DE69802278T2

DE69802278T2 - Genaue hochgeschwindigkeitstemperaturmessvorrichtung

Info

Publication number: DE69802278T2
Application number: DE69802278T
Authority: DE
Inventors: Sorin Teich; Ilan Vadai; Moshe Yarden
Original assignee: Medisim Ltd
Current assignee: Medisim Ltd
Priority date: 1997-05-01
Filing date: 1998-04-23
Publication date: 2002-07-18
Anticipated expiration: 2018-04-24
Also published as: JP2001522466A; BR9809322A; JP2005321412A; ATE208036T1; US6280397B1; CN1125320C; AU724571B2; CA2288202A1; WO1998050766A1; IL120758A0; EP0979394A1; DE69802278D1; EP0979394B1; ES2165675T3; JP3863192B2; CN1257577A; TR199902710T2; JP3935915B2; AU7075998A; IL120758A

Description

Die Erfindung betrifft im Allgemeinen eine Temperaturmessvorrichtung, die sich besonders zum Messen der Temperatur eines im folgenden als "Körper" (bspw. menschlicher Körper) bezeichneten Hohlraums mit niedriger Wärmeleitfähigkeit eignet. Sie betrifft insbesondere eine genaue Hochgeschwindigkeits-Temperaturmessvorrichtung mit zwei Temperaturfühlern.
Jedes Temperaturmessverfahren umfasst die Übertragung von Wärme aus dem gemessenen Körper zur Messsonde. Die Wärme kann auf drei Wegen übertragen werden: durch Wärmeleitung, durch Konvektion und durch Strahlung. Das erfindungsgemäße Verfahren misst die Wärmekonvektion und die Wärmeleitung (wie in strömender Luft oder strömenden Flüssigkeiten). Die Messung der Strahlungswärme ist nicht genau, da man die Genauigkeit nur mit Konstanten eines älteren Wissensstandes erzielt, die nicht mit hoher Sicherheit bekannt sind.
Bei den meisten Temperaturmessvorrichtungen, die Konvektion oder Wärmeleitung nutzen, muss der Temperaturmessfühler mit dem zu messenden Körper ein Temperaturgleichgewicht erreichen. Ist der zu messende Körper ein schlechter Wärmeleiter, dauert die Einstellung des Gleichgewichtes (mit dem Temperaturmessfühler) sehr lange. Die Messverweildauer (zur Einstellung des Gleichgewichts) ist eine thermodynamische Notwendigkeit. Es gibt verschiedene Verfahren zur Verkürzung dieser Wartezeit. Bspw. offenbaren DE 3527942 und US 4183248 ein Verfahren mit zwei Temperaturfühlern und einem Heizelement. Die Wartezeit wird immer auf Kosten der Messgenauigkeit verkürzt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung beseitigt die Verweildauer. Statt einer direkten Temperaturmessung (die ein Abwarten des Gleichgewichts erforderlich macht) berechnet die erfindungsgemäße Vorrichtung die Temperatur durch voraussagende Temperaturfühlermessungen. Diese Voraussage beruht auf einer Wärmeübertragungs-Gleichung und vorzugsweise einer Wärmeleitungsgleichung, mit der sich die Körpertemperatur entsprechend dem (a) zwischen dem Körper und einem ersten Temperaturfühler und (b) zwischen dem ersten Temperaturfühler und einem (oder mehreren) zweiten Temperaturmessfühler(n) gemessenen Wärmefluss berechnen lässt. Da man erstens bei den Wärmeflussmessungen nicht auf das Erreichen des Temperaturgleichgewichts warten muss und zweitens die Berechnung per se in Echtzeit mit einem Standard-Mikroprozessor erfolgt, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung die genaue Körpertemperatur rasch anzeigen.
Es folgt eine eingehende Erklärung der wesentlichen Gleichungen (die in dem Algorithmus verwirklicht werden, der von der erfindungsgemäßen Datenverarbeitungseinheit verwendet wird).
Die Wärmeübertragungsgleichung für die Wärmeleitung (eindimensional ohne Wärmequellen, da der Heizkörper der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei der Temperaturmessung nicht angeschaltet ist):
Diese Gleichung veranschaulicht die Wärmeflussdifferenzen zwischen dem Einlass und dem Auslass des fraglichen Körpers
wobei ein eindimensionaler Wärmefluss (Q) definiert ist als die Konstante-"k"-fache Temperaturänderung dT mit einer Ortsänderung dx;
Unter Verwendung endlicher Differenzen lässt sich die Gleichung (*) schreiben als:
Wenn gilt: ωin = kΔt/ρCpΔx²in und ωout = kΔt/ρCpΔx²out
dann ist:
Bei zwei Wärmefühlern, und zwar "S&sub1;" an der Stelle xin und "S&sub2;" an der Stelle xout, die durch einen endlichen Abstand mit einem bekannten Wärmeleitkoeffizienten (bspw. ein Wärmeisolierteil) von einander getrennt sind, wobei "S&sub1;" mit dem Körper in Wärmekontakt steht, "S&sub2;" sich in der Wärmesonde befindet, und sich der Körper an xin + Δx befindet, wird aus (**) klar ersichtlich, dass näherungsweise gilt:
Der an der Stelle ¹/&sub2; (xin + xout) berechnete Temperaturanstieg ist definiert als Wärme-Einstrom aus dem Körper ωin, mal: [(Tbody) minus (TS1)] minus ωout mal Wärme-Ausstrom aus der Sonde [(TS1) minus (TS2)].
Die erfindungsgemäße Vorrichtung löst diese Gleichung für die Unbekannten Tbody, ωin, ωout entsprechend der gemessenen Temperaturen, die die Wärmeflüsse darstellen, ohne dass man ein Temperaturgleichgewicht abwarten muss.
Die Erfindung betrifft eine genaue Hochgeschwindigkeits-Messvorrichtung, die sich besonders zur Messung der Körpertemperatur beim Menschen eignet, umfassend (a) eine längliche Temperatursonde, (b) einen ersten Temperaturfühler, der unter der Sondenoberfläche angeordnet ist, (c) mindestens einen zweiten Temperaturfühler, der parallel zum ersten Fühler in der Sonde angeordnet ist, (d) ein Wärmeisolierteil, das zwischen dem ersten und dem zweiten Fühler (oder Fühlern) angeordnet ist, (e) eine Datenverarbeitungseinheit, die an den ersten und den zweiten Temperaturfühler angeschlossen ist und die die Körpertemperatur aus dem zwischen dem Körper und dem ersten Fühler und zwischen dem ersten Fühler und dem zweiten Fühler gemessenen Wärmefluss berechnet, und (f) eine Datenanzeige, die an die Datenverarbeitungseinheit angeschlossen ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich entsprechend für die Messung der Körpertemperaturen beim Tier und zum Messen der Temperatur eines beliebigen Hohlraums mit niedriger Wärmeleitfähigkeit.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst:

(a) Eine längliche Temperatursonde. Diese Sonde wird in eine Körperöffnung eingeführt, wobei der Begriff "Körperöffnung" ebenfalls die Achselhöhle, die Mundhöhle und das Rektum umfasst). Die Sonde hat eine abgerundete Einführspitze, damit sie sich leicht und sicher in empfindliche Körperöffnungen einführen lässt.
(b) Einen ersten Temperaturfühler. Dieser erste Fühler befindet sich unter der Sondenoberfläche nahe der Einführspitze (so dass eine Einführung in die Mindesttiefe erleichtert wird).
(c) Mindestens einen zweiten Temperaturfühler. Dieser zweite Fühler ist parallel zum ersten Fühler in der Sonde angeordnet.
(d) Ein Wärmeisolierteil. Dieses Teil ist zwischen dem ersten und dem zweiten Fühler (oder den Fühlern) angeordnet. Es sollte betont werden (wie es auch beschrieben wird), dass die Gesamtstruktur aus Fühlern und Isolierteilen vorzugsweise aufgerollt ist.
(e) Eine Datenverarbeitungseinheit. Diese Datenverarbeitungseinheit ist an den ersten und den zweiten Temperaturfühler angeschlossen. Sie berechnet die Körpertemperatur aus dem Wärmefluss, gemessen (i) zwischen dem Körper und dem ersten Fühler und (ii) zwischen dem ersten und dem zweiten Fühler.
(f) Eine Datenanzeige. Diese Datenanzeige ist an die Datenverarbeitungseinheit angeschlossen, und sie zeigt die von der Datenverarbeitungseinheit berechnete Körpertemperatur an. Die Datenanzeige zeigt auch Meldungen an (bspw. Messfehlermeldungen).
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform befindet sich ein Heizelement in der Temperatursonde. Dieses Heizelement heizt die Sonde auf einen vorher bestimmten Wert vor (beim Messen der Körpertemperatur vom Menschen auf etwa 34 bis 38ºC). Mit einer derart vorgewärmten Sonde ist die Dauer für eine hochgradige Extrapolation der Messungen kürzer als mit einer Sonde bei Raumtemperatur (siehe die in der Einleitung beschriebenen Wärmeübertragungs-Gleichungen).
Ein wahlfreier zusätzlicher zweiter Fühler (nachstehend als "dritter Fühler" bezeichnet) kann von der Datenverarbeitungseinheit zur Steigerung der Geschwindigkeit und der Genauigkeit der Temperaturmessberechnung verwendet werden. Der dritte Fühler befindet sich in der (Temperatur-)sonde parallel zum ersten Fühler. Der dritte Fühler ist entsprechend an die Datenverarbeitungseinheit angeschlossen. Die Datenverarbeitungseinheit kann dadurch zusätzlich die Körpertemperatur aus dem Wärmefluss berechnen, der zwischen dem ersten und dem dritten Fühler gemessen wird.
Der Vorwärmschritt ist wahlfrei, jedoch wichtig, da durch Einschränken des Messtemperaturbereichs die Auflösung verstärkt wird.
Gemäß der bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform sind der erste Fühler, der zweite Fühler (oder die Fühler) und das Heizelement auf ein einzelnes biegsames Substrat (Leiterplatine) photogeätzt. Dieses Substrat wird dann gerollt oder gefaltet, so dass die beiden Fühler (oder drei Fühler) parallel ausgerichtet werden, wobei sich zwischen den Fühlern ein Isolierteil befindet. Im aufgerollten Zustand ist das Substrat selbst die dazwischen befindliche Isolierung. Die so ausgerichteten Fühler (mit ihrer dazwischen befindlichen Isolierung) werden in die längliche Sonde eingeführt und dadurch ausgerichtet gehalten, so dass die beiden (oder drei) erforderlichen Flussmessungen erleichtert werden.
Die längliche Sonde der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht aus Metall oder einem anderen Material hoher Wärmeleitfähigkeit. Das Material für die längliche Sonde sollte auch in Bezug auf gesundheitstechnische Gebrauchsfaktoren, wie einfache Reinigung oder Sterilisierbarkeit (bei medizinischem Gebrauch), ausgewählt werden.
Das Modul mit zwei (oder drei) Fühlern und einem Heizkörper hat den Vorteil, dass es billiger ist, sich viel leichter herstellen lässt, keine manuelle Arbeit bei der Herstellung erfordert und die Fühler nicht aufeinander abgestimmt werden müssen.
Die Erfindung wird nachstehend eingehend anhand der Fig. 1-3 und der bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsformen veranschaulicht. Es zeigt:
Fig. 1: einen schematischen Querschnitt einer eingeführten Sonde;
Fig. 2: einen isometrischen Querschnitt der ausgerichteten Fühler;
Fig. 3: ein Ablaufdiagramm der Bedienungsvorgänge bei einer genauen Hochgeschwindigkeits-Messvorrichtung.
Fig. 1 veranschaulicht einen Querschnitt einer eingeführten Sonde. Es ist eine metallummantelte Temperatursonde (1) gezeigt, die in eine Öffnung des menschlichen Körpers (2) eingeführt ist. Ein dreiteiliges Bauelement umfasst einen ersten Fühler (3) der durch ein Wärmeisolierteil (5) von einem zweiten Fühler (4) getrennt ist. Dieses dreiteilige Bauelement befindet sich nahe der eingeführten Sondenspitze, wobei eine Seite des ersten Fühlers mit dem Metallgehäuse der Temperatursonde in Wärmekontakt steht, und der zweite Fühler nahe der Sondenachse ist. Ein Heiz(schlangen)element (6) befindet sich in dem Isolierteil. Darüber hinaus ist der wahlfreie dritte Fühler (7) gezeigt.
Fig. 2 zeigt einen isometrischen Querschnitt der ausgerichteten Fühler. Ein gekrümmtes dreiteiliges Bauelement (mit übereinstimmender Form zur Krümmung der Sonde, in die es eingeführt wird - siehe Fig. 1) umfasst einen ersten Fühler (3) (in der Gleichung bezeichnet als "T1"), der durch ein Wärmeisolierteil (5) der Breite "X" von einem parallelen zweiten Fühler (4) (in der Gleichung bezeichnet als "T2") getrennt ist. In der Gleichung Q = k(dT/dX) (siehe im Abschnitt Hintergrund) ist "dT" äquivalent zu (TS2 - TS1) oder zu Tbody - TS1 und "dX" ist die endgültige Entfernung entlang der "X"-Achse.
Der erste Fühler ist über elektrische Kontakte (8) und (9) an die Schaltung der Datenverarbeitungseinheit (siehe Fig. 5) angeschlossen. Der zweite Fühler ist über elektrische Kontakte (10) und (11) an die Schaltung der Datenverarbeitungseinheit (siehe Fig. 5) angeschlossen. Die Datenverarbeitungseinheit (einschließlich jeglicher erforderlicher Analog-Digital-Wandlerschaltungen, und einer Energiezufuhr (bspw. einer Batterie)) ist wiederum an die Datenanzeige angeschlossen (siehe Fig. 5).
Fig. 3 ist ein Ablaufdiagramm der Bedienungsvorgänge bei einer genauen Hochgeschwindigkeits-Messvorrichtung. Nach dem Aktivieren eines Heizelementes in der Sonde wärmt das Heizelement die Sonde auf etwa 34 bis 38ºC (beim Messen der Körpertemperatur des Menschen) vor, es werden Daten von den beiden Fühlern etwa 3 bis 4 sec lang aufgenommen (13), und aus diesem Messungen berechnet (14) die Datenverarbeitungseinheit die auf einen konstanten. &epsi;- Grenzbereich genäherte Körpertemperatur. Ist die berechnete Körpertemperatur nicht innerhalb eines akzeptablen Körpertemperaturbereich (15), erfolgen zusätzliche Temperaturmessungen von den beiden Fühlern für ungefähr 0,5 sec, und der Berechnungsschritt (14) wird wiederholt. Ist die berechnete Körpertemperatur innerhalb eines akzeptablen Bereiches (16) wird die berechnete Körpertemperatur auf der Datenanzeige (17) angezeigt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat eine Analog- und eine Digital-Schaltung. Die Analogschaltung nimmt die Temperatur auf und aktiviert das Heizelement. Der Schaltkreis ist an zwei Fühler (mit einer Option für einen dritten Fühler), ein Heizelement und an die Digitalschaltung angeschlossen, damit die Datenproben übertragen werden und die Daten digital verarbeitet werden. Jeder Fühler hat einen gesonderten Schaltkreis. Jedes Fühlersignal, das mit einer sehr niedrigen Spannung ankommt (insgesamt 100 uV), wird zu einem Rauschfilter übertragen. Die Signale werden dann zu einem Ausgang des Analogschaltungssegmentes übertragen.
Die Digitalschaltung steuert den Gesamtbetrieb von Vorheizung und Aktivierung des Analogsegmentes, damit Messungen vorgenommen werden, verstärkte und gefilterte Signale aus dem Analog-Schaltungssegment empfangen werden, diese in binäre (digitale) Werte umgewandelt werden, die erforderlichen mathematischen Berechnungen durchgeführt werden und die berechnete Temperatur angezeigt wird.
Eine Multiplexer-Einheit erhält die Analogdaten von der Analogschaltung und leitet sie seriell zum A/D- Wandler, der die Spannung der binären (digitalen) Werte quantifiziert. Der Mikroprozessor berechnet die Temperatur und steuert auch den Schaltverlauf des Programms. Dieser Schaltkreis besteht auch aus einer Anzeigeeinheit und anderen Schaltelementen, die eine stabile elektronische Arbeitsumgebung für den Mikroprozessor schaffen.
Die Datenverarbeitungseinheit kann nun an die geeigneten elektrischen Kontakte angeschlossen werden. Das Substrat wird dann gerollt oder gefaltet, damit die beiden Fühler parallel ausgerichtet werden und sich ein Isolierteil zwischen ihnen befindet. Die so ausgerichteten Fühler mit ihrem Isolierteil werden in die längliche Sonde eingeführt und dadurch ausgerichtet gehalten. Dann können die Datenverarbeitungseinheit, die Datenanzeige, Batterie und geeignete Halterungen und Anschlüsse in den Bereich der Sonde gegenüber der Einführspitze eingeführt werden, und die Sonde kann für geeignete sanitäre Verwendungen als Temperaturmessvorrichtung, die sich besonders zur Messung der Körpertemperatur beim Menschen eignet, hermetisch verschlossen werden.

Claims

1. Temperaturmessvorrichtung, insbesondere zu Messen der Körpertemperatur des Menschen, umfassend

a) eine längliche Temperatursonde, die eine Einführspitze für das Einführen in eine Körperöffnung besitzt,

b) einen ersten Temperaturfühler, der nahe der Einführspitze unter der Sondenoberfläche angeordnet ist,

c) mindestens einen zweiten Temperaturfühler, der parallel zum ersten Fühler in der Sonde angeordnet ist,

d) ein Wärmeisolierteil, das zwischen dem ersten und dem zweiten Fühler angeordnet ist,

e) eine Digitaldaten-Verarbeitungseinheit, verbunden mit dem ersten und dem zweiten Temperaturfühler,

f) eine Datenanzeige, verbunden mit der Datenverarbeitungseinheit,

wobei die Datenverarbeitungseinheit die Körpertemperatur aus den Werten der Temperaturfühler und einer nummerischen Lösung der Gleichung für den Wärmetransport errechnet und zwar für den Wärmefluss zwischen Körper und ersten Fühler und zwischen ersten und zweiten Fühler.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, umfassend ein Wärmeelement zum Vorheizen der Sonde auf eine vorgegebene Temperatur von etwa 34 bis 38ºC.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, umfassend einen dritten Fühler, der in der Sonde parallel zum ersten Fühler angeordnet ist, wobei der dritte Fühler mit der Datenverarbeitungseinheit verbunden ist und die Datenverarbeitungseinheit zudem die Körpertemperatur aus dem gemessenen Wärmefluss zwischen ersten und dritten Fühler errechnet.

4. Vorrichtung nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch 1 bis 3, wobei der erste Fühler, der zweite Fühler und das Wärmeelement auf ein Stück flexibles Substrat photogeätzt sind.

5. Vorrichtung nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch 1 bis 4, wobei der dritte Fühler auf ein flexibles Substrat photogeätzt ist, auf dem der erste Fühler, der zweite Fühler und das Wärmeelement sind.

6. Vorrichtung nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch 4 bis 5, wobei das Substrat gerollt oder gefaltet ist, so dass zwei Fühler mit dem Isolierglied dazwischen parallel zueinander ausgerichtet sind, und in die längliche Sonde eingeführt ist.

7. Vorrichtung nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch 1 bis 6, wobei die längliche Sonde aus Metall oder einem Material mit guter Wärmeleitung hergestellt ist.

8. Verfahren zur Messung einer Körpertemperatur, insbesondere der Temperatur des menschlichen Körpers, umfassend die Schritte:

Einführen einer länglichen Temperaturprobe mit einer Einführspitze in eine Körperöffnung, wobei nahe an der Einführspitze ein erster Temperaturfühler unter der Sondenoberfläche liegt, in der Sonde mindestens ein zweiter Temperaturfühler parallel zum ersten Fühler angeordnet ist, zwischen ersten und zweiten Fühler ein Wärmeisolierteil angeordnet ist, mit ersten und zweiten Temperaturfühler eine Datenverarbeitungseinheit verbunden ist, eine Datenanzeige mit der Datenverarbeitungseinheit verbunden ist,

Berechnen der Körpertemperatur aus den Werten der Temperaturfühlern durch nummerisches Lösen der Wärmetransportgleichung für den Wärmefluss zwischen Körper und ersten Fühler und zwischen ersten und zweiten Fühler und

Darstellen der Körpertemperatur auf einer Anzeige.