CN109008989B - 腹部核温的测量方法和设备 - Google Patents
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Abstract
腹部核温的测量设备，包括测量装置和计算控制装置，测量装置设于腹部皮肤表面，包括多个温度传感器、可变加热器及传热介质，温度传感器设于传热介质上下横跨两个温度差位置；计算控制装置包括计算单元、存储单元、电池及显示器，计算单元中构建有核温测量模型。测量方法是计算器配置为使用所述多个温度传感器采集接近肠道的腹部体表温度TS和传导热流温度T2，通过计算器得到离开腹部体表的热流密度q，在不同时刻可变加热器给同一位置腹部体表加热扰动，获得不同时刻的不同TS、q、T2的值,而输出接近腹部肠道内的核心温度Tx。本发明实现无创、实时、精准测人体肠道内核心温度，有效解决了现有无创测温技术不能测量到体内核心温度的缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及人体医疗核心体温监测设备技术领域，特别涉及腹部核温的测量方法和设备。
背景技术
人体核心温度是一种重要的医学生命体征，在发烧和术后康复等多种情况下体温是随着身体康复情况不断发生变化的，往往需要在这期间需要长期的对人体核心温度进行实时测量，医疗测量的人体核心温度是指身体内部胸腔、腹腔和中枢神经的温度，由于人体核温度不易测试，临床上常以耳膜、前额、口腔、腋窝、直肠等处的温度来代表体温，而实际的核心唯独和这些位置测量的温度相差了0.2-0.8 度，直肠温度最接近于人体核心温度的。人体核心温度偏离正常范围 1摄氏度就可能危及到生命，所以能长期、实时、准确、快速的测量到人体核心温度至关重要。
但是目前测量人体核心温度，是通过有创的方法，将带有温度传感器的导管***人体血管内或是直肠内来获取人体核心温度，这些方法可能会产生副作用、感染、血管凝固等后果，对于患者而言是极大的痛苦和不舒适。并且***人体血管内或是直肠内测温也不太适合长期实时的检测。
或是通过测量体表温度来估计核心温度，这是将手或是热电偶、热敏电阻、电子温度传感器、红外线温度测量仪器与前额接触，可以估计核心温度，但是由于人体皮肤和其他中间组织内外的温度降幅，这些传感器采集的温度与核心温度有一定的误差，这一温度误差不是恒定的，而是根据个体的差异、出汗、室温、测量部位、脂肪厚度等因素而显著改变，而且前额测温不方便固定和配戴也不太适合长期实时的检测。
还有通过口腔温度计估计核心温度，将温度计放置在舌下测量到的温度和核心温度相差0.2摄氏度左右，然而即使口腔温度也存在小误差，如呼吸、摄食或是其他空腔活动也会导致测量温度的误差。通过口腔测量核心温度也不太适合长期实时的监测。
还有通过***式耳道的红外体温计，鼓膜相对紧靠脑部并且相对准确反映核心体温，但是每个人的耳道形状都不相同，而耳道的弯曲可能会和耳道内耳垢等因素会阻碍接近鼓膜，导致测量温度误差的增加。温度计与鼓膜的接触容易引起耳部感染，这是严重的医疗状况。通过鼓膜测量核心温度也不太适合长期实时的监测。
还有通过将温度传感器放入腋下，通过加紧腋窝，使腋下形成封闭的环境防止热量流失，从而获得估计核心温度，通常腋下温度比核心温度相差0.2-0.8摄氏度，然而腋下温度也存在小误差，特被是在手臂活动、站起、拿东西时不容让腋下保持封闭的环境，导致测量温度误差急剧变大。通过腋下测量核心温度也不太适合长期实时的监测。
还有通过在腹部固定一个温度传感器来获取腹部接近肠道的温度，从而来估计人体核心温度，但是因为个体的差异导致误差变大，如婴儿时期腹部的脂肪组织比较薄，皮肤紧贴内部肠道所以所测的温度能比较准确的反映体内核心温度，随着人的成长，腹部组织和脂肪不当变厚，组织内部的温度下降，导致通过这种方法测量的温度离核心温度的误差不断变大，不能准确反映不同年龄、不同胖瘦等人群的核心温度。
发明内容
本发明要解决现有技术的问题，提供腹部核温的测量方法和设备，能实现不同年龄段、不同人群、可配戴、无创、长期、实时、快速、准确的人体核心温度测量。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
腹部核温的测量设备，包括测量装置和计算控制装置，所述测量装置设于腹部皮肤表面，包括多个温度传感器、可变加热器及传热介质，温度传感器设于传热介质上下横跨两个温度差位置；所述计算控制装置包括计算单元、存储单元、电池及显示器，计算单元中构建有核温测量模型。温度传感器获取腹部皮肤表面温度和腹部皮肤表面温度向外传导到传热介质的温度，可变加热器为接近肠道核心温度的腹部皮肤表面温度或位于所述表面附近的腹部测量区域提供加热扰动。传热介质是具有特定厚度和截面积的特殊导热介质。
计算控制装置将温度传感器、可变加热器采集的数据输入计算单元预先构建的核温测量模型中，核温测量模型的输出结果作为所述待测量人体腹部肠道的核心温度。计算单元对温度传感器采集的读数进行计算可获取腹部皮肤表面温度向外传导的热流密度。其中，存储单元其对生成的数字进行保存，显示器将数值显示，电池用于给设备提供电源。
最为优选，所述测量装置向外一侧设有隔热层。隔热层是由具有高隔热效果的聚乙烯气泡材料薄膜组成，为测量装置形成封闭的热传导环境，隔绝外部温度对测量装置的温度干扰。
最为优选，所述计算控制装置中设有温度采样单元。通过温度采样单元来控制多个温度传感器进行温度采样和对可变加热器施加温度扰动，同时由于温度传感器是热电阻类型传感器，在测量温度时会因为电偶电压特性的非线性误差，导致不同颗粒的电阻值不标准，所以采用温度采样单元进行校准，以提高采样温度的准确性，将有效的温度数据读出到计算控制装置，通过计算单元将数据进行运算读出准确的核心温度数值。
最为优选，所述计算控制装置中还设有通信单元及无线接收和发射器，将数据传输到接收设备，接收设备通过物联网协议将数据传输到终端设备，终端设备储存数据或进一步将数据传输到云端服务器储存。
最为优选，还设有佩戴装置，包括弯折部及弯折部两端的对折部，所述测量装置设于其中一个对折部内。这样可以夹在衣物上，如内裤。
最为优选，所述佩戴装置采用柔性硅胶材质且对折部的相向面设置有磁铁片。这样可以夹紧衣物，从而起到固定和自然贴合皮肤的效果，一起到实现小范围封闭空的作用，避免因为诸如皮肤表面汗水的挥发、环境温度、空气对流等因素变化可能导致一些误差。
腹部核温的测量方法，所述测量方法包括以下步骤：
S1、通过人体皮肤表面和环境的温度来自动判断测量设备的开机：将开机阀值设定在34℃和45℃，在人体温度低于35℃或高于45℃时，可以判定设备处于关机状态，当人体温度在35℃-45℃之间时，可以判定关机开机。因为35℃-45℃是人体可能出现的温度区间，人体温度低于35℃对于活人来说是不可能出现的自然是表面设备并没有配戴在人体上，高于45℃也同样如此。
S2、获取各温度传感器数据：在Δt1时间内，温度传感器连续采集接近腹部肠道的腹部测量区域内皮肤脂肪组织层的体表温度Ts c读值，以及连续采集传热介质相对于体表另一侧的表面温度T2 c读值。
S3、将数据输入计算单元，计算方程组(1)为：
(1)
公式中，h6为传热介质厚度，λ6为传热介质导热系数，qc为传热介质热流密度，hx为人体脂肪厚度，λx为人体脂肪导热系数，Tx为人体肠道核心温度。由人体导热原理可知，人体通过腹部表面向外界散发的热流密度q与通过紧贴腹部传热介质的热流密度qc相等。
S4、将数据传输到上位机。
S5、通过人体皮肤表面和环境的温度来自动判断测量设备的关机。也可以通过手动关闭。
最为优选，在S2步骤中增加在不同时间、不同温度干扰下获取各温度传感器数据：在Δt2时间内，改变可变加热器温度，待所有检测参数稳定后，温度传感器连续采集接近腹部肠道的腹部测量区域内皮肤脂肪组织层的体表温度读值，以及连续采集传热介质相对于体表另一侧的表面温度/>读值。
最为优选，在S3步骤中将Δt2时间内采集的数据输入计算单元，计算方程组(2)为：
(2)
综合方程组(1)与(2)，得到方程组(3)为：
(3)
qh为加热后传热介质热流密度，通过求解方程组(3)，可以获取肠道核心温度Tx。由人体导热原理可知，加热后人体通过腹部向外界散发的热流密度qx与通过紧贴腹部导热片的热流密度相等qh。
最为优选，判断所有检测参数稳定是否达到稳定状态的方法为：
改变可变加热器温度，每隔Δt秒记录上表面温度分别得到 t1、t2……、ti-1、ti、ti+1时刻的温度/>得到温度升高速率为：
当ki≤0.00001时，即认为中所有检测参数达到稳定状态。
本发明的有益效果在于：1、实现无创、实时、精准测人体肠道内核心温度，有效解决了现有无创测温技术不能测量到体内核心温度的缺陷；
2、使用方便，可长期配戴来监测人体腹部肠道的核心温度；
3、不同年龄人群和不同胖瘦人群都可以测量到人体腹部肠道的核心温度；
4、腹部的配戴测量方式能让用户感到更舒适。
5、提供了通过接近肠道核心温度的腹部皮肤表面温度和肠道核心温度差和在不同时刻，不同温度扰动下，腹部皮肤表面温度和热流密度的改变来获得肠道核心温度的测量。
附图说明
图1为本发明中测量装置位于人体腹部侧面的解剖图；
图2是本发明中测量装置位于人体腹部正面的局部解剖图；
图3是本发明中测量装置的佩戴示意图；
图4是本发明中测量装置和计算控制装置的结构示意图；
图5是本发明中测量装置的局部示意图；
图6是本发明中计算控制装置的结构示意图；
图7是本发明中测量装置和佩戴装置的结构示意图；
图8是本发明中测量装置和佩戴装置的侧视图；
图9是本发明核心温度测量的简要流程示意图；
图10和图11是本发明物联网传输方式的示意图；
图12是本发明通过最小二乘法提高准确性的示意图。
图中序号：10、测量装置，11、温度传感器，12、可变加热器，13、隔热层，14、传热介质，15、温度传感器；20、计算控制装置，21、计算单元，22、存储单元，23、电池，24、显示器，25、温度采样单元，26、通信单元，27、无线接收和发射器；30、佩戴装置，31、弯折部，32、对折部；40、终端设备；50、云端服务器；60、智能终端； 70、物联网通信设备；100、腹部测量区域，101、皮肤脂肪组织层， 102、肚脐，103、肠道。
具体实施方式
下面通过具体实施方式和附图对本发明作进一步的说明。
实施方式为：如图4-6所示，腹部核温的测量设备，包括测量装置10和计算控制装置20，测量装置设于腹部皮肤表面，包括多个温度传感器11、15,可变加热器12，隔热层13及传热介质14。温度传感器设于传热介质上下横跨两个温度差位置：温度传感器11贴在位于腹部肠道103的皮肤脂肪组织层101的体表皮肤，温度传感器15 贴在传热介质相对于体表另一侧的表面。可变加热器为在不同功率下操作热电阻产生温度，或在不同功率下操作光源产生温度。此外，隔热层设于测量装置向外一侧，由具有高隔热效果的聚乙烯气泡材料薄膜组成，为测量装置形成封闭的热传导环境，隔绝外部温度对测量装置的温度干扰。
结合图7和图8所示，为佩戴装置30，包括弯折部31及弯折部两端的对折部32，测量装置设于其中一个对折部内，并且佩戴装置采用柔性硅胶材质且对折部的相向面设置有磁铁片。
结合图1-3所示，展现了腹部肠道和腹部组织的结构，并且指示出了用于采集腹部肠道103核心温度的腹部测量区域100位置在肚脐 102附近，配戴方式是通过佩戴装置30对折的功能，对折的两个面内侧通过磁铁片吸附到一起，自然的固定在衣物上，如内裤或裤子，将测量装置上温度传感器的一面放置贴近腹部皮肤脂肪组织层的体表。
采用多个不同位置温度传感器结合传热介质的方式和单个温度传感器直接测量体表温度的优势在于，不同个体的腹部脂肪和肌肉组织厚度不同导致肠道核心温度在传导的腹部靠近肠道温度的腹部皮肤表面的温度产生了温度降低。通过不同温度差位置的多个温度传感器能有效解决这种温度在传导过程中的损失，在不同的界面间距下，横跨介质两个面的测量的温度值，可以确定通过这一材质两个面的热流密度，从而可以通过热流来计算出皮肤表面的温度损耗。而采用单个温度传感器不能有效解决这种由不同个体组织厚度产生的温度降低所产生的温度损失。
计算控制装置包括计算单元21、存储单元22、电池23、显示器 24、温度采样单元25，通信单元26及无线接收和发射器27，计算单元中构建有核温测量模型。
在不同时刻给接近肠道的腹部体表提供不同水平的加热，通过获取不同时刻不同水平下靠近腹部皮肤表面的温度和传热介质远离腹部体表一侧的温度降，来计算获得腹部皮肤体表向外散发的热流密度，从而通过内外皮肤的温度降和热流密度的改变来计算出接近腹部肠道的核心温度。
结合图9所示，本发明腹部核温的测量方法包括以下步骤：
S1、通过人体皮肤表面和环境的温度来自动判断测量设备的开机：将开机阀值设定在34℃和45℃，在人体温度低于35℃或高于45℃时，可以判定设备处于关机状态，当人体温度在35℃-45℃之间时，可以判定关机开机。
S2、获取各温度传感器数据：在Δt1时间内，温度传感器连续采集接近腹部肠道的腹部测量区域内皮肤脂肪组织层的体表温度Ts c读值，以及连续采集传热介质相对于体表另一侧的表面温度T2 c读值。在Δt2 时间内，温度采样单元控制多个温度传感器进行温度采样和对可变加热器施加温度扰动，待所有检测参数稳定后，温度传感器连续采集接近腹部肠道的腹部测量区域内皮肤脂肪组织层的体表温度Ts h读值，以及连续采集传热介质相对于体表另一侧的表面温度T2 h读值。
S3、将Δt1时间内数据输入计算单元，计算方程组(1)为：
(1)
公式中，h6为传热介质厚度，λ6为传热介质导热系数，qc为传热介质热流密度，hx为人体脂肪厚度，λx为人体脂肪导热系数，Tx为人体肠道核心温度。
将Δt2时间内采集的数据输入计算单元，计算方程组(2)为：
(2)
综合方程组(1)与(2)，得到方程组(3)为：
(3)
qh为加热后传热介质热流密度，通过求解方程组(3)，可以获取肠道核心温度Tx。
S4、将数据传输到上位机。结合图10和图11所示，计算控制装置中的通信单元及无线接收和发射器可将数据通过适当的输出路径输出，例如：通过测量装置、计算控制装置将数据无线传输到接收设备，如智能终端60或物联网通信设备70，该接收设备再通过物联网协议将数据传输到终端设备40，如计算机或手机，可在计算机程序或手机APP中查看，终端设备会存储数据或是进一步转载数据到外网云端服务器50储存。
S5、通过人体皮肤表面和环境的温度来自动判断测量设备的关机。
而S2步骤中判断所有检测参数稳定是否达到稳定状态的方法为：
改变可变加热器温度，每隔Δt秒记录上表面温度分别得到 t1、t2……、ti-1、ti、ti+1时刻的温度/>得到温度升高速率为：
当ki≤0.00001时，即认为中所有检测参数达到稳定状态。
把第一个测量到核心温度Tx的时间段做为一个测量周期，在第二个测量周期开始时，只需获取温度传感器(3)的接近肠道皮肤表面温度数值，把第一测量周期获取的核心温度Tx和第二个测量接近肠道皮肤表面温度数值的差值，做为体内肠道核心温度和体表温度的温度损耗部分的温度T补，在第二个测量周期获取的接近肠道皮肤表面温度数值/>加上T补后的数值做为第二个测量周期肠道核心温度Tx。以此类推在第三个测量周期以同样的方式获得肠道核心温度Tx。
结合图12所示，描述了可以由同一时间周期内获得的Tx温度组数据，使用最小二乘法最小化程序或其他的耦合方程求解程序来获得更加准确接近中心虚线区域的温度数值，以提供核心温度Tx。
获取温度传感器的有效读值时，通过可变加热器对温度传感器贴近的皮肤表面施加1℃左右的固定温度扰动，再获取温度传感器的有效读值，以提供对因皮肤中热损失而产生的温度降低的估计进行校正，这一方法在计算上是简明有效的，但是因为实际的皮肤温度降低是由于多种因素造成的，诸如皮肤表面汗水的挥发、环境温度、空气对流等因素变化可能导致一些误差，但是根据前述本发明的产品结构和配戴方式，可以用提供一个相对封闭的小面积内避免上述导致误差的发生。
需要注意的是，本发明的测量设备还可以包括用于采集温度之外的其他生理参数的传感器，例如：血氧传感器、心率传感器、血压传感器、血糖传感器等，所得到的数据包括核心体温以及任选的其他读数，诸如血氧、心率、血压、血糖等数值进行显示储存，或是传输到上位机。
以上所述仅为本发明的具体实施例，但本发明的结构特征并不局限于此，本发明可以用于类似的产品上，任何本领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的专利范围之中。
Claims (4)
1. 一种腹部核温的测量方法，其特征在于：包括腹部核温的测量设备，所述腹部核温的测量设备包括测量装置和计算控制装置，所述测量装置设于腹部皮肤表面，包括多个温度传感器、可变加热器及传热介质，温度传感器设于传热介质上下横跨两个温度差位置；
所述计算控制装置包括计算单元、存储单元、电池及显示器，计算单元中构建有核温测量模型
还设有佩戴装置，包括弯折部及弯折部两端的对折部，所述测量装置设于其中一个对折部内；所述佩戴装置采用柔性硅胶材质且对折部的相向面设置有磁铁片；
所述计算控制装置中设有温度采样单元；
所述测量方法包括以下步骤：
S1、通过人体皮肤表面和环境的温度来自动判断测量设备的开机：将开机阀值设定在34℃和45℃，在人体温度低于35℃或高于45℃时，可以判定设备处于关机状态，当人体温度在35℃-45℃之间时，可以判定关机开机；
S2、获取各温度传感器数据：在时间内，温度传感器连续采集接近腹部肠道的腹部测量区域内皮肤脂肪组织层的体表温度/>读值，以及连续采集传热介质相对于体表另一侧的表面温度/>读值；
S3、将数据输入计算单元，计算方程组（1）为：；
公式中， 为传热介质厚度，/>为传热介质导热系数，/>为传热介质热流密度，/>为人体脂肪厚度，/>为人体脂肪导热系数，/> 为人体肠道核心温度；
S4、将数据传输到上位机；
S5、通过人体皮肤表面和环境的温度来自动判断测量设备的关机；
S2步骤中增加在不同时间、不同温度干扰下获取各温度传感器数据：在时间内，改变可变加热器温度，待所有检测参数稳定后，温度传感器连续采集接近腹部肠道的腹部测量区域内皮肤脂肪组织层的体表温度/>读值，以及连续采集传热介质相对于体表另一侧的表面温度/>读值；
在S3步骤中将时间内采集的数据输入计算单元，计算方程组（2）为：
；
公式中， 为传热介质厚度，/>为传热介质导热系数，/>为传热介质热流密度，/>为人体脂肪厚度，/>为人体脂肪导热系数，/> 为人体肠道核心温度；
S4、将数据传输到上位机；
S5、通过人体皮肤表面和环境的温度来自动判断测量设备的关机；
S2步骤中增加在不同时间、不同温度干扰下获取各温度传感器数据：在时间内，改变可变加热器温度，待所有检测参数稳定后，温度传感器连续采集接近腹部肠道的腹部测量区域内皮肤脂肪组织层的体表温度/>读值，以及连续采集传热介质相对于体表另一侧的表面温度/>读值；
在S3步骤中将时间内采集的数据输入计算单元，计算方程组（2）为：
；
综合方程组（1）与（2），得到方程组（3）为：；
为加热后传热介质热流密度，通过求解方程组（3），可以获取肠道核心温度/>。
2.根据权利要求1所述的腹部核温的测量方法，其特征在于：所述测量装置向外一侧设有隔热层。
3.根据权利要求1所述的腹部核温的测量方法，其特征在于：所述计算控制装置中还设有通信单元及无线接收和发射器，将数据传输到接收设备，接收设备通过物联网协议将数据传输到终端设备，终端设备储存数据或进一步将数据传输到云端服务器储存。
4.根据权利要求 1 所述的腹部核温的测量方法，其特征在于判断所 有检测参数稳定是否达到稳定状态的方法为，改变可变加热器温度，每隔秒记录上表面温度/>,分别得到时刻的温度/>,得到温度升高速率为：/>；
当时，即认为中所有检测参数达到稳定状态。
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