ES2275532T3 - Sistema de deteccion de la temperatura. - Google Patents
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- G01K7/30—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using thermal noise of resistances or conductors
Abstract
Un sistema para detectar la temperatura de un entorno que consta de un sensor de imágenes (20) que comunica con una unidad integrada (22), pudiendo dicho sensor de imágenes ser introducido en dicho entorno; y estando preparada dicha unidad integrada para obtener datos de corriente oscura del sensor de imágenes con el fin de calcular (17), a partir del ruido de corriente oscura, la temperatura del sensor de imágenes y determinar así la temperatura (19) del entorno.
Description
Sistema de detección de la temperatura.
El presente invento hace referencia a un sistema
para medir la temperatura de un entorno determinado, por ejemplo el
interior del cuerpo.
Son muchas las circunstancias en las que es
necesario medir la temperatura interna de un cuerpo material. Entre
ellas se encuentran los procesos industriales o los procedimientos
de análisis y exploración, por ejemplo en la exploración geofísica
o para el diagnóstico médico y el tratamiento de órganos internos
del cuerpo.
La termometría convencional y la termometría
absoluta son los métodos conocidos de medición de la
temperatura.
La termometría convencional se basa en el
coeficiente de temperatura de las propiedades de los materiales,
por ejemplo la resistencia o la expansión mecánica.
La termometría absoluta es un método que mide
directamente la energía térmica de la resistencia de un sensor.
Este método se basa en el conocido fenómeno físico del ruido térmico
espontáneo generado por el movimiento browniano de moléculas
ionizadas en el interior de una resistencia.
El ruido térmico, que puede explicarse en
términos de corriente térmica, ofrece una medición directa de la
temperatura en una escala termodinámica, de modo que dicha
temperatura se define por la constante de Boltzmann. El fenómeno
del ruido térmico se describe, por ejemplo, en el libro: CCD
arrays cameras and displays, de G.C. Holst, p. 128, 2ª edición,
editado por SPIE Press en 1998. La fórmula utilizada para definir la
corriente térmica es la siguiente:
<i_{n}{}^{2}> = k \
TC
donde "k" es la constante de
Boltzmann, "T" es la temperatura de un sensor y "C" es la
capacitancia del sensor. De esta forma, la magnitud de las señales
producidas por la corriente térmica es directamente proporcional a
la raíz cuadrada de la temperatura del sensor. En distintos
experimentos se ha demostrado que la señal se duplica con un
incremento de 7ºC (grados centígrados), lo que significa que se
obtiene una resolución mejor que
0,1ºC.
En los sensores de imágenes, la corriente
térmica producida en un dispositivo fotodetector en funcionamiento,
cuando ningún tipo de radiación óptica interfiere con el detector,
recibe el nombre de "corriente oscura". En las cámaras CCD la
corriente oscura es esencialmente la carga que se acumula en los
píxeles CCD por efecto del ruido térmico. La corriente oscura
provoca el efecto de añadir una cantidad adicional al recuento de
electrones en cada píxel.
En la patente US-3.937.086,
concedida a Von Thuna, en la patente US-5.354.130,
concedida a
Seppa et al., y en la patente US-5.098.197, concedida a Shepard et al., se describen dispositivos para medir la temperatura absoluta del material de un cuerpo captando y analizando el ruido térmico del material del cuerpo.
Seppa et al., y en la patente US-5.098.197, concedida a Shepard et al., se describen dispositivos para medir la temperatura absoluta del material de un cuerpo captando y analizando el ruido térmico del material del cuerpo.
La patente US-4.246.784,
concedida a Bowen, describe un método de medición no invasiva de la
temperatura del interior de un cuerpo utilizando el espectro de
ruido térmico acústico del cuerpo cuya temperatura se está
midiendo.
La patente US-5.640.235 revela
un dispositivo fotométrico que comprende una primera sección de
conversión fotométrica responsable de convertir la luz reflejada por
un objeto en señales. Uno de los registros de la sección de
conversión fotométrica produce únicamente un elemento de corriente
oscura, mientras que la sección de conversión fotométrica puede
calcularse a partir de la corriente oscura obtenida.
Ninguno de estos métodos de medición de la
temperatura utiliza un sensor de imágenes para medir la temperatura
del material de un cuerpo.
El presente invento, que se define en las
reivindicaciones adjuntas, proporciona un sistema para detectar la
temperatura de un entorno, por ejemplo el interior de un cuerpo,
calculando la temperatura proporcionada por un sensor de imágenes
en dicho entorno y deduciendo la temperatura del entorno a partir de
la temperatura calculada por el sensor de imágenes. La temperatura
del sensor de imágenes se obtiene midiendo el ruido de corriente
oscura que se ha generado.
El sistema descrito en el presente invento
ofrece la ventaja de utilizar un sensor de imágenes, en el que es
posible detectar fácilmente el ruido térmico, para deducir la
temperatura de un cuerpo material. Además, de conformidad con el
presente invento, se utiliza un único sensor para obtener datos
visuales y datos relacionados con la temperatura del entorno. De
este modo, es posible obtener distinta información sobre el entorno
mediante un único dispositivo sensor.
El sistema descrito en el presente invento puede
utilizarse en un método para conocer la temperatura de un entorno a
partir de las siguientes fases: introducción de un sensor de
imágenes en un entorno, estando dicho sensor provisto de un módulo
de detección de imágenes que capta el ruido de corriente oscura del
sensor de imágenes; cálculo de la temperatura del sensor de
imágenes; cálculo de la temperatura del entorno y, opcionalmente,
visualización de la temperatura del entorno calculada.
Cabe observar que el término "entorno",
según se utiliza en el presente invento, se refiere a un espacio
cerrado entre paredes en el que se desea calcular la temperatura de
dicho espacio y/o de las paredes.
La temperatura del sensor de imágenes es
indicativa de la temperatura de su espacio circundante y, a partir
de factores conocidos, como la distribución térmica, la distancia a
la que se encuentre el sensor de imágenes, etc., puede calcularse
también la temperatura de puntos más distantes.
Los sensores de imágenes utilizados en el
presente invento pueden ser cámaras digitales o de vídeo, por
ejemplo vidiocon, cámaras CCD o cámaras CMOS.
El presente invento proporciona además un
sistema para detectar la temperatura de un entorno. Dicho sistema
comprende un sensor de imágenes provisto de un módulo de detección
de imágenes que comunica con una unidad integrada para detectar la
corriente oscura del módulo de detección de imágenes del sensor de
imágenes y para calcular la temperatura del sensor de imágenes. La
unidad integrada puede calcular además la temperatura del entorno,
o bien dicha temperatura del entorno puede calcularse a partir de
los datos indicados por la unidad integrada, utilizando una unidad
separada que comunique con la unidad integrada.
La unidad integrada puede disponer de una
función de amplificación para ampliar las señales recibidas del
sensor de imágenes.
La comunicación entre el sensor de imágenes y la
unidad integrada puede controlarse opcionalmente en función de las
condiciones de iluminación, o bien mediante un conmutador que
habilite la comunicación exclusivamente durante los períodos en los
que el sensor no está iluminado.
El presente invento se comprenderá y valorará
mucho mejor a partir de la descripción detallada que se ofrece a
continuación, que debe interpretarse conjuntamente con las figuras,
en las que:
La figura 1 representa un diagrama de bloques de
una forma de realización del método revelado en el invento;
La figura 2 muestra una ilustración esquemática
de una forma de realización del sistema revelado en el presente
invento;
La figura 3 muestra una ilustración esquemática
de una disposición de bloques funcionales del sensor de imágenes
revelado en el invento; y
La figura 4 muestra una ilustración esquemática
de un dispositivo médico que comprende el sistema revelado en el
presente invento.
En los procedimientos analíticos y diagnósticos
en los que se utilizan sensores de imágenes para monitorizar el
entorno podría resultar muy conveniente obtener información sobre la
temperatura de dicho entorno, dado que un cambio local de
temperatura puede indicar una situación irregular.
Así, por ejemplo, en la patente
US-5.604.531, concedida a los solicitantes del
presente invento, se describe una cápsula ingerible que puede
recorrer todo el tubo digestivo actuando como una endoscopia en
vídeo autónoma. Dicha cápsula ingerible incluye a) un sistema de
cámaras, b) un sistema óptico para enviar imágenes de un área de
interés al sistema de cámaras y c) un transmisor que envía la señal
de vídeo al sistema de cámaras. Los datos visuales obtenidos por la
cápsula ingerible pueden indicar, entre otra información, la
localización de patologías en el tracto gastrointestinal. Por otro
lado, un cambio local de temperatura en el tracto gastrointestinal
puede ser también indicativo de patología. En consecuencia, la
información obtenida a través de medios visuales puede
complementarse y concretarse a partir de la información relacionada
con la temperatura local del tracto gastrointestinal.
El presente invento habilita simultáneamente la
monitorización visual y el control de la temperatura.
El método se describe de forma esquemática en el
diagrama de bloques de la figura 1. Un sensor de imágenes, por
ejemplo el que se ha mencionado anteriormente en el caso de la
cápsula ingerible, se introduce 10 en un entorno determinado, por
ejemplo el tracto gastrointestinal.
La iluminación se proporciona de forma
intermitente, ya sea mediante elementos conectados al propio sensor
de imágenes o a través de fuentes externas. Cuando se proporciona
iluminación 12 sólo se obtienen 14 y se visualizan 16 datos
visuales. Se describe un procedimiento para obtener y visualizar
datos visuales, por ejemplo, en la mencionada patente
US-5.604.531.
Durante el período de oscuridad intermitente 11
se activa una unidad integrada 100 para obtener datos de corriente
oscura 13 del sensor de imágenes, aunque no es imprescindible apagar
la iluminación para obtener datos relativos al ruido de corriente
oscura, como se explicará más adelante con mayor detalle.
La unidad integrada 100 es un procesador apto
para ampliar los datos obtenidos 15, si es necesario, y calcular la
temperatura 17 del sensor de imágenes utilizando las ecuaciones
derivadas para el ruido térmico ya conocidas. Se observará que
estas ecuaciones constituyen una aproximación de un fenómeno
complejo y que debería efectuarse calibración para deducir los
cálculos reales que será necesario llevar a cabo.
La temperatura del entorno es calculada entonces
19, bien por la unidad integrada 100 o por un una unidad
independiente que comunica con la unidad integrada 100. Los cálculos
relativos a la temperatura del entorno se basan en la existencia de
equilibrio térmico entre el sensor de imágenes y el ambiente
circundante. Estos cálculos tienen en cuenta la disipación
energética del sensor de imágenes. Se puede calcular la temperatura
local o la temperatura media en el interior del entorno, dependiendo
de las necesidades específicas en cada caso. A continuación, es
posible visualizar 18 la temperatura calculada.
Se observará que los distintos cálculos se
realizan mediante un software o una utilidad de software ejecutable
en sistemas informáticos como un ordenador u otros procesadores,
microprocesadores, procesadores integrados, microordenadores,
microcontroladores, etc.
La unidad integrada 100 puede incluir
procesadores independientes, que no deben estar necesariamente
conectados. Algunas de las funciones que lleva a cabo la unidad
integrada 100, como el cálculo de la temperatura del sensor de
imágenes 17 y el cálculo de la temperatura del entorno 19, pueden
llevarse a cabo en procesadores externos al entorno y alimentados
con los datos proporcionados por la unidad integrada 100 a través de
una comunicación IR o de radiocomunicación. De hecho, en caso de
que un operador deba anotar la temperatura del entorno, al menos la
función de visualización de la temperatura calculada 18 deberá
realizarse en el exterior del entorno.
La unidad integrada 100 puede comunicar con
otras unidades para continuar el proceso y utilizar los datos que
ha obtenido. Así, por ejemplo, una cápsula ingerible como la
descrita en la patente US-5.604.531 podría
comprender una cámara de muestras para recoger muestras del entorno
del tubo digestivo. El procedimiento para recoger una muestra puede
ser controlado por la unidad integrada 100, de modo que las muestras
se recogen únicamente en los puntos del tracto digestivo en los que
se detecta una temperatura predeterminada.
A continuación se hace referencia a la figura 2,
que es una ilustración esquemática del sistema correspondiente a
una forma de realización del invento. El sistema comprende un sensor
de imágenes 20 provisto de un módulo de detección de imágenes que
incluye una matriz de píxeles (según se muestra en la figura 3) que
comunica con una unidad integrada 22. La comunicación se habilita
mediante un conmutador de detección de la temperatura 24 controlado
por un indicador de iluminación 26, de modo que dicha habilitación
de la comunicación se produce únicamente durante los períodos de
oscuridad.
Cuando se establece comunicación entre el sensor
de imágenes 20 y la unidad integrada 22, dicha unidad integrada 22
recibe datos de corriente oscura del sensor de imágenes 20.
Según se comentará más adelante, es posible
calcular la temperatura del sensor de imágenes 20 a partir de los
datos de corriente oscura obtenidos de un único píxel de la matriz
de píxeles del sensor de imágenes, aunque los datos obtenidos de un
número mayor de píxeles proporcionarán unos resultados más precisos.
En consecuencia, puede mantenerse una parte de los píxeles de la
matriz de píxeles del sensor de imágenes 20 constantemente
protegida de la iluminación y obtener datos de corriente oscura
proporcionados por los píxeles no expuestos a iluminación, sin
necesidad de apagar dicha iluminación.
De esta forma es posible obtener datos de
corriente oscura también durante periodos de iluminación constante,
ya sea cubriendo una parte de los píxeles de la matriz de píxeles o
situando una parte de los píxeles de la matriz de píxeles fuera del
campo de las imágenes, por ejemplo situando los píxeles en la
periferia de la matriz.
La unidad integrada 22 es un procesador apto
para amplificar la señal de corriente oscura y calcular la
temperatura del sensor de imágenes a partir de la señal de
corriente oscura. Además, también es apto para calcular la
temperatura del entorno a partir de la temperatura del sensor de
imágenes, y para visualizar la temperatura del entorno calculada
21. La unidad integrada 22 podría controlar distintas unidades
sensibles a la temperatura 28, por ejemplo la cámara de muestras
descrita anteriormente, coincidiendo con las temperaturas
predeterminadas.
Hacemos referencia ahora a la figura 3, que
muestra una ilustración esquemática de una disposición de bloques
funcionales del sensor de imágenes correspondiente al invento. El
sensor de imágenes comprende un chip único 40 provisto de un módulo
de detección de imágenes 42 y una zona de circuitos de control 44.
El módulo de detección de imágenes 42 incluye una matriz de píxeles
48 para captar las imágenes. La zona de circuitos de control 44
incluye los circuitos lógicos y temporizadores 47 y los circuitos de
CA 46.
Pueden recibirse señales desde todos los píxeles
de la matriz de píxeles 48. La corriente oscura se recibe de los
píxeles que no están iluminados o de cualquier otro píxel durante un
período de oscuridad, mientras que las señales de corriente
recibidas de los píxeles iluminados son la suma de la corriente
oscura y la corriente luminosa del píxel. La suma de las señales
procedentes de todos los píxeles se convierte en datos que se
comunican, a través de un transmisor, a la unidad integrada para
que los descodifique y se visualice una representación y/o la
temperatura deducida a partir de los datos.
El sistema revelado por el invento se describe
con mayor detalle y queda mejor ejemplificado si tomamos la figura
4, que es una ilustración esquemática de un dispositivo médico
basado en un sistema coincidente con el del presente invento.
El dispositivo médico que se ilustra en la
figura 4 es una cápsula ingerible, cuya referencia en general será
el número 30, como la descrita en la patente mencionada
anteriormente, US-5.604.531. La cápsula ingerible
30 comprende una cámara CMOS 32 que comunica con la unidad integrada
34. La cápsula ingerible 30 comprende además elementos iluminadores
36 que comunican con el indicador de iluminación 33. Las paredes del
tracto gastrointestinal 31 se iluminan mediante los elementos
iluminadores 36, en impulsos intermitentes, de modo que una cámara
32 puede captar imágenes consecutivas de las paredes del tracto
gastrointestinal 31, permitiendo que un operador pueda ver dichas
paredes del tracto gastrointestinal. La comunicación entre la cámara
32 y la unidad integrada 34 se habilita entre los impulsos de
iluminación, cuando el indicador de iluminación 33, que detecta la
falta de iluminación, activa el conmutador de detección de la
temperatura (que no se ilustra) situándolo en la posición de
encendido
(ON).
(ON).
Opcionalmente, el indicador de iluminación 33
podría ser activado por el operador para apagar simultáneamente los
elementos iluminadores 36 y activar el conmutador de detección de la
temperatura situándolo en la posición de encendido (ON).
Una vez habilitada la comunicación entre la
cámara 32 y la unidad integrada 34, la cámara 32 generará señales
de corriente oscura que dicha unidad integrada 34 podrá recibir y
procesar, según se ha descrito anteriormente. La temperatura del
tracto gastrointestinal calculada se visualiza en una unidad de
visualización externa a dicho tracto gastrointestinal.
La cápsula ingerible 30 comprende además una
cámara de muestras 35 para recoger muestras del entorno del tracto
gastrointestinal. Estas muestras recogidas pueden ser células de las
paredes del tracto gastrointestinal o una muestra de fluidos del
entorno del tracto gastrointestinal. La unidad integrada 34 controla
el mecanismo de recogida de las muestras, que puede ser cualquier
procedimiento conocido en la técnica actual, de modo que dicho
mecanismo se active en función de la temperatura calculada en el
entorno del tracto gastrointestinal. Opcionalmente, el mecanismo
puede ser controlado también por un operador a partir de la
temperatura visualizada.
Claims (16)
1. Un sistema para detectar la temperatura de un
entorno que consta de un sensor de imágenes (20) que comunica con
una unidad integrada (22), pudiendo dicho sensor de imágenes ser
introducido en dicho entorno; y estando preparada dicha unidad
integrada para obtener datos de corriente oscura del sensor de
imágenes con el fin de calcular (17), a partir del ruido de
corriente oscura, la temperatura del sensor de imágenes y determinar
así la temperatura (19) del entorno.
2. Un sistema conforme a la reivindicación 1 en
el que la unidad integrada amplifica (15) el ruido de corriente
oscura recibido antes de calcular la temperatura del sensor de
imágenes y la temperatura del entorno.
3. Un sistema conforme a la reivindicación 1 ó 2
que comprende además una unidad separada, que puede situarse
opcionalmente en el exterior del entorno y que comunica con la
unidad integrada para calcular la temperatura del sensor de
imágenes o la temperatura del entorno o para visualizar la
temperatura del entorno calculada.
4. Un sistema conforme a la reivindicación 2 ó 3
que comprende además una unidad separada que comunica con la unidad
integrada, llevando a cabo dicha unidad separada las tareas de
amplificar el ruido de corriente oscura recibido, calcular la
temperatura del sensor de imágenes o calcular la temperatura del
entorno.
5. Un sistema conforme a la reivindicación 1, 2,
3 ó 4 que comprende además un conmutador (24) que comunica con un
indicador de iluminación (26) para recibir datos sobre la
iluminación, habilitando dicho conmutador la comunicación entre el
sensor de imágenes y la unidad integrada únicamente durante uno o
más períodos en los que el sensor de imágenes no se encuentre
expuesto a la iluminación.
6. Un sistema conforme a la reivindicación 1, 2,
3 ó 4 que comprende además un conmutador (24) que controla los
elementos iluminadores (36) para exponer el sensor de imágenes a
períodos intermitentes de iluminación y oscuridad (11), habilitando
dicho conmutador la comunicación entre el sensor de imágenes y la
unidad integrada únicamente durante uno o más períodos de
oscuridad.
7. Un sistema conforme a cualquiera de las
reivindicaciones anteriores en el que dicha unidad integrada se
sitúa en el exterior del entorno.
8. Un sistema conforme a cualquiera de las
reivindicaciones anteriores en el que dicha unidad integrada se
sitúa con el sensor de imágenes en el interior del entorno.
9. Un sistema conforme a cualquiera de las
reivindicaciones anteriores que comprende además un medio de
visualización de la temperatura del entorno calculada.
10. Un sistema para la monitorización visual
simultánea a la detección de la temperatura de un entorno que
comprende el sensor de imágenes y la unidad integrada de cualquiera
de las reivindicaciones anteriores, estando preparado además dicho
sensor de imágenes para captar imágenes del entorno.
11. Un sistema conforme a cualquiera de las
reivindicaciones anteriores en el que el sensor de imágenes es una
cámara digital o de vídeo (32).
12. Un sistema conforme a cualquiera de las
reivindicaciones anteriores apto para ser utilizado cuando el
entorno es una cavidad corporal.
13. Un sistema conforme a cualquiera de las
reivindicaciones anteriores en el que la unidad integrada comunica
con las unidades funcionales de un dispositivo médico para activar
dichas unidades funcionales coincidiendo con una temperatura
predeterminada.
14. Un dispositivo médico que comprende el
sistema conforme a cualquiera de las reivindicaciones
anteriores.
15. Un dispositivo médico conforme a la
reivindicación 14 en el que el dispositivo es una cápsula de
captación de imágenes autónoma ingerible (30).
16. Un dispositivo médico que comprende el
sistema conforme a la reivindicación 13 y dichas unidades
funcionales, en el que las unidades funcionales son unidades
preparadas para la recogida de muestras del entorno.
Applications Claiming Priority (2)
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