WO2022023599A1 - Termosensímetro y método de medida de sensación térmica mediante gradiente térmico lineal - Google Patents

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WO2022023599A1
WO2022023599A1 PCT/ES2021/070520 ES2021070520W WO2022023599A1 WO 2022023599 A1 WO2022023599 A1 WO 2022023599A1 ES 2021070520 W ES2021070520 W ES 2021070520W WO 2022023599 A1 WO2022023599 A1 WO 2022023599A1
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thermal
temperature
scale
confidence
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Inventor
Rafael Campillos Ladero
Ángel EZQUERRA MARTÍNEZ
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Universidad Complutense De Madrid
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    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
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    • A61B5/4827—Touch or pain perception evaluation assessing touch sensitivity, e.g. for evaluation of pain threshold
    • A61B5/483—Touch or pain perception evaluation assessing touch sensitivity, e.g. for evaluation of pain threshold by thermal stimulation
    • G—PHYSICS
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    • G16H—HEALTHCARE INFORMATICS, i.e. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR THE HANDLING OR PROCESSING OF MEDICAL OR HEALTHCARE DATA
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    • G16H10/20—ICT specially adapted for the handling or processing of patient-related medical or healthcare data for electronic clinical trials or questionnaires

Definitions

  • the present invention falls within the sector of devices for detecting and measuring variables by interaction with a subject. More specifically, it refers to a device that allows measuring the thermal sensation experienced by a subject in the face of different stimuli.
  • the perception of temperature is one of the basic mechanisms of the somatosensory system and its operation is essential since variations of a few degrees can greatly affect the chemical and physiological processes of the organism and, therefore, its survival.
  • temperature variations activate a very large number of behaviors that go beyond the merely physiological (shivering, sweating, etc.), giving rise to adaptive behaviors (hiding from the sun, dressing up, etc.) and actions more complex, such as changing the temperature of the environment (making a fire or turning on the air conditioning, for example).
  • thermosensor system In the case of the thermosensor system, until now, studies have been carried out on alternative conceptions based on the way we perceive, their characteristics have been analyzed and the way in which their evolution occurs with respect to perceptions (Ezquerra-Romano, I. and Ezquerra, A. Highway to thermosensation: a traced review, from the proteins to de brain: Reviews in the Neurosciences (2017), 28(1), 41-47. Bokiniec, P. et al. The neural circuits of thermal perception.Current Opinion in Neurobiology (2016), 52 ⁇ 98-106).
  • Thermal perception is felt continuously when, in reality, there is a sensory fragmentation from the neurophysiological point of view.
  • Thermal perception is verbalized as an ordered qualitative scale, which makes us lose a lot of information.
  • the categories/words used have emotional and sociocultural components or aspects, and seem strongly dependent on individual issues and personal situation.
  • the present invention describes a novel device to quantify the thermal sensations of a subject and allows to know how the subject interprets the thermal sensation that he experiences and how he conceptualizes the physical magnitudes linked to this sensation. To do this, it takes measures that link neuroreceptive data and statements of the subject about these thermal concepts.
  • the device comprises an element that generates thermal sensations and a system for capturing the physiological, perceptive and conceptual variables of the individual.
  • Thermal sensations are determined by means of a work profile that generates a temperature gradient in order to offer these sensations tactilely.
  • the extremes of this temperature gradient lie within the limits of nociception (non-harmful perception).
  • the sensation capture system is a signal collection element that, when touched by the subject, indicates to the system the exact point where they have felt a thermal sensation similar to that of the object-problem.
  • the device can measure the reaction time (by subtracting the instant of presentation of the object-problem and the instant of capture of the sensation signal); qualitative estimation (through a keypad —real or on a computer screen— with the qualitative temperature scale); the quantitative estimation of the subject (through a keypad —real or on a computer screen— with the quantitative temperature scale) and the degree of confidence that the subject assigns to their responses (through a keypad —real or on a computer screen— computer—with the degree of confidence scale).
  • the device integrates an interactivity system with the subject to collect their responses.
  • the device allows the subject to be exposed to different thermal stimuli: different and/or variable temperatures, in different parts of the body, materials with different conductivities or thermal properties, different environmental conditions, etc. The subject touches the object-problem and indicates an answer.
  • the device has:
  • a temperature sensor module (102) also connected to an input of the PC.
  • buttons (B1, B2, B3) with resistances between 1kQ and 1MW, to digitally collect the information on the qualitative, quantitative and confidence estimation (108).
  • the dimensions of the working profile can be modified in order to guarantee the linearity of the thermal gradient generated. This adjustment of the dimensions is achieved with small extra extensions of mass (of conductive or insulating material) at the appropriate points to force or prevent heat dissipation. This way it is possible to avoid areas of overheating or cooling. These extensions are attached to the work profile by means of supports, screws or any other means that facilitates heat exchange.
  • Peltier plates are devices made up of numerous small joints between two metallic alloys that, in the presence of electric current, are capable of establishing a flow of heat in equilibrium; that is, on the one hand, it heats up and, on the other, it cools down. To achieve the temperature gradient, the working profile is heated through the end of a plate.
  • the other plate is placed flipped with respect to the first or in the same orientation, but changing the polarity (changes the direction of heat flow) cooling the other end of the profile.
  • the boards used in the prototype work in a range up to 4.7 V and 4 A, and limit temperatures of -29°C and 79°C.
  • the final current with which they feed is definitively established after previous tests and calibration with the metal profile so as not to produce overheating, non-linear conditions or temperature ranges lower than expected.
  • Other Peltier plates of similar range and different working currents, higher efficiency or even other advanced materials can be used, but always respecting the safe temperature range and the linearity of the generated gradient.
  • variable resistor for signal collection when touched by the subject, cuts the current and indicates to the system the exact point where the individual has felt a thermal sensation similar to that of the object-problem.
  • This variable resistor is like a potentiometer, in this case, in the form of a membrane with resistive properties.
  • the sensor is powered by the first pin with a certain voltage. While the sensor is open the electric current flows without any resistance towards the ground. When the sensor is pressed, a circuit is closed that allows a potential difference to be measured.
  • the Council Uno is an open source microcontroller board with open source code and specifications developed by the Engineering company.
  • the Engineering board is completely programmable from scratch, so that a new electronic system can be created.
  • the board has digital pins that collect information from modules or any electronic device that offers signals in digital format (1/0 -V > 0 / V ⁇ 0). It also has analog pins on which a quantized reading can be taken at a length of 10 bits (offering 1024 possible discrete values from 0V to max.
  • V- and power supply pins at 5V, 3.3V and ground which is not enough to power the boards, so the electrician is connected with a USB-B with which in turn information is received from the board through a text terminal emulating a serial port from a computer on any operating system (Win, Mac or Linux).
  • Win, Mac or Linux any operating system
  • the linear sensor is read; the sensor is powered by the 5V output and ground, while the linear sensor's measurement pin is connected to one of the chicken's analog inputs.
  • This input will either pick up a value between 0 and 1023, or it can be converted to voltage, resistance, etc. Regardless of the units, it is possible to work directly with the input value since the sensor indicates the position in which the pressure that closes the circuit is being exerted and it would only be necessary to calibrate the reading with the corresponding temperature in the metal profile, at be one-dimensionally parallel devices.
  • the PC input is also used for reading a temperature sensor module based on a metal thermocouple.
  • the final electronic assembly of the device requires only a breadboard for the assembly of the circuits with electrician or a plate with soldered elements. If the circuit is open, electrician has a harmonic or oscillating signal, which implies an unwanted signal in the sensor reading, so that when it is not pressed, its reading is always 0 V and a reading out of range can be assigned.
  • the design of the device aims to understand how sensations are interpreted and how the physical magnitudes linked to these sensations are conceptualized; thus, the device allows linking neuroperceptive data and statements about these thermal concepts since it automates the data collection of different dependent variables related to thermal perception, for example, thermal sensation over a temperature gradient, reaction time, estimation qualitative and quantitative of the subject and the degree of confidence that the subject assigns to their answers. In addition, it integrates all these data together and establishes relationships between the neurophysiological variables and the statements that involve the alternative conceptions.
  • thermosensor system (4) A lot of confidence so that these answers that express the subject's security or doubts allow us to assess the ambiguity generated by the thermosensor system and consider the conceptualization difficulties linked to these concepts. Response time, also automatically collected by the device.
  • Any other possible expression of the subject related to the sensation (such as pain, verbalizations about perceptual difficulties, etc.) by recording and archiving during the subject's exposure to the stimuli presented.
  • the range of perceptible temperatures without generating damage can be known. Specifically, it is possible to determine the sensitivity that a subject has to the different temperatures in the perceptual range, to link the perceptive sensitivity with the conceptions of cold and heat, to determine the subject's perception of the characteristics of the object (thermal conductivity) and the problems cognitive and educational aspects of this sensory indeterminacy, as well as evaluating perceptual detection times for the different temperatures within the perceptual range (which, in turn, allows establishing security measures).
  • the device is easily applicable in educational environments to facilitate the teaching-learning process of physical concepts. It is also useful for people of different ages and with different cognitive abilities, for the detection of cognitive or perceptual problems.
  • wearable devices are appearing on the market to adjust people's body temperature, which highlights the economic interest of innovating in the field of thermal comfort; In this sense, the described device allows to quantify and automate the collection of many variables related to thermal perception, being able to know the comfort standards.
  • the device can also be integrated into robots making them more sensitive to our thermal needs.
  • the extensions are attached to the work profile by means of supports, screws or any other system that allows parts to be put on and removed.
  • Two TEC1-03104 Peltier plates (102) are placed on the work profile, which work in a range of up to 4.7 V and 4 A with limit temperatures of -29°C and 79°C; the current with which they are fed is 4.5 V and 1 A.
  • a heat dissipating metal profile is placed, provided with a 12V fan, thus improving the efficiency of the plates.
  • a plastic variable resistor with tactile operation SPL0500203 from the SpectraSymbol Softpot series is placed as a signal collection element.
  • this resistor or potentiometer (103) For its operation, forces or pressures on the membrane of the order of 0.6 to 1.5 Newtons (61 to 153 g) are sufficient. That pressure is similar to what is usually offered on a touch screen of a Smartphone.
  • buttons B1, B2, B3
  • a button panel (108) is placed with a variable number of buttons (B1, B2, B3), connected in parallel between the 3.3 V output of the chicken and a pin analog, each with a different resistance value, closing the circuit with a 1 MW resistor (104) through the ground pin.
  • This allows a single input to give a different voltage to the analog input depending on the button pressed.
  • the value of the reading depends on the resistance associated with each button (RB1, RB2, RB3), in such a way that with a range between 1 kQ and 1MW, a large number of buttons can be connected to a single input associated with the different scales. and answers that you want to record.
  • the chicken (104) is powered by a 9 V battery or through a USB cable with which communications are received from the board through a text terminal emulating a serial port from any computer and on any operating system (Linux, Windows or Mac).
  • the temperature sensor module (105) is read based on a DS18B20 metal thermocouple with a measurement range of -55°C to 125°C with an error of ⁇ 0.5°C. It has three pins, one for power supply with voltage between 3 and 5.5 V, one for ground and a third pin for reading.
  • the reading format is a standard in OneWire electronics (Strissagen, s.f.) that directly offers a reading already calibrated and converted into °C units by an chicken digital input pin. This thermometer is valid both for the calibration between metal temperature and sensor reading and for taking the temperature of possible sample objects or problem objects.
  • two resistors (104) are necessary: one of 4.7 W for the DS18B20 between the voltage input and the reading pin, and another much larger one of 1 MW for the linear sensor between the voltage input and the reading pin. reading.

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Abstract

La presente invención describe un dispositivo que permite medir la sensación térmica que experimenta un sujeto ante diferentes estímulos. Hasta el momento, solamente se había podido medir la percepción térmica de forma cualitativa empleando métodos de medidas que presentan dificultades. La presente invención describe un novedoso método y dispositivo para cuantificar las sensaciones térmicas de un sujeto y permite conocer cómo el sujeto interpreta la sensación térmica que experimenta y cómo conceptualiza las magnitudes físicas ligadas a esta sensación. Para ello, se toman medidas que vinculan datos neurorreceptivos y declaraciones del sujeto sobre estos conceptos térmicos de forma que es posible cuantificar la percepción de temperatura recogiendo datos en continuo, eliminando la subjetividad y permitiendo establecer una vinculación entre diferentes variables como sensaciones, verbalizaciones y escalas cuantitativas y cualitativas

Description

D E S C R Ó N
Termosensímetro y método de medida de sensación térmica mediante gradiente térmico lineal
SECTOR DE LA TÉCNICA
La presente invención se encuadra en el sector de dispositivos de detección y medida de variables por interacción con un sujeto. De forma más concreta, se refiere a un dispositivo que permite medir la sensación térmica que experimenta un sujeto ante diferentes estímulos.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
La percepción de temperatura es uno de los mecanismos básicos del sistema somatosensorial y su funcionamiento es imprescindible ya que variaciones de unos pocos grados pueden afectar en gran medida a los procesos químicos y fisiológicos del organismo y, por tanto, a su supervivencia.
En el caso del ser humano, las variaciones de temperatura activan un número muy amplio de conductas que van más allá de lo meramente fisiológico (tiritar, sudar, etc.), dándose comportamientos adaptativos (esconderse del sol, abrigarse, etc.) y acciones más complejas como cambiar la temperatura del entorno (haciendo fuego o encendiendo el aire acondicionado, por ejemplo).
Estas conductas son la expresión de un proceso cognitivo que parece implicar la existencia de una representación o conceptualización mental de los procesos de frío, calor y temperatura (Ezquerra, A. y Ezquerra-Romano, I. From thermosensation to the concepts of heat and temperature: a posible neuroscientific component. EURASIA Journal of Mathematics, Science and Technology Education (2018), 14(2), 1-11). Dichas conceptualizaciones se desarrollan en una secuencia denominada trayectoria conceptual y comprende una progresión en la comprensión de conceptos a través de sucesivos aprendizajes ordenados en secuencias; los conceptos de cada etapa de la trayectoria conceptual se denominan concepciones alternativas, ideas espontáneas o errores conceptuales y presentan tres características comunes: universalidad, resistencia y persistencia. Estas características sugieren que hay un mecanismo sensorial subyacente común a todos los seres humanos que, según algunas líneas de investigación, se debe al funcionamiento y desarrollo del sistema sensorial. La forma en que cada sentido recoge la información del exterior y la procesa, moldeando o generando de este modo las concepciones alternativas. Pero, las concepciones alternativas no solo tienen su origen en la interpretación de las sensaciones sino también en la misma ambigüedad o indeterminación de los sistemas sensoriales (Kubricht, J. R., Holyoak, K. J., y Lu, H. Intuitive physics: current research and controversies. Trends in Cognitive Sciences (2017), 21(10), 749-759. https://doi.Org/10.1016/j.tics.2017.06.002)
En el caso del sistema termosensor, hasta la actualidad, se han desarrollado estudios sobre las concepciones alternativas a partir del modo en que percibimos, se han analizado sus características y la manera en que se produce su evolución respecto a las percepciones (Ezquerra-Romano, I. y Ezquerra, A. Highway to thermosensation: a traced review, from the proteins to de brain. Reviews in the Neurosciences (2017), 28(1), 41-47. Bokiniec, P. et al. The neural circuits of thermal perception. Current Opinión in Neurobiology (2018), 52 \ 98-106).
Sin embargo, aún no ha sido posible interpretar la percepción de la temperatura como resultado de la interacción de nuestro organismo con magnitudes físicas y tampoco se han podido estudiar las concepciones alternativas en función de factores neurofisiológicos medibles. Solamente se ha podido medir la percepción térmica de forma cualitativa (por ejemplo, los descritos en los documentos US2016/0374606 y US2019/0278374) empleando métodos de medidas que presentan las siguientes dificultades:
La percepción térmica se siente de forma continua cuando, en realidad, hay una fragmentación sensitiva desde el punto de vista neurofisiológico.
La percepción térmica se verbaliza como una escala cualitativa ordenada, lo cual hace perder mucha información.
Las categorías/palabras utilizadas tienen componentes o aspectos emocionales y socioculturales, y parecen fuertemente dependientes de cuestiones individuales y de situación personal.
Resulta complicado asegurar que los términos utilizados por cada individuo sean utilizados por todos de la misma forma para definir las mismas percepciones. Es decir, puede que un individuo difiera de otros cuando realiza una asignación entre términos y percepción, algo difícil de controlar y que impide establecer vínculos fiables desde los niveles cognitivos superiores a los niveles inferiores o mecanismos sensores.
Por ello, sería deseable, disponer de un método de medida capaz de cuantificar la percepción de temperatura recogiendo datos en continuo, eliminando la subjetividad y que permita establecer una vinculación entre diferentes variables como sensaciones, verbalizaciones y escalas cuantitativas y cualitativas.
EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención describe un novedoso dispositivo para cuantificar las sensaciones térmicas de un sujeto y permite conocer cómo el sujeto interpreta la sensación térmica que experimenta y cómo conceptualiza las magnitudes físicas ligadas a esta sensación. Para ello, toma medidas que vinculan datos neurorreceptivos y declaraciones del sujeto sobre estos conceptos térmicos.
El dispositivo comprende un elemento generador de sensaciones térmicas y un sistema de captación de las variables fisiológicas, perceptivas y conceptuales del individuo.
La determinación de las sensaciones térmicas se realiza mediante un perfil de trabajo que genera un gradiente de temperaturas para poder ofrecer esas sensaciones de forma táctil. Los extremos de este gradiente de temperatura se sitúan dentro en los límites de la nocicepción (percepción no nociva). El sistema de captación de la sensación es un elemento de recogida de señal que, al ser tocado por el sujeto, indica al sistema el punto exacto donde ha sentido una sensación térmica similar a la del objeto-problema. Así mismo, el aparato puede medir el tiempo de reacción (al restar el instante de presentación del objeto-problema y el instante de captación de la señal de la sensación); la estimación cualitativa (a través de una botonera —real o sobre pantalla de ordenador— con la escala cualitativa de temperaturas); la estimación cuantitativa del sujeto (a través de una botonera —real o sobre pantalla de ordenador— con la escala cuantitativa de temperaturas) y el grado de confianza que el sujeto asigna a sus respuestas (a través de una botonera —real o sobre pantalla de ordenador— con la escala del grado de confianza). Dado que el sujeto debe sentir in vivo distintos escenarios relacionados con la temperatura, el dispositivo integra un sistema de interactividad con el sujeto para recoger sus respuestas. En concreto, el dispositivo permite que el sujeto sea expuesto a diferentes estímulos térmicos: temperaturas distintas y/o variables, en diferentes partes del cuerpo, materiales con conductividades o propiedades térmicas distintas, condiciones ambientales diferentes, etc. El sujeto toca el objeto-problema e indica una respuesta.
El dispositivo dispone de:
Un soporte (100) formado por un material aislante del calor.
Un perfil de trabajo que sea buen conductor térmico, que se sitúa sobre el soporte (107).
Dos placas Peltier (103) comunes en electrónica que se colocan sobre el perfil de trabajo.
Un resistor variable (105) plástico de funcionamiento táctil que constituye el elemento de recogida de la señal al ser tocado por el individuo.
Un dispositivo Arduino Uno (101) anexo al perfil de trabajo totalmente programable.
Un módulo sensor de temperatura (102) también conectado a una entrada del Arduino.
Una fuente de alimentación para las placas peltier (106)
Elementos resistivos de control y ajuste de señal (104).
Un conjunto variable de botones (B1, B2, B3), con resistencias entre 1kQ y 1MW, para recoger de forma digital la información sobre la estimación cualitativa, cuantitativa y de confianza (108).
Un elemento de ensamblaje de los circuitos con Arduino o breadboard.
Las dimensiones del perfil de trabajo se pueden modificar para poder garantizar la linealidad del gradiente térmico generado. Este ajuste de las dimensiones se consigue con pequeñas extensiones extras de masa (de material conductor o aislante) en los puntos adecuados para forzar o impedir la disipación de calor. Así se consigue evitar zonas de sobrecalentamiento o enfriamiento. Estas extensiones van adheridas al perfil de trabajo por medio de soportes, tornillos o cualquier otro medio que facilite el intercambio térmico. Las placas Peltier son dispositivos formados por numerosas pequeñas uniones entre dos aleaciones metálicas que, ante el paso de corriente eléctrica, son capaces de establecer un flujo de calor en equilibrio; es decir, por un lado, se calienta y, por el otro, se enfría. Para conseguir el gradiente de temperatura se calienta el perfil de trabajo a través del extremo de una placa. En el otro extremo se coloca la otra placa volteada respecto a la primera o bien en la misma orientación, pero cambiando la polaridad (cambia el sentido del flujo de calor) enfriando el otro extremo del perfil. Para mejorar el contacto también se puede utilizar una pasta térmica que facilita el intercambio de calor entre elementos electrónicos. Las placas utilizadas en el prototipo funcionan en un rango hasta 4,7 V y 4 A, y temperaturas límites de -29°C y 79°C. La corriente final con la que alimentan se establece definitivamente después de pruebas previas y calibración con el perfil de metal para no producir sobrecalentamientos, condiciones no lineales o rangos de temperatura menores de lo esperado. Pueden usarse otras placas Peltier de rango similar y corrientes de trabajo diferentes, mayor eficiencia o incluso otros materiales avanzados, pero siempre respetando el rango de temperaturas inocuas y la linealidad del gradiente generado.
El resistor variable para la recogida de señal, al ser tocado por el sujeto, corta la corriente e indica al sistema el punto exacto donde el individuo ha sentido una sensación térmica similar a la del objeto-problema. Este resistor variable es como un potenciómetro, en este caso, en forma de membrana con propiedades resistivas. El sensor es alimentado por el primer pin con un voltaje determinado. Mientras el sensor está abierto la corriente eléctrica circula sin ninguna resistencia hacia la tierra. Cuando el sensor es pulsado se cierra un circuito que permite medir una diferencia de potencial.
El dispositivo Arduino Uno es una placa microcontrolada de código y especificaciones abiertas en opensource desarrollado por la compañía Arduino. La placa Arduino es totalmente programable desde cero, de forma que se puede crear un sistema electrónico nuevo. La placa dispone de pines digitales que recogen información de módulos o cualquier dispositivo electrónico que ofrezca señales en formato digital (1/0 -V > 0 / V < 0). Tiene además pines analógicos en los que se puede tomar una lectura cuantizada en una longitud de 10 bits (ofreciendo 1024 valores discretos posibles de 0V a máx. V- y pines de alimentación eléctrica a 5V, 3.3V y tierra que no es suficiente para alimentar las placas, por lo que el Arduino se conecta con un USB-B con el que a su vez se recibe información de la placa a través de un terminal de texto emulando un puerto serie desde un ordenador sobre cualquier sistema operativo (Win, Mac o Linux).
A través del Arduino se realiza la lectura del sensor lineal; el sensor se alimenta con la salida de 5V y la tierra, mientas que el pin de medición del sensor lineal se conecta a una de las entradas analógicas del Arduino. Esta entrada, bien recogerá un valor entre 0 y 1023, o bien se puede convertir a voltaje, resistencia, etc. Independientemente de las unidades, se puede trabajar directamente con el valor de entrada ya que el sensor indica la posición en que se está ejerciendo la presión que cierra el circuito y sólo sería necesario calibrar la lectura con la temperatura correspondiente en el perfil de metal, al ser dispositivos unidimensionalmente paralelos.
También se utiliza la entrada de Arduino para la lectura de un módulo sensor de temperatura basado en un termopar metálico.
El montaje electrónico final del dispositivo requiere únicamente de una breadboard para el ensamblaje de los circuitos con Arduino o bien una placa con elementos soldados. Si el circuito estuviera abierto, Arduino tiene una señal armónica u oscilante, lo que implica una señal indeseada en la lectura del sensor, de forma que al no ser pulsado su lectura es siempre 0 V y se puede asignar una lectura fuera de rango.
El diseño del dispositivo tiene por objeto comprender cómo se interpretan las sensaciones y cómo se conceptualizan las magnitudes físicas ligadas a estas sensaciones; así, el dispositivo permite vincular datos neuroperceptivos y declaraciones sobre estos conceptos térmicos ya que automatiza la recogida de datos de diferentes variables dependientes relacionadas con la percepción térmica, por ejemplo, la sensación térmica sobre un gradiente de temperaturas, el tiempo de reacción, la estimación cualitativa y cuantitativa del sujeto y el grado de confianza que el sujeto asigna a sus respuestas. Además, integra conjuntamente todos estos datos y establece relaciones entre las variables neurofisiológicas y las declaraciones que involucran las concepciones alternativas.
Para realizar la medida, una vez informado el sujeto sobre el ensayo que va a realizar, se recogen los siguientes datos: Estímulos presentados (variable independiente ya que se eligen previamente): temperatura propuesta y características del material.
Sensación experimentada mediante asignación que el individuo hace sobre un gradiente térmico generado ex profeso por el dispositivo; este dato es recogido de forma automática.
Percepción de la temperatura expresada de modo cualitativo sobre una escala de categorías; este dato es recogido y archivado de modo automático y la escala de categorías es una versión en español de la propuesta por Green (Green, B.G. et al. Nociceptive sensations evoked from spots in the skin by mild cooling and heating. Pain (2018), 135(1), 67-73):
MF: muy frío F: frío
N: neutral (ni fío ni caliente)
C: caliente MC: muy caliente NS/NC: no sabe/no contesta
Percepción de la temperatura expresada de modo cuantitativo sobre una escala numérica; este dato también se recoge y almacena de forma automática y se plantea como un escalonado de 5 °C, lo cual permite unos rellanos de ±2,5 °C aunque puede variar si se desea.
Nivel de confianza en las respuestas anteriores; se utiliza una escala de tipo Likert (Lavrakas, P.J. Likert Scale. Encyclopedia of survey research methods (2008) Thousand Oaks, CA: Sage Publications, Inc.) sobre la seguridad de las respuestas dadas, donde el sujeto elige entre las siguientes opciones:
(1) Muy poca confianza
(2) Poca confianza
(3) Algo de confianza
(4) Mucha confianza de forma que estas respuestas que expresan la seguridad o las dudas del sujeto permiten valorar la ambigüedad que genera el sistema termosensor y considerar las dificultades de conceptualización ligadas a estos conceptos. Tiempo de respuesta, también recogido de forma automática por el dispositivo.
Cualquier otra posible expresión del sujeto relacionada con la sensación (como dolor, verbalizaciones sobre dificultades de percepción, etc.) mediante grabación y archivo durante la exposición del sujeto a los estímulos presentados.
A través de estos ensayos se pueden conocer el rango de temperaturas perceptibles sin generación de daños. En concreto, se puede determinar la sensibilidad que un sujeto tiene a las distintas temperaturas en el rango perceptivo, vincular la sensibilidad perceptiva con las concepciones de frío y calor, determinar la percepción del sujeto frente a características del objeto (conductividad térmica) y los problemas cognitivos y educativos de esta indeterminación sensitiva así como valorar tiempos de detección perceptiva para las distintas temperaturas dentro del rango perceptivo (lo cual permite, a su vez, establecer medidas de seguridad).
El dispositivo es fácilmente aplicable en entornos educativos para facilitar el proceso de enseñanza-aprendizaje de los conceptos físicos. También es útil para personas de diferentes edades y con diferentes capacidades cognitivas, para la detección de problemas cognitivos o perceptivos. Por otra parte, en el ámbito del confort térmico, están apareciendo en el mercado dispositivos wearables para adecuar la temperatura corporal de las personas, lo cual pone de manifiesto el interés económico de innovar en el ámbito del confort térmico; en este sentido, el dispositivo descrito permite cuantificar y automatizar la recogida de muchas variables relacionadas con la percepción térmica pudiendo conocer los estándares de confort. El dispositivo también puede ser integrado en robots haciéndolos más sensibles a nuestras necesidades térmicas.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
Figura 1. Esquema del circuito y conexiones del dispositivo.
A continuación, se proporciona una lista de los distintos elementos representados en la figura que se integra en la invención:
100 = Soporte de material no conductor térmico
101 = Arduino Uno
102 = Termómetro
103 = Placas Peltier
104 = Resistencias
105 = Sensor lineal / Potenciómetro táctil
106 = Fuente de alimentación
107 = Perfil de material conductor del calor
108 = Botonera
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
La presente invención se ilustra mediante el siguiente ejemplo, el cual no pretende ser limitativo de su alcance.
Ejemplo 1.
En una realización preferente de la invención, el dispositivo consta de un soporte (100) de madera sobre el que se sitúa de forma aislada un perfil de trabajo (101) de aluminio con una conductividad s = 37,8 x 106 S/m, unas dimensiones de 6x1.5x500 mm y que dispone de pequeñas extensiones extras de masa en los puntos adecuados para forzar o impedir la disipación del calor garantizando la linealidad del gradiente térmico generado. Las extensiones van adheridas al perfil de trabajo por medio de soportes, tornillos o cualquier otro sistema que permita poner y quitar piezas.
Sobre el perfil de trabajo se colocan dos placas Peltier (102) TEC1-03104 que funcionan en un rango de hasta 4.7 V y 4 A con temperaturas límites de -29°C y 79°C; la corriente con la que se alimentan es de 4,5 V y 1 A. Para facilitar un flujo de calor fuera del aluminio (enfria iento) se coloca un perfil metálico disipador de calor provisto de un ventilador de 12V, mejorando así la eficiencia de las placas.
Como elemento de recogida de señal se sitúa un resistor variable plástico de funcionamiento táctil SPL0500203 de la serie Softpot de SpectraSymbol. Para el funcionamiento de este resistor o potenciómetro (103). Para su funcionamiento bastan fuerzas o presiones en la membrana del orden de 0.6 a 1.5 Newtons (61 a 153 g). Esa presión es similar a la que se suele ofrecer sobre una pantalla táctil de un Smartphone.
Para la recogida de la información sobre la estimación cualitativa, cuantitativa y de confianza se sitúa una botonera (108) con un número variable de botones (B1,B2,B3), conectados en paralelo entre la salida de 3.3 V de Arduino y un pin analógico, cada uno con un valor de resistencia distinto, cerrando el circuito una resistencia (104) de 1 MW por el pin de tierra. Esto permite mediante una única entrada dar un voltaje distinto en la entrada analógica según el botón presionado. El valor de la lectura depende de la resistencia asociada a cada botón (RB1 , RB2, RB3), de tal forma que con un rango entre 1 kQ y 1MW se pueden conectar un número grande de botones en una única entrada asociados a las distintas escalas y respuestas que se deseen registrar.
El Arduino (104) se alimenta con una pila de 9 V o a través de un cable USB con que se reciben comunicaciones de la placa a través de un terminal de texto emulando un puerto de serie desde cualquier ordenador y sobre cualquier sistema operativo (Linux, Win o Mac). A través de este Arduino se realiza la lectura del módulo sensor de temperatura (105) basado en un termopar metálico DS18B20 con un rango de medición de -55°C a 125°C con un error de ±0.5°C. Dispone de tres pines, uno de alimentación con voltaje entre 3 y 5.5 V, uno de tierra y un tercer pin para lectura. El formato de lectura es un estándar en electrónica OneWire (Stoffregen, s.f.) que ofrece directamente una lectura ya calibrada y convertida en unidades de °C por un pin digital de entrada de Arduino. Este termómetro vale tanto para la calibración entre temperatura del metal y lectura del sensor como para la toma de la temperatura de posibles objetos de muestra o bien objetos-problema.
Para el montaje electrónico son necesarias dos resistencias (104): una de 4.7 W para el DS18B20 entre la entrada de voltaje y el pin de lectura, y otra muy superior de 1 MW para el sensor lineal entre la entrada de voltaje y el pin de lectura.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Dispositivo de medida de las sensaciones térmicas de un sujeto, según reivindicación 1, que comprende:
- Un soporte (100) formado por un material aislante del calor.
- Un perfil de trabajo que sea buen conductor térmico, que se sitúa sobre el soporte (107) y que genera un gradiente de temperatura lineal dentro de los límites de percepción no nociva.
- Dos placas Peltier (103) comunes en electrónica que se colocan sobre el perfil de trabajo.
- Un resistor variable (105) plástico de funcionamiento táctil que constituye el elemento de recogida de la señal que, al ser tocado por el sujeto, indica al sistema el punto exacto donde ha sentido una sensación térmica similar al de un objeto-problema así como el tiempo de reacción, desde que se presenta el objeto problema hasta que capta la señal de la sensación).
- Un dispositivo Arduino Uno (101) anexo al perfil de trabajo totalmente programable.
- Un módulo sensor de temperatura (102) también conectado a una entrada del Arduino
- Una fuente de alimentación (106)
- Resistencias (104).
- Botonera (108) que dispone de una escala de cualitativa, una escala cualitativa de temperaturas y una escala del grado de confianza que el sujeto asigna a sus respuestas.
- Un elemento de ensamblaje de los circuitos con Arduino o breadboard.
2. Dispositivo, según reivindicación 1 , donde el perfil de trabajo tiene dimensiones modificables mediante extensiones extras de masa, de material conductor o aislante, en los puntos adecuados para forzar o impedir la disipación de calor y evitar sobre calentamiento o enfriamiento.
3. Dispositivo, según reivindicaciones anteriores, donde las placas Peltier se colocan en los extremos del perfil de trabaja y funcionan en un rango de temperaturas límites de -29°C y 79°C.
4. Dispositivo, según reivindicaciones anteriores, donde se incorpora una pasta térmica que facilita el intercambio de calor entre elementos electrónicos.
5. Dispositivo, según reivindicación 1, que comprende:
- un soporte (100) de madera sobre el que se sitúa de forma aislada un perfil de trabajo (107) de aluminio con una conductividad s = 37,8 x 106 S/m, unas dimensiones de 6x1.5x500 mm y que dispone de pequeñas extensiones extras de masa en los puntos adheridas al perfil de trabajo;
- dos placas Peltier (103) TEC1-03104 colocadas sobre el perfil de trabajo que funcionan en un rango de hasta 4.7 V y 4 A con temperaturas límites de -29°C y 79°C; la corriente con la que se alimentan es de 4,5 V y 1 A a través de una fuente de alimentación (106);
- un perfil metálico disipador de calor provisto de un ventilador de 12V, mejorando así la eficiencia de las placas
- un resistor variable plástico de funcionamiento táctil SPL0500203 de la serie Softpot de SpectraSymbol como elemento de recogida de señal. Para el funcionamiento de este resistor o potenciómetro (105).
- un Arduino (101) que se alimenta con una pila de 9 V o a través de un cable USB que realiza la lectura del módulo sensor de temperatura (102) basado en un termopar metálico DS18B20 con un rango de medición de -55°C a 125°C con un error de ±0.5°C; dispone de tres pines, uno de alimentación con voltaje entre 3 y 5.5 V, uno de tierra y un tercer pin para lectura.
- dos resistencias (104) para el montaje electrónico: una de 4.7 kQ para el DS18B20 entre la entrada de voltaje y el pin de lectura, y otra muy superior de 1 MW para el sensor lineal entre la entrada de voltaje y el pin de lectura
6. Método de medida de las sensaciones térmicas de un sujeto mediante gradiente térmico lineal utilizando el dispositivo reivindicado caracterizado porque toma medidas que vinculan datos neurorreceptivos y declaraciones del sujeto sobre estos conceptos térmicos mediante la recogida de los siguientes datos:
Estímulos presentados: temperatura y características del material.
Sensación experimentada mediante asignación (muda) que el individuo hace sobre un gradiente térmico generado ex profeso por el dispositivo; este dato es recogido de forma automática.
Percepción de la temperatura expresada de modo cualitativo sobre una escala de categorías
Percepción de la temperatura expresada de modo cuantitativo sobre una escala numérica
Nivel de confianza en las respuestas anteriores.
- Tiempo de respuesta, también recogido de forma automática por el dispositivo.
- Cualquier otra posible expresión del sujeto relacionada con la sensación (como dolor, verbalizaciones sobre dificultades de percepción, etc.) mediante grabación y archivo durante la exposición del sujeto a los estímulos presentados.
7. Método de medida de las sensaciones térmicas de un sujeto, según reivindicación 6, donde la escala de categorías para medir la percepción cualitativa de la temperatura es una versión de la escala de Green:
MF: muy frío F: frío
N: neutral (ni fío ni caliente)
C: caliente
MC: muy caliente
NS/NC: no sabe/no contesta
8. Método de medida de las sensaciones térmicas de un sujeto, según reivindicación 6, donde la escala de categorías para medir la percepción cuantitativa de la temperatura es una escala numérica que se plantea como un escalonado de 5 °C, lo cual permite unos rellanos de ±2,5 °C aunque puede variar si se desea.
9. Método de medida de las sensaciones térmicas de un sujeto, según reivindicación 6, donde el nivel de confianza de las respuestas se calcula empleando una escala tipo Likert que incluye las siguientes opciones: (1) Muy poca confianza
(2) Poca confianza
(3) Algo de confianza
(4) Mucha confianza de forma que estas respuestas que expresan la seguridad o las dudas del sujeto permiten valorar la ambigüedad que genera el sistema termosensor y considerar las dificultades de conceptualización ligadas a estos conceptos
10. Uso del dispositivo reivindicado en el proceso de enseñanza - aprendizaje de los conceptos físicos.
11. Uso del dispositivo reivindicado para la detección de problemas cognitivos o perceptivos.
12. Uso del dispositivo reivindicado integrado en otro dispositivo o robot.
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