DE112018006093T5

DE112018006093T5 - System und verfahren zum bestimmen der körperkerntemperatur

Info

Publication number: DE112018006093T5
Application number: DE112018006093.4T
Authority: DE
Inventors: Thomas Rocznik; Seow Yuen Yee; Beatrix Mensch; Christian Peters
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-12-27
Filing date: 2018-12-20
Publication date: 2020-09-17
Also published as: CN111867456B; US20210121071A1; WO2019133449A1; CN111867456A

Abstract

Ein Temperaturerfassungssystem enthält einen Isolator mit einem Wärmewiderstand, der von einem ersten Wärmewiderstand zu einem zweiten Wärmewiderstand steuerbar ist, und mindestens einen Temperatursensor, der dazu betreibbar ist, eine Temperatur an einer ersten und zweiten Seite des Isolators zu erfassen. Ein Prozessor ist dazu konfiguriert, den Wärmewiderstand des Isolators dahingehend zu steuern, sich von dem ersten Wärmewiderstand zu dem zweiten Wärmewiderstand zu ändern.

Description

Prioritätsanspruch
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der am 27. Dezember 2017 eingereichten vorläufigen US-Anmeldung mit der lfd. Nr. 62/610,593 mit dem Titel „System and Method for Determining Core Body Temperature“, deren Offenbarung hiermit durch Bezugnahme vollumfänglich aufgenommen ist.
Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein Temperatursensoren und insbesondere Temperatursensoren zum Detektieren der Kernkörpertemperatur.
Hintergrund
Die Körperkerntemperatur eines Menschen oder eines Tieres ist ein wichtiges Lebenszeichen, das dazu verwendet wird, mehrere gesundheitliche Probleme zu diagnostizieren, zu behandeln und zu überwachen. Eine genaue Bestimmung der Körperkerntemperatur ist bei der Diagnose und Behandlung von Krankheiten entscheidend, während eine ungenaue Bestimmung der Körperkerntemperatur die Gesundheit eines Patienten gefährden kann.
Zu herkömmlichen Verfahren der Bestimmung der Körperkerntemperatur gehören Einführen eines Temperatursensors in den Körper, was invasiv ist und Hygiene- und Biogefährdungsprobleme bereiten kann. Externe Verfahren zum Bestimmen der Körperkerntemperatur leiden in der Regel an einer reduzierten Genauigkeit der Messung, was, wie oben erwähnt wurde, die Nützlichkeit der Körperkerntemperaturmessung reduziert.
Insbesondere ist die Oberflächentemperatur des Körpers nicht die gleiche wie die Körperkerntemperatur, da die äußere Oberfläche der Haut eines Menschen oder eines Tieres mit der Umgebung des Subjekts Wärme austauscht. Die Rate, mit der die Haut Wärme mit der Umgebung austauscht, und die Beziehung zwischen der Körperkerntemperatur in dem Körper und der Temperatur der äußeren Oberfläche der Haut variiert mit dem Einzelnen, der Stelle auf dem Körper und den äußeren Bedingungen. Infolgedessen ist es schwierig, die Körperkerntemperatur basierend auf der Temperatur der äußeren Oberfläche der Haut genau zu bestimmen.
Daher sind ein System und ein Verfahren zum Bestimmen der Körperkerntemperatur, das minimalinvasiv ist, erforderlich. Des Weiteren wären auch ein System und ein Verfahren, das die Körperkerntemperatur aus einer externen Messung genau bestimmt, von Nutzen.
Kurzdarstellung
Ein Temperaturerfassungssystem enthält einen Isolator mit einem Wärmewiderstand, der von einem ersten Wärmewiderstand zu einem zweiten Wärmewiderstand steuerbar ist, und mindestens einen Temperatursensor, der dazu betreibbar ist, eine Temperatur an einer ersten und zweiten Seite des Isolators zu erfassen. Ein Prozessor ist dazu konfiguriert, den Wärmewiderstand des Isolators dahingehend zu steuern, sich von dem ersten Wärmewiderstand zu dem zweiten Wärmewiderstand zu ändern.
Bei einigen Ausführungsformen ist der Prozessor ferner dazu konfiguriert, eine Subjektkernkörpertemperatur basierend auf ersten detektierten Temperaturen von dem mindestens einen Temperatursensor auf der ersten und zweiten Seite des Isolators, wenn sich der Isolator auf dem ersten Wärmewiderstand befindet, und zweiten detektierten Temperaturen von dem mindestens einen Temperatursensor auf der ersten und zweiten Seite des Isolators, wenn sich der Isolator auf dem zweiten Wärmewiderstand befindet, zu bestimmen.
Bei einer anderen Ausführungsform ist der Prozessor ferner dazu konfiguriert, eine Ausgabe der bestimmten Subjektkernkörpertemperatur als eine wahrnehmbare Ausgabe und ein Ausgangssignal zu erzeugen.
Bei noch einer anderen Ausführungsform erfolgt die Bestimmung der Subjektkernkörpertemperatur gemäß der Gleichung: $T_{B} = T_{1} + \frac{(T_{1} - T_{2}) (T_{1} - T_{3})}{K (T_{2} - T_{4}) - (T_{1} - T_{2})},$
wobei:

T_B die Subjektkernkörpertemperatur ist;
T₁ die erste detektierte Temperatur an der ersten Seite des Isolators ist;
T₂ die zweite detektierte Temperatur an der ersten Seite des Isolators ist;
T₃ die erste detektierte Temperatur an der zweiten Seite des Isolators ist;
T₄ die zweite detektierte Temperatur an der zweiten Seite des Isolators ist; und
K der erste Wärmewiderstand, dividiert durch den zweiten Wärmewiderstand ist.

Bei einigen Ausführungsformen beinhaltet der mindestens eine Temperatursensor einen Dopplersensor.
Bei weiteren Ausführungsformen beinhaltet der mindestens eine Temperatursensor einen ersten Temperatursensor auf der ersten Seite des Isolators und einen zweiten Temperatursensor auf der zweiten Seite des Isolators.
Bei einer anderen Ausführungsform des Temperaturerfassungssystems enthält der Isolator mindestens ein komprimierbares Element und mindestens eine Vorspannungsstruktur. Der Prozessor ist dazu konfiguriert, die Vorspannungsstruktur dahingehend zu betreiben, selektiv eine Vorspannkraft, die das mindestens eine komprimierbare Element komprimiert, auszuüben.
Bei einigen Ausführungsformen enthält die mindestens eine Vorspannungsstruktur ein piezoelektrisches Element.
Bei einer anderen Ausführungsform gemäß der Offenbarung enthält der Isolator mindestens einen MEMS-Schalter, der dazu konfiguriert ist, in einem geschlossenen Zustand Wärme zwischen der ersten und der zweiten Seite des Isolators zu leiten.
Der Isolator kann bei einigen Ausführungsformen mehrere Sicherungen und mehrere Strukturen mit geringer Wärmeleitfähigkeit enthalten, wobei die mehreren Sicherungen und mehreren Strukturen mit geringer Wärmeleitfähigkeit parallel zueinander angeordnet sind.
Bei einer anderen Ausführungsform gemäß der Offenbarung umfasst ein Verfahren zum Betreiben eines Temperaturerfassungssystems: Steuern eines Wärmewiderstands eines Isolators des Temperaturerfassungssystems zum Ändern eines ersten Wärmewiderstands zu einem zweiten Wärmewiderstand; Erfassen einer Temperatur einer ersten Seite des Isolators und einer zweiten Seite des Isolators, wenn sich der Isolator auf dem ersten Wärmewiderstand befindet und wenn sich der Isolator auf dem zweiten Wärmewiderstand befindet; und Bestimmen einer Subjektkernkörpertemperatur basierend auf den erfassten Temperaturen.
Bei einer Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner Erzeugen einer Ausgabe der bestimmten Subjektkernkörpertemperatur als eine wahrnehmbare Ausgabe oder ein Ausgangssignal.
Bei einer weiteren Ausführungsform gemäß der Offenbarung erfolgt das Bestimmen der Subjektkernkörpertemperatur gemäß der Gleichung: $T_{B} = T_{1} + \frac{(T_{1} - T_{2}) (T_{1} - T_{3})}{K (T_{2} - T_{4}) - (T_{1} - T_{2})},$
wobei:

T_B die Subjektkernkörpertemperatur ist;
T₁ ein erster Temperaturmesswert an der ersten Seite des Isolators ist, wenn sich der Isolator auf dem ersten Wärmewiderstand befindet;
T₂ ein zweiter Temperaturmesswert an der ersten Seite des Isolators ist, wenn sich der Isolator auf dem zweiten Wärmewiderstand befindet;
T₃ ein dritter Temperaturmesswert an der zweiten Seite des Isolators ist, wenn sich der Isolator auf dem ersten Wärmewiderstand befindet;
T₄ ein vierter Temperaturmesswert an der zweiten Seite des Isolators ist, wenn sich der Isolator auf dem zweiten Wärmewiderstand befindet; und
K der erste Wärmewiderstand, dividiert durch den zweiten Wärmewiderstand ist.

Bei einer anderen Ausführungsform des Verfahrens beinhaltet das Betreiben des Isolators zum Ändern des Wärmewiderstands Betreiben mindestens eines piezoelektrischen Elements zum Ausüben einer Vorspannkraft, die mindestens ein komprimierbares Element komprimiert, um den Wärmewiderstand des Isolators zu ändern.
Bei einigen Ausführungsformen beinhaltet das Betreiben des Isolators zum Ändern des Wärmewiderstands Aktivieren mindestens eines MEMS-Schalters in dem Isolator, wobei der MEMS-Schalter dazu konfiguriert ist, in einem geschlossenen Zustand Wärme zwischen der ersten und der zweiten Seite des Isolators zu leiten.
Bei einer weiteren Ausführungsform beinhaltet das Betreiben des Isolators zum Ändern des Wärmewiderstands Anlegen einer elektrischen Ladung an mindestens eine Sicherung in dem Isolator, um die mindestens eine Sicherung zumindest teilweise zu zerstören und die Wärmeleitfähigkeit des Isolators zu ändern.
Bei einer Ausführungsform gemäß der Offenbarung umfasst ein Temperaturfühler einen Isolator mit einem Wärmewiderstand, wobei der Isolator so konfiguriert ist, dass der Wärmewiderstand von einem ersten vorbestimmten Wert auf einen zweiten vorbestimmten Wert steuerbar ist; und mindestens einen Temperatursensor, der dazu konfiguriert ist, eine erste Temperatur an einer ersten Seite des Isolators und eine zweite Temperatur an einer zweiten, gegenüberliegenden Seite des Isolators zu erfassen.
Bei noch einer anderen Ausführungsform des Temperaturfühlers enthält der Isolator mindestens ein komprimierbares Element und mindestens ein piezoelektrisches Element und ist das piezoelektrische Element dazu konfiguriert, selektiv eine Vorspannkraft, die das mindestens eine komprimierbare Element komprimiert, auszuüben.
Bei einigen Ausführungsformen enthält der Isolator mindestens einen MEMS-Schalter, der dazu konfiguriert ist, in einem geschlossenen Zustand Wärme zwischen der ersten und zweiten Seite des Isolators zu leiten.
Bei weiteren Ausführungsformen enthält der Isolator mehrere Sicherungen und mehrere Strukturen mit geringer Wärmeleitfähigkeit, wobei die mehreren Sicherungen und mehreren Strukturen mit geringer Wärmeleitfähigkeit parallel zueinander angeordnet sind.
Figurenliste

1 ist eine schematische Darstellung von Wärmefluss durch die Haut und einen befestigten Dopplersensor.
2 ist eine schematische Darstellung von zwei Sensoren, die an der Haut befestigt sind, und des Wärmeflusses durch die Haut und die Sensoren.
3 ist eine schematische Darstellung einer Temperaturfühleranordnung, bei der eine Schicht mit einem variablen Wärmewiderstand zwischen zwei Temperatursensoren angeordnet ist.
4A ist eine schematische Darstellung einer Temperaturfühleranordnung, bei der eine Schicht mit einem variablen Wärmewiderstand an einem Dopplersensor positioniert ist.
4B ist eine schematische Darstellung einer Temperaturfühleranordnung, bei der eine Schicht mit einem variablen Wärmewiderstand zwischen einem Dopplersensor und der Haut positioniert ist.
5 ist eine schematische Darstellung der Temperaturfühleranordnung von 4A, bei der die Schicht mit einem variablen Wärmewiderstand, die an einem Dopplersensor positioniert ist, ein piezoelektrisches Element und mehrere komprimierbare Elemente enthält.
6 zeigt mehrere potenzielle Formen der mehreren komprimierbaren Elemente von 5.
7 ist eine schematische Darstellung der Temperaturfühleranordnung von 5, bei der die komprimierbaren Elemente mehrere zylindrische Elemente in einem minimal komprimierten oder nicht komprimierten Zustand beinhalten.
8 ist eine schematische Darstellung der Temperaturfühleranordnung von 7, bei der sich die komprimierbaren Elemente in einem komprimierten Zustand befinden.
9 ist eine schematische Darstellung der Temperaturfühleranordnung von 5, bei der die komprimierbaren Elemente mehrere Trapezprismen in einem minimal komprimierten oder nicht komprimierten Zustand beinhalten.
10 ist eine schematische Darstellung der Temperaturfühleranordnung von 9, bei der sich die komprimierbaren Elemente in einem komprimierten Zustand befinden.
11A stellt eine Seitenansicht einer perspektivischen Vorderansicht eines Dreiecksprismas zur Verwendung in der Temperaturfühleranordnung von 5, das in n Differenzialelemente unterteilt ist, dar.
11B stellt schematisch die Differenzialelemente des Dreiecksprismas von 11A dar, wobei die Wärmewiderstände der Differenzialelemente gezeigt sind.
11C stellt eine Seitenansicht des Dreiecksprismas von 11A dar, das um eine Kompressionsstrecke Δh komprimiert ist, und zeigt den komprimierten Teil, der konzeptionell den verbleibenden Differenzialsegmenten in dem komprimierten Prisma hinzugefügt ist.
12 ist ein Schaubild des normalisierten Wärmewiderstands von Pyramiden über einen Bereich von Komprimierungsprozentanteilen.
13 ist eine schematische Darstellung der Temperaturfühleranordnung von 4A, bei der die Schicht mit einem variablen Wärmewiderstand einen MEMS-Schalter enthält, der als ein Balken ausgebildet ist, welcher eine geschlossene thermische Verbindung erzeugt.
14 ist eine schematische Darstellung der Temperaturfühleranordnung von 13, bei der der MEMS-Schalter die thermische Verbindung unterbricht.
15 ist eine schematische Darstellung der Temperaturfühleranordnung von 4A, bei der die Schicht mit einem variablen Wärmewiderstand einen MEMS-Schalter enthält, der als eine Klappe ausgebildet ist, die eine geschlossene thermische Verbindung erzeugt.
16 ist eine schematische Darstellung der Temperaturfühleranordnung von 15, bei der der MEMS-Schalter die thermische Verbindung unterbricht.
17 ist eine schematische Darstellung der Temperaturfühleranordnung von 4A, bei der die Schicht mit einem variablen Wärmewiderstand mehrere Sicherungen enthält.
18 ist eine schematische Darstellung der Temperaturfühleranordnung von 17, wobei die mehreren Sicherungen zerstört worden sind.
19 ist eine schematische Darstellung eines Temperaturerfassungssystems, das die Temperaturfühleranordnung einer der 3-5, 7-10 und 13-18 enthält.
20 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Bestimmung der Körperkerntemperatur eines Subjekts unter Verwendung einer der Temperaturfühleranordnungen der 3-5, 7-10 und 13-18.

Detaillierte Beschreibung
Zum besseren Verständnis der Grundzüge der hier beschriebenen Ausführungsformen wird nunmehr auf die Zeichnungen und Beschreibungen in der folgenden schriftlichen Beschreibung Bezug genommen. Durch die Bezugnahmen ist keine Einschränkung des Schutzumfangs des Erfindungsgegenstands beabsichtigt. Die vorliegende Offenbarung beinhaltet ferner jegliche Änderungen und Modifikationen an den dargestellten Ausführungsformen und beinhaltet ferner weitere Anwendungen der Grundzüge der beschriebenen Ausführungsformen, die normalerweise für einen Fachmann auf dem Gebiet, auf das sich diese Schrift bezieht, ersichtlich sein würden.
Verschiedene Operationen können der Reihe nach als mehrere diskrete Handlungen oder Operationen beschrieben werden, auf eine Weise, die beim Verständnis des beanspruchten Erfindungsgegenstands am hilfreichsten ist. Die Reihenfolge der Beschreibung sollte jedoch nicht so ausgelegt werden, dass diese Operationen notwendigerweise von der Reihenfolge abhängig sind. Insbesondere werden diese Operationen möglicherweise nicht in der Reihenfolge der Darbietung ausgeführt. Beschriebene Operationen können in einer anderen Reihenfolge als bei der beschriebenen Ausführungsform ausgeführt werden. Verschiedene zusätzliche Operationen können durchgeführt werden, und/oder beschriebene Operationen können bei zusätzlichen Ausführungsformen weggelassen werden.
Die Ausdrücke „umfassen“, „enthalten“, „aufweisen“, und dergleichen, wie sie bezüglich Ausführungsformen der Offenbarung verwendet werden, sind Synonyme. Wie hierin verwendet, bezieht sich der Ausdruck „ca.“ auf Werte, die innerhalb von +20% des Bezugswerts liegen.
Wie in 1 dargestellt ist, kann die Körperkerntemperatur eines Menschen oder Tieres (hier kollektiv als ein „Subjekt“) bezeichnet, mit einem Dopplersensor 100, der auf der Hautoberfläche 20 des Körpers 24 platziert ist, unter Verwendung des Doppelwärmeflussverfahrens bestimmt werden. Bei dem Doppelwärmeflussverfahren werden zwei Temperatursensormesswerte verwendet, T_U und T_S, von denen einer auf jeder Seite einer Isolierschicht 104 des Sensors 100 abgelesen wird. Der Sensor 100 ist so auf der Hautoberfläche 20 platziert, dass die Temperatur T_S zwischen der Hautoberfläche 20 und der Isolierschicht 104 sowie die Temperatur T_U auf der Oberseite 108 der Isolierschicht 104 gemessen wird. Es wird angenommen, dass von dem Körperkem oder tiefen Körpergewebe 28 zu der Oberseite 108 des Sensors 100 ein konstanter vertikaler Wärmefluss I vorliegt. Somit ist der Wärmefluss durch den Sensor 100 der gleiche wie der Wärmefluss durch die Haut und das Unterhautgewebe 32 unter dem Sensor. Der Wärmefluss durch den Dopplersensor kann basierend auf dem Fourier'schen Gesetz berechnet werden: $I = \frac{T_{S} - T_{U}}{R_{I}},$
wobei

I =: Wärmefluss oder Wärmeübertragungsrate
T_S =: Temperatur zwischen der Haut 32 und der Isolierschicht 104
T_U =: Temperatur an der Oberseite 108 der Isolierschicht 104 und
R_I =: Wärmewiderstand der Isolierschicht 104.

Ebenso kann der Wärmefluss durch die Hautschicht 32 unter dem Sensor 100 wie folgt berechnet werden: $I = \frac{T_{B} - T_{S}}{R_{S}},$
wobei:

T_B =: Körperkerntemperatur des tiefen Körpergewebes 28 und
R_S =: Wärmewiderstand der Hautschicht 32.

Da der Wärmefluss I durch den Sensor 100 der gleiche ist wie der Wärmefluss I durch die Hautschicht 32 unter dem Sensor 100, können diese beiden Gleichungen kombiniert werden, und die Körperkerntemperatur T_B kann mit der folgenden Gleichung berechnet werden: $T_{B} = T_{S} + \frac{(T_{S} - T_{U}) R_{S}}{R_{1}}$
Die Körperkerntemperatur T_B kann dann bestimmt werden, wenn der Wärmewiderstand R_S der Hautschicht 32 bekannt ist. Die thermischen Eigenschaften, insbesondere der Wärmewiderstand R_S, von menschlicher Haut sind jedoch sehr schwer genau zu bestimmen. Darüber hinaus gibt es eine große Varianz bei den thermischen Eigenschaften für jeden einzelnen Menschen oder jedes einzelne Tier und für verschiedene Stellen auf dem Körper. Somit kann zur Bereitstellung einer genauen Bestimmung der Körperkerntemperatur T_B keine generische Annäherung des Wärmewiderstands R_S der Hautschicht 32 verwendet werden.
Um den Wärmewiderstand der Haut aus der Bestimmung herauszunehmen, ist in 2 ein System dargestellt, das zwei Sensoren 140, 160 mit verschiedenen Höhen und daher verschiedenen Wärmewiderstandswerten R₁, R₂ aufweist. Die beiden Sensoren 140, 160 sind nahe beieinander auf der Haut 32 platziert und messen aufgrund der verschiedenen Wärmewiderstandswerte R₁, R₂ der Sensoren 140, 160 verschiedene Temperaturen T₁, T₂. Darüber hinaus wird angenommen, dass, da die Sensoren 140, 160 nahe beieinander platziert sind, der Wärmewiderstand R_S der Hautschicht 32 unter jedem der Sensoren 140, 160 der gleiche ist. Die Körperkerntemperatur T_B kann dann mit den folgenden Gleichungen berechnet werden: $T_{B} = T_{1} + \frac{(T_{1} - T_{3}) R_{S}}{R_{1}}$
und $T_{B} = T_{2} + \frac{(T_{2} - T_{4}) R_{S}}{R_{2}},$
wobei T₁ und T₂ die unteren oder Hautoberflächentemperaturen sind, die durch den ersten bzw. zweiten Sensor 140, 160 gemessen werden, und T₃ und T₄ die oberen Oberflächentemperaturen auf der gegenüberliegenden Seite der Isolierschichten des ersten bzw. zweiten Sensors 140, 160 sind.
Die letzten beiden Gleichungen können zu der folgenden Gleichung kombiniert werden: $T_{B} = T_{1} + \frac{(T_{1} - T_{2}) (T_{1} - T_{3})}{K (T_{2} - T_{4}) - (T_{1} - T_{2})},$
wobei $K = \frac{R_{1}}{R_{2}} .$
Daher kann die Körperkerntemperatur T_B ohne Kenntnis der thermischen Eigenschaften, insbesondere des Wärmewiderstands (R_S) der Hautschicht 32, bestimmt werden. Für eine genaue Bestimmung der Körperkerntemperatur T_B müssen jedoch die Wärmewiderstandswerte R₁, R₂ beider Sensoren 140, 160 bekannt sein, oder der Faktor K muss durch Kalibrieren der Sensoren 140, 160 bestimmt werden. Des Weiteren müssen die Sensoren nahe genug beieinander sein, so dass die Annahme, dass der Wärmewiderstand der Haut gleich ist, gültig bleibt.
3 stellt eine Ausführungsform gemäß der Offenbarung eines Temperaturfühlers 200 mit Temperatursensoren 204, 206 auf gegenüberliegenden Seiten einer Isolierschicht 208 dar, die einen Wärmewiderstand hat, der zwischen mindestens zwei bekannten Werten geändert werden kann. Somit können die anfänglichen Temperaturen T₁ und T₃ mit einem bekannten Wärmewiderstand R₁ gemessen werden, während die zweiten Temperaturmessungen T₂ und T₄ mit einem bekannten Wärmewiderstand R₂ erfolgen können. Somit sind alle Parameter für die tiefe Kernkörpertemperatur bekannt, und die tiefe Kernkörpertemperatur kann durch Verwendung des Doppelwärmeflussverfahrens mit hoher Genauigkeit für das Subjekt berechnet werden. Die Temperatursensoren 204, 206 können zum Beispiel Thermoelemente, Widerstandstemperaturdetektoren (RTDs, RTD - resistance temperature detector), Thermistoren mit negativem Temperaturkoeffizienten (NTC-Thermistoren, NTC - negative temperature coefficient), IC-Halbleitertemperatursensoren (IC - integrated circuit/integrierte Schaltung) auf Diodenbasis oder irgendein anderer gewünschter Temperatursensor sein.
4A stellt eine Ausführungsform gemäß der Offenbarung eines Temperaturfühlers 200A dar, bei der ein Dopplersensor 204A zwischen der Haut 32 und einer Isolierschicht 208 mit einem Wärmewiderstand, der zwischen mindestens zwei bekannten Werten geändert werden kann, positioniert ist. Bei der Ausführungsform von 4A ist die Isolierschicht 208 auf der Seite des Dopplersensors 204 gegenüber der Oberfläche 20 der Haut 32 positioniert. Der Dopplersensor 204A stellt Temperaturmesswerte sowohl an der Hautoberfläche 20 als auch an der gegenüberliegenden Seite der Isolierschicht 208 bereit. Der Dopplersensor kann zum Beispiel Sensorschaltungen oder Temperaturleitungen sowohl an der Hautoberfläche 20 als auch an der gegenüberliegenden Seite der Isolierschicht 208 enthalten.
Bei einer anderen Ausführungsform eines Temperaturfühlers 200B, die in 4B dargestellt ist, ist die Isolierschicht 208 zwischen der Oberfläche 20 der Haut 32 und dem Dopplersensor 204B angeordnet. Obgleich die nachfolgend offenbarten Temperaturfühler alle mit der Isolierschicht auf der Seite des Dopplersensors gegenüber der Oberfläche der Haut, wie in 4A, beschrieben sind, sollte für den Leser auf der Hand liegen, dass alle offenbarten Temperaturfühler auch wie in 3 mit den Temperatursensoren 204, 206 über und unter der Isolierschicht, oder wie in 4B, so dass die Isolierschicht zwischen der Oberfläche der Haut und dem Dopplersensor 204B angeordnet ist, konfiguriert sein können.
5 stellt eine Ausführungsform des Temperaturfühlers 240 dar, bei der die Isolierschicht 208 eine Vorspannungsstruktur, zum Beispiel ein piezoelektrisches Element 244, und mindestens ein elastisch komprimierbares Element 248, das in einer Schicht über dem piezoelektrischen Element 244 angeordnet ist, enthält. Das komprimierbare Element 248 ist so konfiguriert, dass eine Ausdehnung des piezoelektrischen Elements 244 eine nicht zu vernachlässigende Kompression mindestens eines Teils des komprimierbaren Elements 248 verursacht, um den Wärmewiderstand des komprimierbaren Elements 248 zu ändern. Umgekehrt dehnt sich bei Kontraktion des piezoelektrischen Elements 244 mindestens ein Teil des komprimierbaren Elements 248 elastisch in den durch die Kontraktion des piezoelektrischen Elements 244 freigewordenen Raum aus.
Wie in 6 dargestellt ist, können die komprimierbaren Elemente 248 zum Beispiel Kugeln 248A, Würfel 248B, Quader 248C, Zylinder 248D, Sechseckprismen 248E, Kegel 248F, quadratische oder dreieckige Pyramiden 248G bzw. 248H, Dreiecksprismen 248I oder irgendein(e) andere(s) geeignete(s) Prisma oder Form oder eine Kombination der oben beschriebenen Elemente sein.
Für den Leser sollte auf der Hand liegen, dass die Ausführungsformen mit komprimierbaren Elementen nicht auf piezoelektrische Elemente als die Vorspannungsstruktur beschränkt sind. Zum Beispiel kann die Vorspannungsstruktur bei einigen Ausführungsformen Ändern des Maßes des Elements, zum Beispiel des Joule-Effekts, eine druckbeaufschlagte Blase, druckbeaufschlagte Luft oder ein anderes druckbeaufschlagtes Fluid, einen Elektromotor, einen Elektromagneten und eine entsprechende magnetische Struktur oder irgendeine andere gewünschte steuerbare Vorspannungsstruktur beinhalten.
Die 7 und 8 stellen ein Beispiel für einen Temperaturfühler 240A mit zylindrischen komprimierbaren Elementen 248D dar. Der Temperaturfühler 240A weist einen Dopplersensor 204A und einen Wärmeisolator 208, der ein piezoelektrisches Element und mehrere komprimierbare Zylinder 248D, die in einer Schicht auf dem piezoelektrischen Element 244 angeordnet sind, umfasst.
Wie in den 7 und 8 dargestellt ist, ist das piezoelektrische Element 244 so konfiguriert, dass ein Anlegen einer Spannung an das piezoelektrische Element 244 ein Ausdehnen des piezoelektrischen Elements 244 bewirkt, während die Gesamthöhe h des Temperaturfühlers 240A konstant bleibt. Infolgedessen komprimiert das Ausdehnen des piezoelektrischen Elements 244 die komprimierbaren Elemente 248D. Nach dem Ausdehnen des piezoelektrischen Elements 244 vergrößert sich die Kontaktfläche der komprimierbaren Elemente 248D mit der Oberseite des piezoelektrischen Elements 244 und der Oberseite des Temperaturfühlers 240A. Dies führt zu einer Verringerung des Wärmewiderstands der komprimierbaren Elemente 248D, wodurch der Gesamtwärmewiderstand des kombinierten Stapels des piezoelektrischen Elements 244 und der komprimierbaren Elemente 248D reduziert wird.
Nach dem Entfernen der Spannung von dem piezoelektrischen Elements 244 zieht sich das piezoelektrische Element 244 wieder zu der in 7 dargestellten Position zusammen, wodurch gestattet wird, dass sich die komprimierbaren Elemente 248D elastisch zu ihren Anfangszuständen ausdehnen. Infolgedessen kann der Temperaturfühler 240A dann dazu verwendet werden, einen weiteren Satz von Temperaturmesswerten zu erstellen.
Bei einigen Ausführungsformen können die komprimierbaren Elemente 248D in einem Anfangszustand komprimiert werden, und die piezoelektrischen Elemente 248D können in dem Anfangszustand (das heißt in dem Zustand von 8) ausgedehnt werden. Das piezoelektrische Element 244 kann dazu konfiguriert sein, sich zusammenzuziehen, wodurch gestattet wird, dass sich die komprimierbaren Elemente (zu dem Zustand von 7) ausdehnen. Wie hierin verwendet, beinhaltet somit der Begriff „komprimierbare Elemente“ ausdehnbare Elemente, die in einem komprimierten Zustand beginnen.
Die 9 und 10 stellen eine andere Ausführungsform eines Temperaturfühlers 240B dar, bei dem die komprimierbaren Elemente als Trapezprismen 248J, die in einer Schicht angeordnet sind, gebildet sind. Wie in 10 zu sehen ist, bewirkt, im komprimierten Zustand, das Ausdehnen des piezoelektrischen Elements 244, dass die Trapezprismen 248J größere Kontaktflächen mit der Oberseite des piezoelektrischen Elements 244 und der Oberseite des Temperaturfühlers 240B haben, wodurch der Wärmewiderstand des Temperaturfühlers 240B verringert wird. Ähnlich wie bei dem Temperaturfühler 240A gestattet das Entfernen der Spannung von dem piezoelektrischen Element 244, dass sich die Trapezprismen 248J in ihren Anfangszustand, wie in 9 dargestellt ist, zurück ausdehnen, um die Wiederverwendung des Temperaturfühlers zu ermöglichen.
Die 11A-11E stellen die Beziehung zwischen Kompression und Wärmewiderstand eines Dreiecksprismas dar. Eine integrale Annäherung wird verwendet, um die Form des komprimierten Prismas und den sich ergebenden Wärmewiderstand wie folgt zu berechnen. Der Wärmewiderstand eines Quaders kann mit der folgenden Gleichung berechnet werden: $R_{t h} = \frac{l}{k \cdot A},$
wobei:

Rth =: Wärmewiderstand,
1 =: Länge,
k =: Wärmeleitfähigkeit und
A =: Fläche.

Um den Wärmewiderstand eines Dreiecksprismas 300 zu berechnen, wird das Prisma 300 in n Quader 304A, 304B, ... , 304n, wie in 11A dargestellt ist, unterteilt, die jeweils eine Höhe Δy, eine Breite Δx und eine Tiefe d aufweisen (11A-11C). Der Wärmewiderstand R_th,A, R_th,B,... R_th,n jedes jeweiligen Quaders 304A, 304B, ... , 304n wird unter Verwendung der folgenden Gleichung berechnet: $R_{t h, n} = \frac{Δ y}{k \cdot A_{n}},$
wobei k eine Wärmeleitfähigkeitskonstante ist und A_n = d (Prismatiefe) · Δx_n (Breite des Segments) ist.
Der Gesamtwärmewiderstand R_th des Dreiecksprismas 300 ist die Summe aller Quader $R_{t h} = \sum_{1}^{n} R_{t h, n}$
(11B).
Für die Berechnung des Wärmewiderstands eines komprimierten Dreiecksprismas 300, in 11D dargestellt, ändern sich die geschätzten Werte aufgrund der Kompression des Prismas 300. Da das Dreiecksprisma 300 komprimiert wird, ist die Höhe des Prismas um Δh reduziert, und das Prisma 300 hat nunmehr weniger Höhensegmente Δy. Das Volumen der Teile des Prismas 300 in der Kompressionsstrecke wird den unteren Bereichen hinzugefügt, wie in 11E dargestellt ist, so dass das Gesamtvolumen des Prismas 300 das gleiche bleibt.
Für n → ∞ und ohne Kompression, würde der gemäß dieser Gleichung berechnete Wärmewiderstand unendlich sein. Somit muss das Dreiecksprisma zumindest leicht komprimiert sein, damit das Differenzialmodell funktioniert. In diesem veranschaulichenden Beispiel wird das Prisma für die so genannte „nicht komprimierte“ Berechnung des Wärmewiderstands als im Anfangszustand um ca. 10% komprimiert betrachtet. Mit zunehmender Kompressionsstrecke Δh nimmt der Wärmewiderstand ab.
Um den Wärmewiderstand des Temperaturfühlers 200, 200A, 200B, 240, 240A, 240B um einen bestimmten Prozentanteil zu ändern, müssen die Verhältnisse des Wärmewiderstands für jede Schicht bekannt sein. Wenn zum Beispiel der Wärmewiderstand der Dreiecksprismen (R_th,p) um das Dreifache größer als der Wärmewiderstand des piezoelektrischen Elements und des Dopplersensors zusammen ist (R_th,s), muss der Wärmewiderstand der komprimierten Elemente um 66% kleiner sein, um eine Gesamtverringerung von 50% des Wärmewiderstands des gesamten Stapels zu erreichen. Wie in der folgenden Berechnung dargestellt ist, bedeutet dies, dass die Elemente um ca. 40% komprimiert werden, um die Verringerung des Wärmewiderstands um die 50% zu erreichen.
In dem nicht komprimierten Zustand: $R_{t h, s} = R_{t h,1} und R_{t h, p 1} = 3 \cdot R_{t h,1}$
$R_{t h, t o t 1} = R_{t h, p 1} + R_{t h, s} = 4 \cdot R_{t h,1} .$
Im komprimierten Zustand: $R_{t h, p 2} = 33 % * 3 \cdot R_{t h,1} = R_{t h,1}$
$R_{t h, t o t 2} = R_{t h, p 2} + R_{t h, s} = 2 \cdot R_{t h,1} .$
Somit: $R_{t h, t o t 2} = \frac{1}{2} \cdot R_{t h, t o t 1} .$
Bei einigen Ausführungsformen ist der Wärmewiderstand der komprimierbaren Elemente um ein Mehrfaches größer (das heißt ca. um das Dreifache bis ca. das Zwanzigfache größer) als der kombinierte Wärmewiderstand des piezoelektrischen Elements und des Dopplersensors. Infolgedessen ändert eine Änderung des Wärmewiderstands der komprimierbaren Elemente den Wärmewiderstand des Temperaturfühlers 200, 200A, 200B, 240, 240A, 240B um ein relativ großes Ausmaß, wodurch ermöglicht wird, dass das Doppelwärmeflussverfahren die Körperkerntemperatur basierend auf der Hauttemperatur genau bestimmt. 12 stellt ein Schaubild des normalisierten Wärmewiderstands der Pyramiden über einen Bereich von Kompressionsstrecken dar.
Die komprimierbaren Elemente können aus irgendeinem geeigneten komprimierbaren und flexiblen Material gebildet sein. Die komprimierbaren Elemente können fest oder hohl mit Luft innen sein. Bei einer Ausführungsform sind die komprimierbaren Elemente aus Kautschuk oder Polymer gebildet. Bei einer anderen Ausführungsform sind die komprimierbaren Elemente aus einem Metall und aus Kautschuk und/oder Polymer gebildet. Bei anderen Ausführungsformen sind die komprimierbaren Elemente aus einem komprimierbaren und flexiblen Material, das mit einer Metallbeschichtung beschichtet ist, gebildet.
Obgleich die obigen Ausführungsformen unter Bezugnahme allein auf ein piezoelektrisches Element beschrieben werden, sollte für den Leser auf der Hand liegen, dass der Sensor bei anderen Ausführungsformen mehrere piezoelektrische Elemente enthalten kann, die aufeinander gestapelt sind, in einem Array angeordnet sind und/oder parallel zueinander angeordnet sind.
Die 13 und 14 stellen eine andere Ausführungsform eines Temperaturfühlers 300 zum Bestimmen der Körperkerntemperatur durch Erfassen der Temperatur an der Oberfläche 20 der Haut 24 eines Subjekts dar. Der Sensor beinhaltet einen Dopplersensor 204A und einen MEMS-Schalter 304 (MEMS: micro-electro-mechanical system/mikroelektromechanisches System), der als eine zwischen dem Dopplersensor 204A und der Oberseite 308 des Gehäuses 312 des Temperaturfühlers 300 positionierte Isolierschicht konfiguriert ist. Der MEMS-Schalter 304 wird dazu verwendet, den Wärmewiderstand des Temperaturfühlers 300 zwischen einem Zustand mit niedrigem Wärmewiderstand, in dem sich der MEMS-Schalter 304 mit der Oberseite 308 des Temperaturfühlers 300 in Kontakt befindet, um einen thermischen Pfad zwischen der Oberseite 308 und der Unterseite zu bilden (13), und einem Zustand mit höherem Wärmewiderstand, in dem der MEMS-Schalter 304 nicht mit der Oberseite 308 des Temperaturfühlers 300 in Kontakt ist und deshalb keinen thermischen Pfad (oder einen thermischen Pfad mit einem signifikant höheren Widerstand durch den Luftspalt oder die Seitenwände) zwischen der Oberseite 308 und der Unterseite des Temperaturfühlers 300 hat (14), zu ändern.
Um zu gewährleisten, dass der MEMS-Schalter 304 den Wärmewiderstand des Temperaturfühlers 300 adäquat ändert, wenn der Schalter den thermischen Kontakt zwischen der oberen und der unteren Wand unterbricht, weisen die Seitenwände des Gehäuses 312 einen hohen Wärmewiderstand auf. Der MEMS-Schalter 304 weist im Vergleich zu den Seitenwänden des Gehäuses 312 einen relativ niedrigen Wärmewiderstand auf. Bei einigen Ausführungsformen enthält der MEMS-Schalter 304 zum Beispiel eine flexible Metallbeschichtung.
Der MEMS-Schalter 304 kann irgendein geeignetes Material beinhalten, das Kontakt zwischen der oberen und der unteren Wand erzeugen und unterbrechen kann, zum Beispiel ein elektroaktives Polymer, das sich bei Anlegen oder Entfernen einer elektrischen Spannung bewegt. Bei anderen Ausführungsformen kann der MEMS-Schalter 304 elektromagnetisch, piezoelektrisch, thermisch aktiviert oder elektrostatisch sein.
Die 15 und 16 stellen eine andere Ausführungsform des Temperaturfühlers 300A dar. Der Temperaturfühler 300A ist mit dem in den 12 und 13 dargestellten Temperaturfühler 300 im Wesentlichen identisch, außer dass der MEMS-Schalter 304A als eine Klappe anstatt eines Balkens ausgebildet ist. Für den Leser sollte auf der Hand liegen, dass der MEMS-Schalter irgendeine geeignete Form aufweisen kann.
Die 17 und 18 stellen eine andere Ausführungsform eines Temperaturfühlers 340 zum Detektieren der Kernkörpertemperatur eines Menschen oder eines Tieres dar. Der Temperaturfühler 340 enthält eine Isolierschicht 344, die Sicherungen 348 und Elemente 352 mit geringer Wärmeleitfähigkeit bezüglich der am Dopplersensor 204A angeordneten Sicherungen umfasst. Die Sicherungen 348 stellen eine thermische Verbindung zwischen der Oberseite 356 und der Unterseite 360 der Isolierschicht 344 bereit (siehe 17). Zwischen zwei Temperaturmessungen wird mindestens eine der Sicherungen 348 vollständig oder teilweise entfernt oder zerstört. Somit besteht eine geringere thermische Verbindung zwischen der Oberseite 356 und der Unterseite 360 der Isolierschicht 344, und der Wärmewiderstand der Isolierschicht 344 nimmt daher zu. Bei Ausführungsformen, bei denen die Sicherungen 348 teilweise zerstört werden, kann der Prozess wiederholt werden, bis alle Sicherungen 348 zerstört sind, und dann wird der Temperaturfühler 340 entsorgt, oder die Isolierschicht 344 wird ausgetauscht.
Für den Leser sollte auf der Hand liegen, dass sich teilweises Zerstören der Sicherungen 348 auf vollständiges Zerstören einer begrenzten Menge der Sicherungen 348 oder nur teilweises Zerstören aller oder einer Teilmenge der Sicherungen 348, um den Durchmesser jeder Sicherung 348 zu reduzieren und dadurch den Wärmewiderstand zu erhöhen, beziehen kann.
Bei einer Ausführungsform werden die Sicherungen 348 teilweise zerstört, indem die Sicherungen 348 verschiedene Dicken aufweisen. Um die erste Menge der Sicherungen 348 zu zerstören, ist der verwendete Strom vergleichsweise gering. Um die Sicherungen 348 mit einer größeren Dicke zu zerstören, ist der an die Sicherungen angelegte Strom vergleichsweise größer. Vorteilhafterweise können bei solch einer Ausführungsform alle der Sicherungen 348 miteinander verbunden sein.
Bei einer anderen Ausführungsform werden die Sicherungen 348 einzeln zerstört, indem Strom nur an die Sicherungen 348 angelegt wird, die zerstört werden sollen. Bei solch einer Ausführungsform können alle Sicherungen vorteilhafterweise gleichzeitig implementiert werden.
19 ist eine schematische Darstellung eines Temperaturerfassungssystems 400. Das Temperaturerfassungssystem 400 enthält einen Temperaturfühler 404, der eine Schicht mit einer variablen Wärmeleitfähigkeit aufweist. Der Temperaturfühler 404 kann zum Beispiel jegliche der oben beschriebenen Temperaturfühler 200, 200A, 200B, 240, 240A, 240B, 300, 300A, 340 umfassen. Der Temperaturfühler 404 enthält einen oder mehrere Temperatursensoren, die dazu konfiguriert sind, die Temperatur an der Hautschnittstelle und auf der Seite der Schicht mit variabler Leitfähigkeit gegenüber der Haut zu erfassen und die erfassten Temperaturen darstellende elektronische Signale zu erzeugen.
Das Temperaturerfassungssystem 400 enthält ferner einen Prozessor 408, der mit einem Speicher 412 wirkverbunden ist, und bei einigen Ausführungsformen einen Transceiver 416 und/oder ein Display 420. Für den Durchschnittsfachmann liegt auf der Hand, dass ein „Prozessor“ irgendein Hardwaresystem, irgendein Hardwaremechanismus oder irgendeine Hardwarekomponente sein kann, das bzw. der oder die Daten, Signale oder andere Informationen verarbeitet. Der Prozessor 408 kann ein System mit einer zentralen Verarbeitungseinheit, mehreren Verarbeitungseinheiten, eigens vorgesehenen Schaltungsanordnungen zum Erreichen der Funktionalität oder andere Systeme enthalten.
Der Speicher 412 kann eine beliebige Art von Vorrichtung sein, die Informationen speichern kann, die für den Prozessor 408 zugänglich sind, wie zum Beispiel beschreibbare Speicher, Nurlesespeicher, eine Speicherkarte, ROM, RAM, Festplattenlaufwerke, Disks, Flash-Speicher oder ein anderes computerlesbares Medium. Der Speicher 412 ist dazu konfiguriert, Programmanweisungen zu speichern, die bei Ausführung durch den Prozessor 408 dem Temperaturerfassungssystem 400 ermöglichen, die Kerntemperatur eines Objekts durch Durchführen von zwei Temperaturmessungen, zwischen denen die Wärmeleitfähigkeit des Temperaturfühlers 404 geändert wird, zu bestimmen.
Der Transceiver 416 kann zum Beispiel einen WiFi®-Transceiver, einen ZigBee®-Transceiver, einen Z-Wave®-Transceiver, einen Bluetooth®-Transceiver, einen Mobilfunk-Transceiver und/oder einen HF-Transceiver, oder einen anderen Transceiver, der sich zum Senden und Empfangen von Kommunikationssignalen zu und von dem Temperaturerfassungssystem 400 eignet, beinhalten. Bei einigen Ausführungsformen kann der Transceiver dazu konfiguriert sein, die bestimmte Kernkörpertemperatur zu einem Computer, einer Pflegestation, einem tragbaren elektronischen Gerät, wie zum Beispiel einem Mobiltelefon, einem Tablet oder einer Smartwatch, oder irgendeinem gewünschten elektronischen Gerät zu senden.
Das Display 420 ist dazu konfiguriert, eine wahrnehmbare Anzeige der detektierten Kernkörpertemperatur auszugeben. Zum Beispiel kann das Display bei einer Ausführungsform eine Flüssigkristallanzeige (LCD - liquid crystal display), eine oder mehrere Leuchtdioden (LEDs, LED - light emitting diode) oder ein anderes geeignetes Display sein. Bei einigen Ausführungsformen kann das Temperaturerfassungssystem statt des Displays eine hörbare Ausgabevorrichtung, zum Beispiel einen Lautsprecher, haben, um die wahrnehmbare Anzeige als eine hörbare Ausgabe auszugeben. Bei weiteren Ausführungsformen kann die wahrnehmbare Ausgabe eine durch ein Vibrieren oder eine andere haptische Ausgabevorrichtung erzeugte haptische Ausgabe sein. Bei anderen Ausführungsformen weist das Temperaturerfassungssystem kein Display auf und ist stattdessen dazu konfiguriert, die bestimmte Kernkörpertemperatur über zum Beispiel den Transceiver oder über eine drahtgebundene Verbindung statt einer wahrnehmbaren Ausgabe als ein elektronisches Signal auszugeben.
Das Temperaturerfassungssystem 400 kann als eine einzige tragbare Baugruppe mit einigen oder allen der Komponenten 404, 408, 412, 416 und/oder 420, die in einem gemeinsamen Gehäuse (nicht gezeigt) integriert sind, gebildet sein. Bei anderen Ausführungsformen kann der Temperaturfühler 404 von dem Prozessor entfernt sein, und sowohl der Temperaturfühler als auch der Prozessor können Transceiver enthalten, die miteinander kommunizieren, um elektronische Signale zwischen dem Temperaturfühler 404 und dem Prozessor 408 zu leiten. Bei einigen Ausführungsformen können zum Beispiel der Prozessor und der Speicher in einer anderen elektronischen Vorrichtung, zum Beispiel einem Computer, einer Pflegestation oder einem tragbaren elektronischen Gerät, wie zum Beispiel einem Mobiltelefon, einem Tablet oder einer Smartwatch, das über die Transceiver mit dem Temperaturfühler kommuniziert, integriert sein. Bei einigen Ausführungsformen kann/können der Temperaturfühler und/oder das Temperaturerfassungssystem eine Batterie (nicht gezeigt) enthalten, um den Komponenten in dem System elektrische Leistung zuzuführen und eine Übertragbarkeit des Temperaturerfassungssystems und/oder des Fühlers zu ermöglichen.
20 stellt einen Prozess 500 zum Bestimmen der Körperkerntemperatur eines Subjekts unter Verwendung eines der oben beschriebenen Sensoren 200, 200A, 200B, 240, 240A, 240B, 300, 300A, 340 bereit. In der Beschreibung des Verfahrens beziehen sich Aussagen, dass ein Verfahren eine bestimmte Aufgabe oder Funktion durchführt, auf eine Steuerung oder einen Mehrzweckprozessor, die bzw. der programmierte Anweisungen ausführt, welche in nichtflüchtigen computerlesbaren Speichermedien gespeichert sind, die mit der Steuerung oder dem Prozessor wirkverbunden sind, um Daten zu verarbeiten oder eine oder mehrere Komponenten in den Sensoren 200, 200A, 200B, 240, 240B, 300, 300A, 340 oder dem Temperaturerfassungssystem 400 zu bedienen, um die Aufgabe oder die Funktion durchzuführen. Insbesondere kann der oben beschriebene Prozessor 408 des Temperaturerfassungssystems 400 solch ein(e) Steuerung oder Prozessor sein. Alternativ kann die Steuerung oder der Prozessor mit mehr als einen Prozessor und zugehörigen Schaltungsanordnungen und Komponenten implementiert sein, die jeweils dazu konfiguriert sind, eine oder mehrere hier beschriebene Aufgaben oder Funktionen zu bilden. Es versteht sich, dass einige oder alle der Operationen des Verfahrens durch einen Fernserver oder eine Cloud-Verarbeitungsinfrastruktur durchgeführt werden können. Darüber hinaus können die Schritte der Verfahren in irgendeiner machbaren chronologischen Reihenfolge durchgeführt werden, unabhängig von der in den Figuren gezeigten Reihenfolge oder der Reihenfolge, in der die Schritte beschrieben werden.
Der Prozess 500 beginnt durch Einleiten der Kernkörpertemperaturbestimmung (Block 510). Die Temperaturbestimmung kann automatisch eingeleitet werden, wenn der Temperaturfühler auf die Haut des Subjekts platziert wird. Alternativ kann die Temperatur als Reaktion auf eine Benutzereingabe oder zu einem vorgegebenen Zeitpunkt oder in vorgegebenen Zeitintervallen durchgeführt werden.
Wenn die Temperaturbestimmung begonnen hat, fährt der Prozess 500 mit Warten, dass sich die Temperaturen des einen oder der mehreren Sensoren des Temperaturfühlers auf stabile Werte stabilisiert oder ausgeglichen haben, fort (Block 520). Der Prozessor kann dazu konfiguriert sein, eine bestimmte Zeit zu warten, bis sich die Temperaturen stabilisiert haben, oder der Prozessor kann dazu konfiguriert sein, die den Temperaturmesswerten von dem (den) Sensor(en) entsprechende Signale zu überwachen, bis die Werte stabil sind.
Als Nächstes erhält der Prozessor eine erste Temperaturmessung von dem Temperaturfühler (Block 530). Die erste Temperaturmessung beinhaltet Temperaturmesswerte von der Schnittstelle an der Hautoberfläche und den Temperaturmesswert auf der gegenüberliegenden Seite des Isolators von der Hautoberfläche. Wie oben ausführlich besprochen wurde, können die beiden Temperaturmessungen von getrennten Temperatursensoren in dem Temperaturfühler oder durch einen einzigen Dopplersensor in dem Temperaturfühler durchgeführt werden.
Dann betreibt der Prozessor den Sensor, um den Wärmewiderstand in dem Temperaturfühler zu ändern (Block 540). Der Prozessor ändert den Wärmewiderstand, indem er zum Beispiel eine Spannung an das piezoelektrische Element 244 in dem Temperaturfühler anlegt, um zu bewirken, dass sich das piezoelektrische Element 244 ausdehnt oder zusammenzieht, wodurch die komprimierbaren Elemente in dem Temperaturfühler komprimiert werden oder ihr Ausdehnen gestattet wird. Alternativ kann der Prozessor dahingehend betrieben werden, ein Signal an den MEMS-Schalter 304, 304A anzulegen, um zu bewirken, dass sich der MEMS-Schalter 304, 304A verformt, oder einen Strom an die Sicherungen 348 anzulegen, um mindestens eine Sicherung 348 zu zerstören oder teilweise zu zerstören.
Nach dem Warten auf das erneute Stabilisieren der Temperaturen auf ähnliche Weise wie in Block 520 (Block 550) betreibt der Prozessor den Temperaturfühler dahingehend, eine zweite Temperaturmessung zu erhalten (Block 560). Wie bei der ersten Temperaturmessung (Block 530) beinhaltet die zweite Temperaturmessung Temperaturmesswerte von der Schnittstelle an der Hautoberfläche und den Temperaturmesswert auf der gegenüberliegenden Seite des Isolators von der Hautoberfläche.
Schließlich bestimmt der Prozessor die Körperkerntemperatur basierend auf der ersten und der zweiten Temperaturmessung unter Verwendung der Doppelflussgleichung (Block 570): $T_{B} = T_{1} + \frac{(T_{1} - T_{2}) (T_{1} - T_{3})}{K (T_{2} - T_{4}) - (T_{1} - T_{2})},$
wobei $K = \frac{R_{1}}{R_{2}} .$
Die erste Messung erhält Werte für T₁ an der Hautoberfläche und T₃ auf der gegenüberliegenden Seite des Isolators von der Hautoberfläche, während die zweite Messung Werte für T₂ an der Hautoberfläche und T₄ an der gegenüberliegenden Seite des Isolators von der Hautoberfläche erhält. Der anfängliche Wärmewiderstand (R₁) und der geänderte Wärmewiderstand (R₂) sind bekannt, oder das Verhältnis des Wärmewiderstands (K) ist bekannt, basierend auf dem Design der Sensorvorrichtung und den Eigenschaften davon. Infolgedessen kann die Körperkerntemperatur (T_B) berechnet und für einen Benutzer angezeigt oder im Speicher des Prozesses gespeichert werden.
Die offenbarten Sensoranordnungen ermöglichen die Verwendung des Doppelwärmeflussverfahrens, wobei nur ein Doppler-Temperatursensor oder zwei einzelne Temperatursensoren erforderlich sind. Infolgedessen ist eine kleinere und günstigere Implementierung des Systems möglich. Des Weiteren gewährleisten die offenbarten Sensoranordnungen eine verbesserte Sensorgenauigkeit, weil, da die Temperaturmesswerte an dem gleichen Teil der Haut durchgeführt werden, die erforderliche Voraussetzung, dass die Hautschichten unter den Sensoren gleich sind, zwangsweise erfüllt wird.
Es liegt auf der Hand, dass Varianten der oben beschriebenen sowie weitere Merkmale und Funktionen oder Alternativen davon wünschenswerterweise zu vielen anderen verschiedenen Systemen, Anwendungen oder Verfahren kombiniert werden können. Verschiedene derzeit nicht vorhersehbare oder nicht zu erwartende Alternativen, Modifikationen, Variationen oder Verbesserungen können nachträglich von dem Fachmann erstellt werden und sollen auch von der vorhergehenden Offenbarung mit umfasst werden.

Claims

Temperaturerfassungssystem, umfassend: einen Isolator mit einem Wärmewiderstand, der von einem ersten Wärmewiderstand zu einem zweiten Wärmewiderstand steuerbar ist; mindestens einen Temperatursensor, der dazu betreibbar ist, eine Temperatur an einer ersten und zweiten Seite des Isolators zu erfassen; und einen Prozessor, der dazu konfiguriert ist, den Wärmewiderstand des Isolators dahingehend zu steuern, sich von dem ersten Wärmewiderstand zu dem zweiten Wärmewiderstand zu ändern.
Temperaturerfassungssystem nach Anspruch 1, wobei der Prozessor ferner dazu konfiguriert ist, eine Subjektkernkörpertemperatur basierend auf: ersten detektierten Temperaturen von dem mindestens einen Temperatursensor auf der ersten und zweiten Seite des Isolators, wenn sich der Isolator auf dem ersten Wärmewiderstand befindet, und zweiten detektierten Temperaturen von dem mindestens einen Temperatursensor auf der ersten und zweiten Seite des Isolators, wenn sich der Isolator auf dem zweiten Wärmewiderstand befindet, zu bestimmen.
Temperaturerfassungssystem nach Anspruch 2, wobei der Prozessor ferner dazu konfiguriert ist, eine Ausgabe der bestimmten Subjektkernkörpertemperatur als eine wahrnehmbare Ausgabe und ein Ausgangssignal zu erzeugen.
Temperaturerfassungssystem nach Anspruch 3, wobei die Bestimmung der Subjektkernkörpertemperatur gemäß der Gleichung: $T_{B} = T_{1} + \frac{(T_{1} - T_{2}) (T_{1} - T_{3})}{K (T_{2} - T_{4}) - (T_{1} - T_{2})},$
wobei: T_B die Subjektkernkörpertemperatur ist; T₁ die erste detektierte Temperatur an der ersten Seite des Isolators ist; T₂ die zweite detektierte Temperatur an der ersten Seite des Isolators ist; T₃ die erste detektierte Temperatur an der zweiten Seite des Isolators ist; T₄ die zweite detektierte Temperatur an der zweiten Seite des Isolators ist; und K der erste Wärmewiderstand, dividiert durch den zweiten Wärmewiderstand ist, erfolgt.
Temperaturerfassungssystem nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine Temperatursensor einen Dopplersensor beinhaltet.
Temperaturerfassungssystem nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine Temperatursensor einen ersten Temperatursensor auf der ersten Seite des Isolators und einen zweiten Temperatursensor auf der zweiten Seite des Isolators beinhaltet.
Temperaturerfassungssystem nach Anspruch 1, wobei der Isolator mindestens ein komprimierbares Element und mindestens eine Vorspannungsstruktur enthält, wobei der Prozessor dazu konfiguriert ist, die Vorspannungsstruktur dahingehend zu betreiben, selektiv eine Vorspannkraft, die das mindestens eine komprimierbare Element komprimiert, auszuüben.
Temperaturerfassungssystem nach Anspruch 7, wobei die mindestens eine Vorspannungsstruktur ein piezoelektrisches Element beinhaltet.
Temperaturerfassungssystem nach Anspruch 1, wobei der Isolator mindestens einen MEMS-Schalter enthält, der dazu konfiguriert ist, in einem geschlossenen Zustand Wärme zwischen der ersten und der zweiten Seite des Isolators zu leiten.
Temperaturerfassungssystem nach Anspruch 1, wobei der Isolator mehrere Sicherungen und mehrere Strukturen mit bezüglich der Sicherungen geringer Wärmeleitfähigkeit enthält, wobei die mehreren Sicherungen und mehreren Strukturen mit geringer Wärmeleitfähigkeit parallel zueinander angeordnet sind.
Verfahren zum Betreiben eines Temperaturerfassungssystems, umfassend: Steuern eines Wärmewiderstands eines Isolators des Temperaturerfassungssystems zum Ändern eines ersten Wärmewiderstands zu einem zweiten Wärmewiderstand; Erfassen einer Temperatur einer ersten Seite des Isolators und einer zweiten Seite des Isolators, wenn sich der Isolator auf dem ersten Wärmewiderstand befindet und wenn sich der Isolator auf dem zweiten Wärmewiderstand befindet; und Bestimmen einer Subjektkernkörpertemperatur basierend auf den erfassten Temperaturen.
Verfahren nach Anspruch 11, ferner umfassend: Erzeugen einer Ausgabe der bestimmten Subjektkernkörpertemperatur als eine wahrnehmbare Ausgabe oder ein Ausgangssignal.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Bestimmen der Subjektkernkörpertemperatur gemäß der Gleichung: $T_{B} = T_{1} + \frac{(T_{1} - T_{2}) (T_{1} - T_{3})}{K (T_{2} - T_{4}) - (T_{1} - T_{2})},$
wobei: T_B die Subjektkernkörpertemperatur ist; T₁ ein erster Temperaturmesswert an der ersten Seite des Isolators ist, wenn sich der Isolator auf dem ersten Wärmewiderstand befindet; T₂ ein zweiter Temperaturmesswert an der ersten Seite des Isolators ist, wenn sich der Isolator auf dem zweiten Wärmewiderstand befindet; T₃ ein dritter Temperaturmesswert an der zweiten Seite des Isolators ist, wenn sich der Isolator auf dem ersten Wärmewiderstand befindet; T₄ ein vierter Temperaturmesswert an der zweiten Seite des Isolators ist, wenn sich der Isolator auf dem zweiten Wärmewiderstand befindet; und K der erste Wärmewiderstand, dividiert durch den zweiten Wärmewiderstand ist, bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Betreiben des Isolators zum Ändern des Wärmewiderstands Betreiben mindestens eines piezoelektrischen Elements zum Ausüben einer Vorspannkraft, die mindestens ein komprimierbares Element komprimiert, um den Wärmewiderstand des Isolators zu ändern, beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Betreiben des Isolators zum Ändern des Wärmewiderstands Aktivieren mindestens eines MEMS-Schalters in dem Isolator beinhaltet, wobei der MEMS-Schalter dazu konfiguriert ist, in einem geschlossenen Zustand Wärme zwischen der ersten und der zweiten Seite des Isolators zu leiten.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Betreiben des Isolators zum Ändern des Wärmewiderstands Anlegen einer elektrischen Ladung an mindestens eine Sicherung in dem Isolator, um die mindestens eine Sicherung zumindest teilweise zu zerstören und die Wärmeleitfähigkeit des Isolators zu ändern, beinhaltet.
Temperaturfühler, umfassend: einen Isolator mit einem Wärmewiderstand, wobei der Isolator so konfiguriert ist, dass der Wärmewiderstand von einem ersten vorbestimmten Wert auf einen zweiten vorbestimmten Wert steuerbar ist; und mindestens einen Temperatursensor, der dazu konfiguriert ist, eine erste Temperatur an einer ersten Seite des Isolators und eine zweite Temperatur an einer zweiten, gegenüberliegenden Seite des Isolators zu erfassen.
Temperaturfühler nach Anspruch 17, wobei der Isolator mindestens ein komprimierbares Element und mindestens ein piezoelektrisches Element enthält, wobei das piezoelektrische Element dazu konfiguriert ist, selektiv eine Vorspannkraft, die das mindestens eine komprimierbare Element komprimiert, auszuüben.
Temperaturfühler nach Anspruch 17, wobei der Isolator mindestens einen MEMS-Schalter enthält, der dazu konfiguriert ist, in einem geschlossenen Zustand Wärme zwischen der ersten und zweiten Seite des Isolators zu leiten.
Temperaturfühler nach Anspruch 17, wobei der Isolator mehrere Sicherungen und mehrere Strukturen mit geringer Wärmeleitfähigkeit enthält, wobei die mehreren Sicherungen und mehreren Strukturen mit geringer Wärmeleitfähigkeit parallel zueinander angeordnet sind.