ist, zur Erfassung einer umgebungsnahen Temperatur T3, wobei unter Annahme eines konstanten Verhältnisses von seitlichen Wärmeflüssen α am Isolator (11) zwischen den Temperatursensoren (15, 17, 19) die Körperkerntemperatur Tcore durch den formelmäßigen Zusammenhanggebildet ist, mit kg = Wärmedurchgangskoeffizient des Gewebes und ks, kt = Wärmedurchgangskoeffizienten des Isolators (11).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der Körperkerntemperatur eines Lebewesens.
Bei der Messung der inneren Temperatur von Objekten, insbesondere des menschlichen Körpers, ist die Körperkerntemperatur von besonderem Interesse. Anwendungsgebiete sind die Medizintechnik bei der Überwachung von Erwachsenen, Kindern und Neonaten in der Intensivstation und die Sicherheitstechnik im allgemeinen Personenschutz und bei Feuerwehreinsatzkräften.
Eine Vorrichtung der genannten Art ist aus der DE 10 2005 004 933 B3 bekannt. Bei der bekannten Vorrichtung wird mit einem ersten Temperatursensor die Temperatur der Hautoberfläche gemessen und ein zweiter Temperatursensor, der über eine Wärmeisolierung beabstandet zum ersten Temperatursensor angeordnet ist, erfasst die umgebungsnahe Temperatur. Aus den gemessenen Temperaturen lässt sich unter Berücksichtigung des Wärmedurchgangskoeffizienten des Gewebes des Lebewesens und des Wärmedurchgangskoeffizienten der Isolierung die Körperkerntemperatur des Lebewesens berechnen. Der idealisierten Berechnungsformel liegt die Annahme zu Grunde, dass der von der Hautoberfläche an die Temperaturmessvorrichtung abgegebene Wärmestrom vollständig vom ersten Temperatursensor an den zweiten Temperatursensor geleitet wird.
Durch Kombination der Hauttemperatur mit dem Wärmefluss, der sich aus der Differenz beider Temperaturen ergibt, errechnet sich dann die Körperkerntemperatur T_core zu:
Hier steht T1 für die körpernahe Temperatur des ersten Temperatursensors und T2 für die körperferne Temperatur des zweiten Temperatursensors. Der Faktor k_s ist der Wärmedurchgangskoeffizient des Isolators zwischen den Temperatursensoren und k_g ist der Wärmedurchgangskoeffizient des menschlichen Gewebes zwischen dem Körperkern und dem körpernahen ersten Temperatursensor. In der Formel werden dabei die beiden Temperaturen des ersten- und zweiten Temperatursensors linear miteinander verknüpft.
Bei einem realen System tritt zusätzlich ein Verlustwärmestrom auf, der an das Sensorgehäuse der Temperaturmessvorrichtung abgegeben wird. Zur Berücksichtigung des Verlustwärmestromes ist ein Randtemperatursensor vorgesehen, der im Bereich der Außenwandung des Sensorgehäuses angeordnet ist und die Randtemperatur des Sensorgehäuses am Übergang zur Umgebung erfasst. Die Berücksichtigung des Verlustwärmestromes führt in der Berechnungsformel zu einem Kompensationsterm, der von der gemessenen Randtemperatur abhängig ist. Nachteilig hierbei ist, dass der Randtemperatursensor die Randtemperatur nur lokal erfassen kann und Einflüsse aus der Umgebung die Messung verfälschen können. Verschärft wird das Problem durch zeitabhängige Umgebungseinflüsse, die zu einer zeitabhängigen Korrektur führen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Temperaturmessvorrichtung der genannten Art eine verbesserte Vorrichtung und ein entsprechendes Verfahren zur Messwertkorrektur anzugeben.
Die Lösung für die Vorrichtung ergibt sich aus den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist durch die Merkmale des Patentanspruchs 3 beschrieben.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, den Temperatursensor für die Erfassung des Verlustwärmestromes innerhalb des Isolators so anzuordnen, dass er sich im Bereich des Hauptwärmestroms befindet. Dadurch werden die Einflüsse der Umgebung auf den mit dem zusätzlichen Temperatursensor gemessenen Tempraturmesswert reduziert. Die erfindungsgemäße Temperaturmessvorrichtung besteht aus einem ersten Temperatursensor zur Messung der Temperatur T1 in körpernaher Position, einem dritten Temperatursensor zur Messung der Temperatur T3 in umgebungsnaher Position und einem zweiten Temperatursensor, zwischen dem ersten- und dem dritten Temperatursensor, zur Erfassung einer Temperatur T2 innerhalb des Isolators.
Die Ermittlung eines Kompensationstermes für die Berechnung der Körperkerntemperatur beruht auf der Überlegung, dass der Bereich zwischen dem ersten Temperatursensor und dem zweiten Temperatursensor als ein erster Doppeltemperatursensor angesehen werden kann und der Bereich zwischen dem zweiten Temperatursensor und dem dritten Temperatursensor ist ein zweiter Doppeltemperatursensor. Voraussetzung dabei ist, dass sich der zweite Temperatursensor im Bereich des Hauptwärmestromes befindet. Der Hauptwärmestrom verläuft vom Körpergewebe über den ersten Temperatursensor in den Isolator zum zweiten Temperatursensor und über den Isolator zum dritten Temperatursensor. Weiter wird angenommen, dass die seitlichen Verlustwärmeströme Q4 und Q5 des ersten Doppeltemperatursensors und des zweiten Doppeltemperatursensors in einem festen Verhältnis zueinander stehen, wobei die absoluten Verlustwärmeströme nicht benötigt werden.
Für den ersten- und den zweiten Doppeltemperatursensor lassen sich folgende Beziehungen angeben unter der Annahme eines konstanten Verhältnisses der seitlichen Verlustwärmeströme Q5/Q4 = α. (T_core)·k_g = Q₄ + (T₁ – T₂)·k_s (T₁ – T₂)·k_s = α·Q₄ + (T₂ – T₃)·k₁ (2)
Dabei ist k_t die Wärmeleitungskonstante des Isolators zwischen dem zweiten- und dem dritten Temperatursensor.
In dieser Gleichung lässt sich die Unbekannte Q4 eliminieren und die Gleichungen (2) lassen sich dann wie folgt nach T_core auflösen:
Die Körperkerntemperatur T_core ist dabei eine Funktion von drei gemessenen Temperaturen T1, T2 und T3 sowie von konstanten Faktoren k_s, k_g, k_t und α.
Der Isolator zwischen den Temperatursensoren kann aus unterschiedlichen Materialien bestehen, er kann aber auch aus einem homogenen Block gefertigt sein mit Aufnahmebohrungen für die Temperatursensoren.
Das Verfahren zur Bestimmung der Körperkerntemperatur eines Lebewesens wird mit einer Messvorrichtung ausgeführt, die Temperatursensoren beidseits eines Isolators zur Erfassung einer körpernahen Temperatur T1 und einer körperfernen Temperatur T3 und einen Temperatursensor innerhalb des Isolators zur Erfassung einer Temperatur T2 aufweist, wobei ein Hauptwärmestrom vom Körpergewebe in den Isolator und vom körpernahen Temperatursensor zum körperfernen Temperatursensor verläuft und zwischen den Temperatursensoren seitliche Wärmeflüsse Q4, Q5 des Isolators vorhanden sind. Das Verfahren ist gekennzeichnet durch die Schritte, den Temperatursensor zur Erfassung der Temperatur T2 im Bereich des Hauptwärmestromes innerhalb des Isolators zwischen den äußeren Temperatursensoren anzuordnen, und unter Annahme eines konstanten Verhältnisses von seitlichen Wärmeflüssen Q5/Q4 = α zwischen jeweils zwei benachbarten Temperatursensoren die Körperkerntemperatur T_core aus dem formelmäßigen Zusammenhang
zu bestimmen, mit
k_g = Wärmedurchgangskoeffizient des Gewebes und
k_s, k_t = Wärmedurchgangskoeffizienten des Isolators zwischen den Temperatursensoren.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Figuren dargestellt und im Folgenden näher erläutert. Es zeigen:
1: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Temperaturmessvorrichtung,
2: eine erste Ausführungsform der Temperaturmessvorrichtung,
2: eine zweite Ausführungsform.
1 veranschaulicht schematisch eine Temperaturmessvorrichtung 1 zur Bestimmung der Körperkerntemperatur T_core. Die erste Temperaturmessvorrichtung 1 befindet sich auf der Oberfläche des Körpergewebes 2 und besteht in serieller Anordnung aus einem ersten Doppeltemperatursensor 3 und aus einem zweiten Doppeltemperatursensor 4. Der erste Doppeltemperatursensor 3 besitzt einen ersten Temperatursensor 5 zur Erfassung der körpernahen Temperatur T1 an der Oberfläche des Körpergewebes 2 und, durch einen ersten Isolator 6 beabstandet, einen zweiten Temperatursensor 7 für die Temperatur T2. Der zweite Doppeltemperatursensor 4 besteht aus dem zweiten Temperatursensor 7, einem zweiten Isolator 8 und einem dritten Temperatursensor 9 zur Messung der umgebungsnahen Temperatur T3. Q1 ist der Wärmefluss innerhalb des Körpergewebes 2 zwischen T_core und dem ersten Temperatursensor 5 mit dem Wärmedurchgangskoeffizienten k_g. Q2 ist der Hauptwärmefluss innerhalb des ersten Doppeltemperatursensors 3 zwischen dem ersten Temperatursensor 5 und dem zweiten Temperatursensor 7 und Q3 der Hauptwärmefluss innerhalb des zweiten Doppeltemperatursensors 4 zwischen dem zweiten Temperatursensor 7 und dem dritten Temperatursensor 9. Die seitlichen, störenden Wärmeflüsse sind Q4 für den ersten Doppeltemperatursensor 3 und Q5 für den zweiten Doppeltemperatursensor 4. Es wird von einem konstanten Verhältnis α von Q5/Q4 ausgegangen. k_s ist der Wärmedurchgangskoeffizient des ersten Doppeltemperatursensors 3 und k_t der Wärmedurchgangskoeffizient des zweiten Doppeltemperatursensors 4. Für α ergibt sich ein typischer Wert von 0,25. k_g liegt typischerweise bei etwa 45 W/m²K, k_s und k_t bei etwa 70 W/m²K. Es ist aber auch möglich, dass für k_s und k_t identische Werte vorliegen.
2 zeigt eine erste Temperaturmessvorrichtung 10 mit einem zylindrischen Isolator 11, einem ersten Temperatursensor 15 an der Unterseite, der auf der Oberfläche eines Körpergewebes 12 aufliegt, einem zweiten Temperatursensor 17 in der Mitte und einem dritten Temperatursensor 19 an der Oberseite zur Messung der umgebungsnahen Temperatur. Der Isolator 11 hat einen Durchmesser von etwa 10 mm und eine Höhe von 8–10 mm. Er ist aus einem homogenen Material mit einer Wärmeleitfähigkeit zwischen 0,05 und 0,3 W/mK. Der Isolator 11 besitzt Aufnahmebohrungen 13, 14, 16 für die Temperatursensoren 15, 17, 19. Geeignete Materialien für den Isolator 11 sind Polyethylen (PE), Polyetheretherketon (PEEK), Polymethylmethacrylat (PMMA), sowie geschlossenporige, poröse oder schaumartige Isolierstoffe.
3 veranschaulicht eine zweite Temperaturmessvorrichtung 20 bei der ein zylindrischer Isolator 21 mit rotationssymmetrischen Einstichen 22, 28 versehen ist. Die Einstiche 22, 28 befinden sich zwischen Aufnahmebohrungen 23, 24, 26 für den ersten Temperatursensor 25, den zweiten Temperatursensor 27 und den dritten Temperatursensor 29. Durch die Einstiche 22, 28, die eine Taillierung des Isolators bewirken, vermindert sich der Wärmedurchgangskoeffizient des Materials zwischen den Temperatursensoren 25, 27, 29. Durch eine unterschiedliche Einstichtiefe lassen sich vorbestimmte Wärmedurchgangskoeffizienten einstellen. Zusätzlich verringern sie die seitlichen Verlustwärmeströme.
Bezugszeichenliste

1: Temperaturmessvorrichtung
2, 12: Körpergewebe
3: erster Doppeltemperatursensor
4: zweiter Doppeltemperatursensor
5, 15, 25: erster Temperatursensor
6: erster Isolator
7, 17, 27: zweiter Temperatursensor
8: zweiter Isolator
9, 19, 29: dritter Temperatursensor
10: erste Temperaturmessvorrichtung
11, 12: zylindrischer Isolator
13, 14, 16, 23, 24, 26: Aufnahmebohrung
20: zweite Temperaturmessvorrichtung
22, 28: Einstich
Q1, Q2, Q3: Hauptwärmefluss
Q4, Q5: seitlicher Wärmefluss

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005004933 B3 [0003]

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung der Körperkerntemperatur eines Lebewesens enthaltend: – einen an der Körperoberfläche anlegbaren ersten Temperatursensor (15, 25) zur Erfassung der Hauttemperatur T1, – einen Isolator (11, 21) zur Aufnahme des ersten Temperatursensors (15, 25), – einen zweiten Temperatursensor (17, 27) am Isolator (11, 21) zur Erfassung einer Temperatur T2 im Bereich des von der Körperoberfläche in den Isolator (11, 21) gerichteten Hauptwärmestromes, – einen dritten Temperatursensor (19, 29), der gegenüberliegend zum ersten Temperatursensor (15, 25) am Isolator (11, 21) angeordnet ist, zur Erfassung einer umgebungsnahen Temperatur T3, wobei unter Annahme eines konstanten Verhältnisses von seitlichen Wärmeflüssen Q5/Q4 = α am Isolator (11, 21) zwischen dem ersten Temperatursensor (15, 25) und dem zweiten Temperatursensor (17, 27) und dem zweiten Temperatursensor (17, 27) und dem dritten Temperatursensor (19, 29), die Körperkerntemperatur T_core durch den formelmäßigen Zusammenhang
gebildet ist, mit k_g = Wärmedurchgangskoeffizient des Gewebes und k_s, k_t = Wärmedurchgangskoeffizienten des Isolators (11, 21) zwischen den Temperatursensoren (15, 25, 29; 17, 27, 29).
Vorrichtung nach Anspruch 1, dass der Isolator (11, 21) als ein homogener Körper mit Aufnahmebohrungen (13, 14, 16; 23, 24, 26) für die Temperatursensoren (15, 25; 17, 27; 19, 29) ausgebildet ist.
Verfahren zur Bestimmung der Körperkerntemperatur eines Lebewesens mit einer Messvorrichtung, die Temperatursensoren (15, 25; 19, 29) beidseits eines Isolators (11, 21) zur Erfassung einer körpernahen Temperatur T1 und einer körperfernen Temperatur T3 und einen Temperatursensor (17, 27) innerhalb des Isolators (11, 21) zur Erfassung einer Temperatur T2 aufweist, wobei ein Hauptwärmestrom vom Körpergewebe (2, 12) in den Isolator (11, 21) vom körpernahen Temperatursensor (15, 25) zum körperfernen Temperatursensor (19, 29) verläuft und zwischen den Temperatursensoren (15, 25; 17, 27; 19, 29) seitliche Wärmeflüsse Q4, Q5 des Isolators (11, 21) vorhanden sind, gekennzeichnet durch die Schritte, den Temperatursensor (17, 27) zur Erfassung der Temperatur T2 im Bereich des Hauptwärmestromes innerhalb des Isolators (11, 21) zwischen den äußeren Temperatursensoren (15, 25; 19, 29) anzuordnen, und unter Annahme eines konstanten Verhältnisses von seitlichen Wärmeflüssen Q5/Q4 = α zwischen zwei benachbarten Temperatursensoren (15, 25; 17, 27; 19, 29) die Körperkerntemperatur T_core aus dem formelmäßigen Zusammenhang
zu bestimmen, mit k_g = Wärmedurchgangskoeffizient des Gewebes und k_s, k_t = Wärmedurchgangskoeffizienten des Isolators (11, 21) zwischen den Temperatursensoren (15, 25; 17, 27; 19, 29).