一种用于确定生物核心温度的测量探头论文和设计-叶学松

全文摘要

本实用新型公开了一种用于确定生物核心温度的测量探头。本实用新型对双热流核心温度探头的结构进行了改进，将两个传热单元设计为上小下大的台体，使得用于贴靠在皮肤表面处的第一温度传感器、第三温度传感器分别嵌在两台体的面积较大的底部端面，对应地，在两传热单元远离皮肤的面积较小的顶部端面承载有第二温度传感器、第四温度传感器。从人体核心温度待测区域产生的热量流经由皮肤表面流至探头内，由于隔热单元的热阻较大，热流趋向于通过热阻较小的区域，因此热流将尽可能地通过台体形状的传热单元，从结构上减少了水平热流的出现。

主设计要求

1.一种用于确定生物核心温度的测量探头，其特征在于：包括第一传热单元(1)、第二传热单元(2)、第一温度传感器(1a)、第二温度传感器(1b)、第三温度传感器(2a)、第四温度传感器(2b)、第一隔热单元(3)、第二隔热单元(4)；所述第一传热单元(1)为台体，且台体的横截面积由下至上逐渐减小；在第一传热单元(1)的底部端面(d1)和顶部端面(u1)分别嵌有第一温度传感器(1a)和第二温度传感器(1b)；所述的第一温度传感器(1a)和第二温度传感器(1b)位于台体的中轴线上；所述第二传热单元(2)为台体，且台体的横截面积由下至上逐渐减小；在第二传热单元(2)的底部端面(d2)和顶部端面(u2)分别嵌有第三温度传感器(2a)和第四温度传感器(2b)；所述的第三温度传感器(2a)和第四温度传感器(2b)位于台体的中轴线上；所述第一传热单元(1)和第二传热单元(2)并排设置，且两个单元的底面位于同一水平面上；所述第一隔热单元(3)包裹第一传热单元(1)的顶部端面(u1)和侧面(e1)，第二隔热单元(4)包裹第二传热单元(2)的顶部端面(u2)和侧面(e2)；所述第一传热单元(1)与所述第二传热单元(2)具有不同的高度或者其材料具有不同的导热系数。

设计方案

1.一种用于确定生物核心温度的测量探头，其特征在于：包括第一传热单元(1)、第二传热单元(2)、第一温度传感器(1a)、第二温度传感器(1b)、第三温度传感器(2a)、第四温度传感器(2b)、第一隔热单元(3)、第二隔热单元(4)；

所述第一传热单元(1)为台体，且台体的横截面积由下至上逐渐减小；在第一传热单元(1)的底部端面(d1)和顶部端面(u1)分别嵌有第一温度传感器(1a)和第二温度传感器(1b)；所述的第一温度传感器(1a)和第二温度传感器(1b)位于台体的中轴线上；

所述第二传热单元(2)为台体，且台体的横截面积由下至上逐渐减小；在第二传热单元(2)的底部端面(d2)和顶部端面(u2)分别嵌有第三温度传感器(2a)和第四温度传感器(2b)；所述的第三温度传感器(2a)和第四温度传感器(2b)位于台体的中轴线上；

所述第一传热单元(1)和第二传热单元(2)并排设置，且两个单元的底面位于同一水平面上；所述第一隔热单元(3)包裹第一传热单元(1)的顶部端面(u1)和侧面(e1)，第二隔热单元(4)包裹第二传热单元(2)的顶部端面(u2)和侧面(e2)；所述第一传热单元(1)与所述第二传热单元(2)具有不同的高度或者其材料具有不同的导热系数。

2.根据权利要求1所述的用于确定生物核心温度的测量探头，其特征在于：在第一传热单元(1)的底部端面(d1)中，从第一传热单元中心轴(z1)开始沿径向预留一条用于过导线的第一通道(14)；在第二传热单元(2)的底部端面(d2)中，也从第二传热单元中心轴(z2)开始沿径向预留一条用于过导线的第二通道(15)。

3.根据权利要求1所述的一种用于确定生物核心温度的测量探头，其特征在于：所述台体为圆台。

4.根据权利要求1所述的用于确定生物核心温度的测量探头，其特征在于：所述第一隔热单元(3)和第二隔热单元(4)与皮肤接触的底面设有粘贴元件。

5.根据权利要求1所述的一种用于确定生物核心温度的测量探头，其特征在于：所述第一隔热单元(3)的侧面(e3)和顶部端面(u3)覆盖有热辐射第一屏蔽层(7)，所述第二隔热单元(4)的侧面(e4)和顶部端面(u4)覆盖有热辐射第二屏蔽层(8)；第一屏蔽层(7)和第二屏蔽层(8)为均匀的金属材料层。

6.根据权利要求5所述的一种用于确定生物核心温度的测量探头，其特征在于：第一屏蔽层(7)和第二屏蔽层(8)的层厚在1mm以下。

7.根据权利要求1所述的一种用于确定生物核心温度的测量探头，其特征在于：所述第一传热单元(1)的底部端面(d1)全面覆盖有第一接触垫片(5)，所述第二传热单元(2)的底部端面(d2)全面覆盖有第二接触垫片(6)。

8.根据权利要求7所述的一种用于确定生物核心温度的测量探头，其特征在于所述第一接触垫片(5)和第二接触垫片(6)具有对称的镂空结构，且厚度均小于1mm。

9.根据权利要求1所述的一种用于确定生物核心温度的测量探头，其特征在于：所述第一隔热单元(3)的侧面(e3)与第二隔热单元(4)的侧面(e4)外边缘接触。

10.根据权利要求1所述的一种用于确定生物核心温度的测量探头，其特征在于：所述第一传热单元(1)的纵向中心轴与所述第二传热单元(2)的纵向中心轴相对于测量探头的底面中心轴对称。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及一种用于确定生物核心温度的测量探头，属于生理信号检测和医学仪器及设备领域。

背景技术

核心体温是人们判断人体健康与否的重要依据，保持恒定的体温，是保证新陈代谢和生命活动正常进行的必要条件。不同于诸如心率和血压等其他生命体征，核心体温对因心理状态和情绪状态而产生的变化相对不敏感，因此在众多生理信号中，核心体温被广泛用于评估当前健康状况的重要指标，

声称在皮肤上连续测量核心体温的现有的家庭监测可穿戴设备非常不准确：市场上广泛出售的用来测量核心温度的均是利用腋温、耳温、额温去近似核心体温(内脏温度和脑部温度)，误差较大且不够稳定受环境温度影响大；3M推出了一种利用零热流原理测量核心温度的传感器，但存在需要精确控制回路和加热元件使热流量保持为0，这种装备难以集成在可穿戴设备中，主要可能应用于医院术中监测等。

目前关于可穿戴核心温度探头的研究，主要包括单通道热流和双通道热流法；单通道热流法是单个导热单元，热量由组织深部到皮肤表面再通过单个传热单元传播到环境中，通过热量在两段传导路径中的比例关系，逆向计算身体核心温度，但存在不同组织、不同个体的组织导热能力不同造成的比例关系不同，在使用探头之前均需要校准，过程繁琐；双通道热流法则存在两个导热单元，通过在相近距离的两个传热单元热流路径的比例关系，较好地规避了个体差异性的缺陷，但两个传热单元均存在横向热流途径，与理论的模型存在系统误差。

在申请号为201811072271.2的发明专利中，公开了一种非侵入式核心温度测量探头。它在传热单元的两个端面的几何中心均嵌有温度传感器，在传热单元的侧面亦嵌有温度传感器。该方案中，利用嵌于传热单元侧面的第三温度传感器和第六温度传感器，补偿横向热流损耗带来的温度差，由此使计算得出的第一核心温度、第二核心温度更为准确。但是侧面温度传感器的使用，仅仅是从数字上补偿水平热流，但并不能在物理上减少水平热流，而且增加传感器势必会造成探头结构变得复杂，同时也会在成本、寿命、稳定性等方面带来一定程度的负面影响。因此，如何进一步改进此类温度探头是本实用新型需要解决的技术问题。

发明内容

本实用新型的目的在于解决现有技术中双热流核心温度探头实际存在水平热流的缺陷，并提供一种新型结构的用于确定生物核心温度的测量探头。

本实用新型为了实现上述目的具体采用的技术方案如下：

用于确定生物核心温度的测量探头，它包括第一传热单元、第二传热单元、第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器、第一隔热单元、第二隔热单元；

所述第一传热单元为台体，且台体的横截面积由下至上逐渐减小；在第一传热单元的底部端面和顶部端面分别嵌有第一温度传感器和第二温度传感器；所述的第一温度传感器和第二温度传感器位于台体的中轴线上；

所述第二传热单元为台体，且台体的横截面积由下至上逐渐减小；在第二传热单元的底部端面和顶部端面分别嵌有第三温度传感器和第四温度传感器；所述的第三温度传感器和第四温度传感器位于台体的中轴线上；

所述第一传热单元和第二传热单元并排设置，且两个单元的底面位于同一水平面上；所述第一隔热单元包裹第一传热单元的顶部端面和侧面，第二隔热单元包裹第二传热单元的顶部端面和侧面；所述第一传热单元与所述第二传热单元具有不同的高度或者其材料具有不同的导热系数。

本实用新型通过改变双热流核心温度探头的结构，将两个传热单元改为台体形状，使得通过传感器导热单元的横向走向的损失热量流小的能够忽略，从而提高了预测核心温度的准确性。基于上述方案，本实用新型还可以进一步的提供以下一种或多种优选实现方式。

进一步的，在第一传热单元的底部端面中，从第一传热单元中心轴开始沿径向预留一条用于过导线的第一通道；在第二传热单元的底部端面中，也从第二传热单元中心轴开始沿径向预留一条用于过导线的第二通道。水平热流的出现，还有一个原因是，各温度传感器通过轴向穿过传热单元的导线连接外部数据收发单元时，产生了由传热单元的中心径向向外的水平热流。在本实用新型中，在传热单元中预留径向的导线通道，导线从传热单元径向向外引出，传热单元提供了较大的热缓冲作用，大大减小了导线传热的效率；优选地，使用电阻较小但却具有较小的导热系数的材料时，可以将导线造成的水平热流减少至可以忽略。

进一步的，所述第一隔热单元和第二隔热单元与皮肤接触的底面设有粘贴元件，使得探头能够附着保持在皮肤表面。

进一步的，第一、二、三、四温度传感器分别被承载在对应端面的几何中心。

进一步的，所述台体为圆台，使得其结构更为对称，提高测量准确性。

进一步的，隔热单元的内壁与传热单元尽量保持无间隙紧密接触，提高隔热性能。

进一步的，传热单元和隔热单元可以采用具有不同导热系数的不同材料，优选的，传热单元的导热系数大于0.2W\/(m*K)，而隔热单元的导热系数小于0.1W\/(m*K)。

进一步优选地，上述第一隔热单元和第二隔热单元采用封闭的、抽去空气的空腔，实验结果证明，真空空腔是目前用于核心温度探头中阻止水平热流的最有效的方式。

作为进一步的优选，第一传热单元的底部端面的直径是第一温度传感器和第二温度传感器的垂直距离的2倍，第二传热单元的底部端面的直径与第一传热单元的底部端面的直径相同。在更进一步优选的实施方式中，第一传热单元的底部端面的直径和第二传热单元的底部端面的直径相同，且第一传热单元的底部端面的直径是第一温度传感器和第二温度传感器的垂直距离的4倍。

进一步的，所述第一隔热单元的侧面和顶部端面覆盖有热辐射第一屏蔽层，所述第二隔热单元的侧面和顶部端面覆盖有热辐射第二屏蔽层；第一屏蔽层和第二屏蔽层为均匀的金属材料层。热辐射是热量传递的三种方式之一，通过设置屏蔽层可以减少温度探头内部与外界的热辐射换热。优选的，金属材料层表面进行抛光处理。可以证实的是，任何物体的热辐射率等于其吸收率，采用以金属为主的表面抛光的热辐射率较低的材料置于隔热层外侧壁，能够较大程度地减少由于热辐射影响导致的隔热体内部温度的变化。

更进一步的，第一屏蔽层和第二屏蔽层的层厚在1mm以下。

进一步的，所述第一传热单元的底部端面全面覆盖有第一接触垫片，所述第二传热单元的底部端面全面覆盖有第二接触垫片。当两个不同温度的材料发生接触时，就会发生热交换，材料的属性决定了热交换的速率。表面看起来互相接触的固体表面，实际上接触仅仅发生在一些离散的面积元上，在未接触的界面之间的间隙常常充满了空气，热量将以导热的方式穿过这种气隙层，这种情况与固体表面完全接触相比，产生了较大的接触热阻。为了减少接触热阻，增大热交换速率，在本实用新型的优选实施例中，采用了第一接触垫片和第二接触垫片，分别被承载在两传热单元的底部端面上。两接触垫片的外边缘与两传热单元的底部端面的外边缘重合，但不保证两接触垫片不存在镂空结构。垫片具有一定程度的柔韧性，具有对称结构，能保证探头与非完全平整的待测对象的皮肤表面接触热阻减少至可以忽略。

更进一步的，所述第一接触垫片和第二接触垫片具有对称的镂空结构，且厚度均小于1mm。

进一步的，所述第一隔热单元的侧面与第二隔热单元的侧面外边缘接触。当两隔热单元平放在皮肤表面时，两传热单元也刚好与皮肤无间隙接触。

进一步的，所述第一传热单元的纵向中心轴与所述第二传热单元的纵向中心轴相对于测量探头的底面中心轴对称。

利用上述任一项方案所述的测量探头获取核心温度的方法，其步骤如下：

将所述的测量探头贴覆于待测位置的皮肤表面，测量得到第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器的感应温度分别为T1、T3、T2和T4；

根据以下公式计算待测位置的核心温度T_c<\/sub>：

式中参数K＝R_{1<\/sub>\/R_{2<\/sub>，R_{1<\/sub>是第一温度传感器和第二温度传感器之间的热阻，R_{2<\/sub>是第三温度传感器和第四温度传感器之间的热阻。}}}}

与现有技术相比，本实用新型的有益效果如下：

本实用新型对双热流核心温度探头的结构进行了改进，将两个传热单元设计为上小下大的台体，使得用于贴靠在皮肤表面处的第一温度传感器、第三温度传感器分别嵌在两台体的面积较大的底部端面，对应地，在两传热单元远离皮肤的面积较小的顶部端面承载有第二温度传感器、第四温度传感器。从人体核心温度待测区域产生的热量流经由皮肤表面流至探头内，由于隔热单元的热阻较大，热流趋向于通过热阻较小的区域，因此热流将尽可能地通过台体形状的传热单元，从结构上减少了水平热流的出现。通过实验证明，这种结构可以更好地减少传感器单元中干扰的、横向走向的热量流，降低由此引起的测量误差。因此，本实用新型通过改变传热单元的结构，是对双热流法预测核心温度的一种改进方案。

附图说明

图1为本实用新型中用于确定生物核心温度的测量探头示意性的侧向剖视图；

图2为该探头的垂直\/水平热通量示意图；

图3为对比例中的探头结构示意图；

图4为实施例中的参数简化标注图；

图5为对比例中的参数简化标注图。

图中附图标记：1.第一传热单元；2.第二传热单元；1a.第一温度传感器；1b.第二温度传感器；2a.第三温度传感器；2b.第四温度传感器；3.第一隔热单元；4.第二隔热单元；z1.第一传热单元中心轴；z2.第二传热单元中心轴；d1.第一传热单元的底部端面(与皮肤表面接触的端面)；u1.第一传热单元的顶部端面；e1.第一传热单元的侧面；d2.第二传热单元的底部端面(与皮肤表面接触的端面)；u2.第二传热单元的顶部端面；e2.第二传热单元的侧面；u3.第一隔热单元的端面；e3.第一隔热单元的侧面；u4.第二隔热单元的顶部端面；e4.第二隔热单元的侧面；5.第一接触垫片；6.第二接触垫片；7.第一屏蔽层；8.第二屏蔽层；9.由核心温度区域传至皮肤层的热流；10.由皮肤层传至第一传热单元的垂直热流；11.由皮肤层传至第二传热单元的垂直热流；12.通过第一传热单元侧面的热流；13.通过第二传热单元侧面的热流；Tc.待测生物体核心温度；14.第一通道；15.第二通道。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步阐述和说明。

如图1所示，在本实施例中用于确定生物核心温度的测量探头，其主要部件包括第一传热单元1、第二传热单元2、第一温度传感器1a、第二温度传感器1b、第三温度传感器2a、第四温度传感器2b、第一隔热单元3、第二隔热单元4。

其中第一传热单元1为圆台体，且台体的横截面积由下至上逐渐减小。使用时圆台体底部端面贴靠在皮肤表面，顶部端面远离皮肤。在第一传热单元1的底部端面d1和顶部端面u1分别嵌有第一温度传感器1a和第二温度传感器1b，且为了保持测定的准确性，第一温度传感器1a和第二温度传感器1b均设置在对应端面的几何中心，也就是圆心处。由于圆台体是呈轴对称的三维体，因此上述第一温度传感器1a和第二温度传感器1b均位于圆台体的垂直中轴线上。

同样的，第二传热单元2也为圆台体，且台体的横截面积由下至上逐渐减小。在第二传热单元2的底部端面d2和顶部端面u2分别嵌有第三温度传感器2a和第四温度传感器2b，两个温度传感器也同样设于各自端面的圆心处。同理，第三温度传感器2a和第四温度传感器2b也均位于圆台体的垂直中轴线上。

在该探头中，第一传热单元1和第二传热单元2并排设置。第一传热单元1的纵向中心轴与第二传热单元2的纵向中心轴相对于测量探头的底面中心轴对称。根据双热流模型，第一传热单元1的底部端面d1和第二传热单元的底部端面d2需要处于同一水平面上，以二者所构成的水平面为基准面，但第一传热单元的顶部端面u1和第二传热单元的顶部端面u2需要位于不同的高度，以保证两个单元的热阻不同。当然在其他实施例中，也可以通过两个传热单元采用具有不同导热系数的材料来保持热阻不同。

第一温度传感器1a、第二温度传感器1b、第三温度传感器2a和第四温度传感器2b在使用前，需要与高精度温度传感器进行校准，使其精确度在0.1℃以内。另外，由于本实用新型中各温度传感器需要准确检测各自位置的温度数据，因此需要通过隔热单元来阻断外部环境与传热单元之间的换热。本实施例中，利用两个圆柱状的隔热单元来实现该隔热功能。第一隔热单元3的侧面e3与第二隔热单元4的侧面e4外边缘相切接触。两个隔热单元内腔均需要开设一个与导热单元能够完全密合的空腔，通过第一隔热单元3可以包裹第一传热单元1的顶部端面u1和侧面e1，通过第二隔热单元4可以包裹第二传热单元2的顶部端面u2和侧面e2，而且两个隔热单元的内壁与对于传热单元之间应尽量保持无间隙紧密接触。两传热单元分别被罩状的第一隔热单元3、第二隔热单元4包裹，如此形成探头结构。由核心温度区域传至皮肤层的热流9，通过皮肤表面，被输送至传热单元，由皮肤层传至第一传热单元的垂直热流10、由皮肤层传至第二传热单元的垂直热流11进一步在传热单元中向上传输。而且由于两个传热单元的形式为圆台形，其侧面以斜坡的形式与隔热单元接触，参见图2，由于隔热单元的热阻较大，热流趋向于通过热阻较小的区域，因此通过第一传热单元侧面的热流12、通过第二传热单元侧面的热流13依然会继续向上流动，尽可能地通过台体形状的传热单元，而不会继续扩散至隔热单元外部，从结构上减少了水平热流的出现。

另外，热辐射也是另一种导热形式，本实用新型中同样需要对其进行阻隔。在本实施例中，在第一隔热单元3的侧面e3和顶部端面u3覆盖有热辐射第一屏蔽层7，在第二隔热单元4的侧面e4和顶部端面u4覆盖有热辐射第二屏蔽层8。第一屏蔽层7和第二屏蔽层8为均匀的金属锡层，反射系数在0.1以下，层厚在0.1mm以下。反射系数较低，可以减少探头通过热辐射方式散失的热量；层厚较小，是为了尽量减少探头体积。

另外，在其他的优选实施例中，为了减少接触热阻，增大热交换速率，第一传热单元1的底部端面d1可以全面覆盖有第一接触垫片5，第二传热单元2的底部端面d2也可以全面覆盖有第二接触垫片6。若设置第一接触垫片5和第二接触垫片6，则优选使其具有对称的镂空结构，且厚度均小于1mm。但在本实施例中，直接用硅油均匀涂抹在皮肤和核心探头的接触面之间，起到上述减少接触热阻的作用，保证各接触面之间的良好热接触。

为了尽可能地减少由于导线的导热系数较低导致的横向热流，在第一传热单元1的底部端面d1中，从第一传热单元中心轴z1开始沿径向预留一条用于过导线的第一通道14；在第二传热单元2的底部端面d2中，也从第二传热单元中心轴z2开始沿径向预留一条用于过导线的第二通道(15)。

上述测量探头在使用时，可以通过扎带或者医用双面胶将探头固定在生物体表面皮肤上。使用医用双面胶时，可以粘贴在第一隔热单元3和第二隔热单元4与皮肤接触的底面位置。当然必要时，也可以采用其他的粘贴或者固定方式。

该测量探头的测量原理是基于双热流法，下面本实用新型将进行详细介绍。为了描述方便起见，将第一温度传感器1a、第二温度传感器1b、第三温度传感器2a和第四温度传感器2b分别记为T1、T3、T2、T4。假设通过两个热流方向的热流大小相同，R_{1<\/sub>、R_{2<\/sub>、R_{s<\/sub>分别是T1和T3之间的热阻、T2和T4之间的热阻、T1或T2与核心温度区之间的热阻，则}}}

令K＝R_{1<\/sub>\/R_{2<\/sub>，因此基于双热流法的核心温度T_{c<\/sub>计算公式可以表示为：}}}

将上式变形，求出K的表达式如下：

因此，通过预实验，既可以计算出某一探头的K值。在以后的测量过程中，假设K值不变，就可以通过T_{c<\/sub>的表达公式计算其值。}

下面本实用新型将上述实施例中的测量探头进行热板实验，以展示其效果。同时为了验证本实用新型中对传热单元结构改进所带来的技术效果，本实用新型还设置了对比例，与本实用新型的实施例进行对比展示。对比例与实施例相比，其区别仅在于两个传热单元的结构不同，在实施例中第一传热单元1和第二传热单元2均采用圆台体，而对比例中均采用上下等径的圆柱体，两个圆柱体的直径与两个圆台体的底部端面直径相同。

实施例和对比例中的具体参数如下表，参数单位均为mm。表中，隔热单元半径记为Radii，两个传热单元底部端面半径记为radii，两个传热单元顶部端面半径记为cap，两个传热单元顶部端面距离隔热单元顶部端面的高差记为height，第一隔热单元3的高度记为H、第二隔热单元4的高度记为h。

设计图

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