用于检测层的厚度的系统和方法与流程

本申请要求于2017年12月26日提交的、序列号为62/610,401的美国临时申请的优先权权益，所述申请的公开内容通过引用以其全部被并入本文中。

本公开内容涉及热传递的领域，并且特别地涉及基于热传递来感测层的厚度。

背景技术：

热传递是对物理系统之间的热学能量的使用、转换和交换的研究。热传递包括热学传导、热学对流、和热学辐射。如与人体有关的，热传递包括在身体和环境之间的热学能量的交换。与机器相连，热传递包括从机器内到环境或到另一机器的热学能量的交换。

有时合期望的是确定诸如机器或身体之类的系统的层的厚度。例如，在医药、健康和健身的领域中，合期望的是计算人的皮肤的厚度。医师可能需要在患者身体的特定区处的患者皮下组织的厚度的估计。然而，已知的方法产生与所期望的相比不太准确的厚度估计。因此，在热传递、以及更特别地对层厚度的估计、检测和计算的领域中的进一步的进展是合期望的。

技术实现要素：

根据本公开内容的示例性实施例，用于确定层的厚度的厚度分析器单元包括温度改变设备、温度传感器、存储器和控制器。温度改变设备被配置成引发从第一时间的第一温度值到第二时间的第二温度值的层温度改变。所述第一温度值不同于所述第二温度值。温度传感器被配置成生成与第一温度值相对应的第一温度数据，以及与第二温度值相对应的第二温度数据。存储器被配置成存储第一温度值、第二温度值、层的热学传导率值、层的特定的热学容量值、以及层的密度值。控制器被可操作地连接到温度改变设备、温度传感器和存储器。控制器被配置成（i）基于第一温度值和第二温度值来确定层的时间常量值，以及（ii）基于所确定的时间常量、热学传导率值、特定的热学容量值和密度值来确定层的厚度。层的厚度作为厚度值被存储在存储器中。

根据本公开内容的另一示例性实施例，一种用于利用厚度分析器单元来确定层的厚度的方法包括：利用厚度分析器单元的温度传感器、在第一时间测量层的第一温度值，利用厚度分析器单元的温度改变设备来引发层的温度改变，以及在引发了温度改变之后、在第二时间利用温度传感器来测量层的第二温度值。所述方法此外包括：利用厚度分析器单元的控制器、基于所测量的第一温度值和所测量的第二温度值来确定层的时间常量值，将层的热学传导率值、层的特定的热学容量值、以及层的密度值存储在厚度分析器单元的存储器中，以及利用所述控制器、基于所确定的时间常量值、热学传导率值、特定的热学容量值和密度值来确定与层的厚度相对应的厚度值。

附图说明

通过参考以下详细描述以及附图，上述特征和优点以及其它应当变得对于本领域普通技术人员而言更容易地清楚，在所述附图中：

图1是如本文中所公开的被配置成确定系统的层的厚度的厚度分析器单元的框图；

图2是通过被示出为人体的示例性系统的热传递的电气模型的图解和示意图；

图3是一流程图，其图示了用于操作图1的分析器单元的示例性方法；

图4是经归一化的温度相对于经归一化的时间的图表；并且

图5是图示了传递函数的框图。

具体实施方式

为了促进理解本公开内容的原理，现在将参考在附图中图示的以及在以下撰写的说明书中描述的实施例。理解到，从而不意图对公开内容范围的任何限制。此外理解到，本公开内容包括对所图示的实施例的任何变更和修改，并且包括如本公开内容所关于的领域中的技术人员通常将想到的本公开内容原理的另外的应用。

为了本公开的目的，短语“a和/或b”意指（a）、（b）或（a和b）。为了本公开的目的，短语“a、b和/或c”意指（a）、（b）、（c）、（a和b）、（a和c）、（b和c）、或（a、b和c）。

如关于本公开内容的实施例所使用的术语“包括”、“包括有”、“具有”等等是同义的。

如图1中所示，厚度分析器单元100被配置成通过分析层的热学阶跃响应以及确定热学时间常量来确定任何材料的层的厚度。然后使用热学传导率值、层的特定的热学容量和层的密度中的至少一个以及所确定的热学时间常量来计算层的厚度。所述方法可适用于诸如机器或人体之类的系统。人类皮肤（即示例性的层）的厚度的计算在本文中仅仅作为示例被使用。所述方法不限于在人体或动物系统的情况下使用，并且可以在具有层的任何其它系统的情况下使用。

厚度分析器单元100对着患者的皮肤102被安置。经简化的皮肤102包括表皮层104a、真皮层104b和皮下组织层104c（即脂肪层）。表皮层104a和真皮层104b典型地在身体上的大多数位置处具有大约相同的厚度。因此，表皮层104a的表皮厚度是被存储在存储器120中的第一恒定值，并且真皮层104b的真皮厚度是被存储在存储器120中的第二恒定值。此外，表皮层104a和真皮层104b的组合厚度不随人变化很多。然而，皮下组织层104c随人大幅变化，并且也是在身体的大多数位置处的皮肤102的最厚的层。皮下组织104c的皮下组织厚度106a至少取决于人的所选的身体位置、性别、体重和身高。此外，表皮层104a、真皮层104b和皮下组织层104c中的每一个大体上是连续的，其意味着在皮肤102中不存在可以通过其来非侵入式地、诸如通过视觉检查而确定层104a、104b、104c中任一个的厚度的任何开口。因此，真皮层104b完全覆盖皮下组织层104c，并且表皮层104a完全覆盖真皮层104b，使得层104a、104b、104c的厚度从视野中被完全遮蔽，并且不能在不切割皮肤102的情况下被确定。

分析器单元100被配置成基于在被分析的皮肤102或材料层的热学阶跃响应来确定皮肤102的组合厚度106b（或任何其它材料的层的厚度）。阶跃响应是响应于热学输入、诸如teg122的热学输出的在皮肤102的温度中的改变。具体地，在一个实施例中，分析器单元100确定表皮104a、真皮104b和皮下组织104c的组合厚度106b，其在本文中也被称为总厚度。此外，分析器单元100可以使用所确定的组合厚度106b来计算皮肤102的材料参数、诸如皮肤102的热传递系数、皮肤102的热阻以及皮肤102的热学容量。分析器单元100快速、准确、并且非侵入式地估计组合厚度106b。分析器单元106为所有类型的患者准确地估计和/或计算组合厚度106b，而独立于性别、体重、身高和身体质量指数。

厚度分析器单元100包括可操作地被连接到控制器124的功率供给108、输入单元110、显示器112、传感器组装件116、存储器单元120、热电发电机122以及通信单元170。功率供给108、输入单元110、显示器112、传感器组装件116、存储器单元120、通信单元170和控制器124各自至少部分地位于外壳128内。外壳128被配置成在分析器单元100的操作期间由用户紧握。分析器单元100是轻量、便携并且便于操作的手持式仪器。

在一个实施例中，功率供给108包括电池。例如，功率供给108是可再充电的锂聚合物电池。因此，分析器单元100在使用中是无绳的，并且不需要与干线功率供给的有线连接。在其它实施例中，功率供给108作为任何其它功率源（例如具有功率管理电路的能量采集器）来被提供。

分析器单元100的存储器120是电子数据存储单元，其在本文中还被称为非暂时性计算机可读介质。存储器120被配置成存储程序指令数据138、层厚度数据142、温度数据146、时间常量数据150以及与分析器单元100的操作相关联的其它电子数据。

输入单元110被配置成经由通过用户的操纵来接收输入数据。输入单元110可以被配置为被施加在显示器112之上的触摸屏，其被配置成使得用户能够经由手指和/或触笔的触碰来输入数据。在另一实施例中，输入单元110包括被配置成接收用户输入的任何设备，如可以由本领域普通技术人员所利用的，包括例如一个或多个按钮、开关、键和/或类似物。

显示器112被配置成显示至少厚度数据142的可视表示。显示器112可以包括液晶显示器（lcd）面板，其被配置成显示静态和动态文本、图像、和其它视觉上可理解的数据。在另一实施例中，显示器112是如由本领域普通技术人员所期望的任何显示单元。

在本文中还被称为温度改变设备和加热/冷却热电发电机（“teg”）的热电发电机122，其被配置成通过展现热学输出来引发层的温度改变。例如，teg122被配置成对将被测量厚度的皮肤102或层进行加热或冷却。在这样的实施例中，teg122可以被直接应用到皮肤102以利用热学输出来引发温度改变。此外，teg122还可以被配置成使用热学输出、但是在不接触皮肤102的情况下对皮肤102周围的周围环境进行加热/冷却。在一个实施例中，周围环境至少包括围绕teg122的环境、外壳128、在teg122近旁的空气和/或在teg122近旁的衣着。在人类或动物患者的情况中，teg122利用热学输出来温暖/冷却皮肤102，但是不压入（bum）或以其它方式伤害患者。在另一实施例中，teg122是与分析器单元100分离的仪器。此外，在一些实施例中，teg122被配置成测量皮肤102的热通量，并且生成热通量数据，所述热通量数据被存储在存储器120中。

分析器单元100的控制器124被配置成执行程序指令数据138以用于控制传感器组装件116以及确定/计算皮肤102的组合厚度106b，其作为厚度数据142的厚度值被存储在存储器120中。控制器124被提供为微处理器、处理器或任何其它类型的电子控制芯片。

传感器组装件116包括温度传感器154和热通量传感器162。温度传感器154被配置成测量待被测量厚度的层的温度，以及生成对应的温度数据146。在示例性的实施例中，温度传感器154测量患者的皮肤102的表面的温度。温度传感器154典型地被配置用于直接对着皮肤102的安置。温度传感器154基于所感测的温度来生成电温度输出信号。所述电温度输出信号由控制器124接收并且包括温度数据146。

热通量传感器162被配置成测量待被测量厚度的层的表面处的热通量。在示例性的实施例中，热通量传感器162测量患者的皮肤102的表面处的热通量。热通量传感器162典型地被配置用于直接对着皮肤102的安置。在一个实施例中，“热通量”对应于所测量的耗热率（heatrate）除以热通量传感器162的表面面积。在人类或动物的情况中，耗热率对应于身体辐射或损耗热的速率。热通量传感器162基于所感测的热通量来生成电通量输出信号。电通量输出信号由控制器124接收并且包括热通量数据。

通信单元170是无线或有线的数据收发器单元，其被配置成向终端设备176传送数据，并且从终端设备176接收数据。例如，通信单元170被配置成向终端设备176传送被存储在存储器120中的电子数据中的至少一些（即所计算的结果，诸如厚度数据142的厚度值），该终端设备176作为智能电话或pc来被提供。在一些实施例中，代替于生成厚度数据142的控制器124，终端设备176生成厚度数据142并且向分析器单元100传送厚度数据142。在这样的实施例中，通信单元170从终端设备176接收厚度数据142。在另外的实施例中，厚度数据142在云中被生成，被传送到分析器单元100，并且由通信单元170接收。

参考图2，在一个实施例中，通过人体的热传递基于一阶系统的电路模型200。模型200包括被电连接到皮肤电阻器208、传感器电阻器212、空气电阻器216以及另一电压源220的串联连接的电压源204。电压源204对患者的身体核心温度进行建模，并且电压源204的电压的量值对应于患者的身体的温度生成/输出。在一个实施例中，电压源204的量值对应于患者的核心身体温度。

皮肤电阻器208展现与患者的皮肤102的热阻相对应的电阻。皮肤热阻是患者的皮肤102对温度中的改变的阻力。皮肤电阻器208的电阻基于包括表皮104a、真皮104b以及皮下组织104c的患者皮肤102的每层的总热阻。

传感器电阻器212展现与传感器组装件116对温度中的改变的热阻相对应的电阻。传感器组装件116的热阻是传感器组装件116对温度中的改变的阻力。

空气电阻器216展现与同患者的皮肤102相邻的空气的热阻相对应的电阻。空气热阻是患者与分析器单元100周围的空气对温度中的改变的阻力。

电压源220的量值对应于围绕患者的周围区域/环境的温度生成/输出。电压源204、220与彼此相对，使得来自电压源204的电压与来自电压源220的电压相对。

模型200粗略估计通过皮肤102的热流，其计及通过皮肤电阻器208、传感器电阻器212和空气电阻器216所建模的三个热阻。在一个实施例中，模型200被图示为静态模型，其不计及皮肤102的层104a、104b、104c的热学容量。模型200可配置成通过对至少皮下组织104c的热学容量进行建模来计及动态行为。

如以下图表所示，对于模型200的每个电学变量，存在与患者和/或患者的环境相对应的对应的热学变量。

根据所述图表，温度（“t”）对应于电压（“v”），热传递速率（“q”）对应于电流（“i”），热通量对应于电流密度（“j”），热阻（“rth”）对应于电阻（“r”），并且热学容量（“cth”）对应于电容量（“c”）。在以下操纵电学模型200和热学等同物以便确定待被测量厚度的皮肤102或层的热学时间常量值。热学时间常量值与皮肤102的热学传导率值（“k”）、特定的热学容量值和密度值中的至少一个一起使用以利用控制器124来计算组合厚度106b（即厚度数据142的厚度值）。在实施例中，假定皮肤102的热学传导率值（“k”）、特定的热学容量值和密度值针对所有患者具有恒定值，因为皮肤102的组成跨所有患者大体上相同。热学时间常量值基于对材料加热或冷却63.2%、从初始温度到一不同温度所需要的时间。所述百分比是被定义为的近似值，其中是欧拉数，其是常量。

基于以上的图表和模型，使用对应的热学变量来写欧姆定律。为了开始，使用电学变量，针对电流所求解的欧姆定律可以被写为等式（1）。

利用来自图表的对应的热学变量来取代等式（1）中的电学变量产生等式（2），其确定热传递速率。

此外，电流密度被写成如等式（3）中所示。

利用对应的热学变量来取代等式（3）中的电学变量产生等式（4），其是用于确定热学系统中的热通量的等式，因为在模型200中，电流密度对应于热通量。“面积”变量是表面面积，并且在电学变量和热学变量二者中是相同的。典型地，“面积”变量对应于在被测量厚度/温度的区域的表面面积。而且，“面积”可以是由热通量传感器162所感测的面积。

对于每个材料层（即，例如皮肤102的层104a、104b、104c），可以利用等式（5a）来计算热阻。

在等式（5a）中，δx对应于材料层的厚度数据142的厚度值，并且k对应于层的热学传导率值。

每个材料层（即，例如皮肤102的层104a、104b、104c）的热学容量可以利用等式（5b）来被计算。

在等式（5b）中，对应于特定的热学容量值，并且对应于层的密度值。

热通量传感器162被配置成测量通过在皮肤102的表面（或待被测量厚度的层的表面）处的传感器组装件116的热通量。在一个实施例中，做出简化：即通过皮肤102和传感器组装件116的热流仅垂直于皮肤层102，并且通过皮肤102的热通量等于通过热通量传感器162的热通量。基于以上，跨皮肤102的温度差（即温度中的改变）通过等式（6）来被建模。

在等式（6）中，δt是在相同的时间实例处在两个物理位置之间的温度中的改变，tc是核心身体温度，并且ts是皮肤102的表面温度。核心身体温度是患者的身体的内部环境的温度。人体的正常的核心身体温度是大约37℃。典型地，核心身体温度大于皮肤102的表面温度。核心身体温度可以利用以下的等式（7）来被计算。

在等式（7）中，温度中的改变δt已经被如下取代：通过传感器组装件116的热通量（即）除以皮肤的热传递系数（）。皮肤的热传递系数（）取决于皮肤102的热学传导率（即一比皮肤102的热阻）以及通过其而测量热通量的面积（即“面积”）。基于以下阐明的模型200和各种其它等式，可以确定皮肤102的时间常量值（），其用于计算组合厚度106b。

在操作中，分析器单元100根据由图3的流程图所图示的方法300来估计/计算系统的层的厚度值。如以下所阐明的，分析器单元100基于通过人体的热传递的电学模型200来确定并且分析皮肤102的热学阶跃响应。

如在框304中所示，分析器单元100测量待被测量厚度的层的表面温度。特别地，分析器单元100使用温度传感器154来测量皮肤102的表面温度。皮肤102的所测量的表面温度作为温度数据146而被存储在存储器120中，并且在本文中被称为起始温度t1、第一时间的第一温度值，或被称为存储在存储器120中的第一温度数据。

接下来在框308中，分析器单元100在待被测量厚度的皮肤102或材料中引发阶跃响应。在一个实施例中，teg122被用于通过温暖或冷却皮肤102而引发层的温度改变，从而使得皮肤102从起始温度改变到稳定的温度（即第二时间的第二温度值）。在另一实施例中，如果皮肤102被暴露于周围的空气，则通过改变皮肤102周围的空气的环境温度来引起阶跃响应。这些方法适合用于引发在其中核心温度大体上恒定的任何对象、诸如人体的阶跃响应。“大体上恒定”的核心温度是如下一种核心温度：其具有的热学时间常量是在被测量的层的热学时间常量的至少二十倍大。还可以例如利用加热/冷却元件来在外部施加阶跃响应。

在引发了阶跃响应之后，在框312中，分析器单元100使用温度传感器154来做出一系列温度测量，以便确定阶跃响应。在一个实施例中，分析器单元100在阶跃响应之后再次测量皮肤102的表面温度（至少一次并且典型地许多次）。在阶跃响应之后的皮肤102的所测量的表面温度作为温度数据146而被存储在存储器120中，并且在本文中被称为稳定的温度t2、第二温度值，或被称为作为温度数据146而被存储在存储器120中的第二温度数据。稳定的温度不同于起始温度。

利用指数函数来描述图2的电学模型200的阶跃响应。在被应用到对应的热学系统、诸如皮肤102时，皮肤102的温度通过以下的等式（8）来被描述。

在等式（8）中，t是如取决于时间的温度，t是时间，是起始温度，是稳定的温度，并且是等于的温度差。

图4图示了响应于阶跃响应的皮肤102的温度测量。在图4中，时间轴在时间常量之上被归一化。温度轴在稳定的温度之上被归一化，并且起始温度等于0。

在框316中，分析器单元100确定热学系统（例如皮肤102）的热学时间常量值（“”）并且将时间常量值作为时间常量数据150存储在存储器120中。对应于电学系统，动态系统的热学时间常量值（“”）可以通过测量响应于快速温度改变的温度阶跃响应来被确定。因为在该示例中仅考虑一个皮肤层（例如组合厚度106b），所以将皮肤102近似为一阶系统，其具有针对皮肤102的一个热阻和一个特定的热学容量。

由于将皮肤102建模为具有仅一个层，所以可以通过以下等式（9）来计算热学时间常量。

等式（9）中的变量以上在等式（5a）和（5b）中被描述。在等式（9）中执行适当的置换产生了表示时间常量的以下等式（10）。

在实践中，等式（10）提供用于通过使用分析器单元100的控制器124来确定时间常量值的至少两种方法。在两种方法中，阶跃响应是已知的，其包括起始温度和稳定的温度。在用于确定时间常量的第一方法中，在等于时间常量的预定时间段（即（t=））之后，系统的温度是从起始温度到稳定的温度的63.2%（参见图4）。因而，简单地从温度数据的绘图中读取时间常量值。因此，在起始温度和稳定的温度已知的情况中，是从起始温度到稳定的温度的63.2%的皮肤102的温度可以如下根据等式（11）来被计算。

在用于确定时间常量的第二方法中，在其中t=的预定时间段之后，在t=0处的温度阶跃响应的正切达到稳定的温度的值，如图4中所示。因此，正切m乘以时间常量值的斜率等于温度的稳定状态值。因此，通过使用该方法，时间常量值可以如下根据等式（12）来被计算。

用于计算时间常量值的另一方法使用指数函数，其描述皮肤102的温度阶跃响应。在图表开始稳定之前的阶跃响应上的一点是已知的。指数函数在以下被示出为等式（13）。

在该方法中，分析器单元100确定值、起始温度以及温度差，并且根据等式（14）来计算时间常量。

在又一实施例中，至少部分地基于如通过热通量传感器162（即热通量数据）所确定的所测量的热通量来生成时间常量值。

再次参考图3，在利用控制器124确定了时间常量值之后，在框320中，分析器单元100计算待被测量的皮肤102或材料的组合厚度106b。具体地，分析器单元100使用等式（15）来计算组合厚度106b，其基于所确定的时间常量（“”）、热学传导率值（“k”）、具体的热学容量值（“cp”）以及密度值（）。

在计算了组合厚度106b之后，组合厚度106b作为厚度数据150被存储在存储器120中。在一个实施例中，厚度数据150作为例如与按毫米的组合厚度106b的厚度相对应的数据来被存储。示例性的组合厚度106b是十毫米（10mm）。在另一实施例中，厚度数据150作为组合厚度106b的比例表示来被存储。例如，组合厚度106b的厚度值是从零到255的数，其中零对应于零毫米并且255对应于十毫米（10mm）。任何其它比例表示可以取决于实施例而用于厚度数据150。

在另一实施例中，系统（例如人体）被建模为3阶系统、而不是1阶系统。在这样的实施例中，可以使用针对三个皮肤层104a、104b、104c中每一个的热阻值和热学容量值来对皮肤102进行建模。由于表皮104b和真皮104b跨人类在厚度上大多数是恒定的，所以从组合厚度106b中减去这些恒定厚度以计算皮下组织厚度值106a。

参考图5，在另一实施例中，在不引发温度阶跃响应的情况下确定组合厚度106b。例如，一种途径是要应用已知的任意温度进展（progression），而同时通过温度传感器154来测量皮肤102的表面温度。任意温度可以被直接或间接地应用。此外，所述任意温度进展可以是被动的温度进展。即被测量的环境温度中的改变。在这样的实施例中，可以利用更高阶系统的一个或多个指数函数来描述对应的传递函数。由于具有输入温度（即环境温度）和输出温度（即表面温度）的传递函数是已知的，所以可以确定热学时间常量。在该实施例中，输入温度进展改变得足够快以允许时间常量的确定。因而，在该实施例中，输入温度等于环境温度中的改变，并且输出温度等于表面温度。

分析器单元100可以使用所确定的组合厚度106b和热学传导率值（“k”）以根据等式（16）来确定皮肤102的热传递系数（“h”）。其后，分析器单元100可以使用至少皮肤的热传递系数来计算核心身体温度。

如贯穿本公开内容所指出的，方法、实施例和概念不仅可适用于确定皮肤102的厚度，而且还可适用于确定任何材料的层的厚度。这包括大体上连续的层，并且对于其而言不能通过视觉检查来确定厚度。为此，测量表面温度的分析器单元100的温度传感器154被选择成与响应于热学输出的待测量的（多个）材料的第二时间响应相比具有响应于teg122的热学输出的更快的时间响应（即第一时间响应），使得分析器单元100可以监视所引发的温度阶跃响应。典型地，待测量的材料具有对着表面区域的比较小的厚度，因此它被视为一层。当该条件满足的时候，满足以下假定：即热传递仅仅垂直于材料的区域。

分析器单元100是对于计算机功能性的一种改进，因为如相比于现有设备，分析器单元100更快地、更准确地、并且利用不太复杂的处理途径来确定层的厚度。一些现有设备使用例如昂贵并且操作起来复杂的超声途径。此外，超声厚度测量设备受限于仅仅某些类型的系统。然而在比较中，分析器单元100操作起来简单并且快速，并且可以确定作为展现大体上恒定的核心温度的系统的部分的任何层的厚度。其它现有厚度测量设备使用谐振频率途径，并且必须被安置在适当平坦的金属表面上，并且因此不能用于测量诸如皮肤102之类的生物层的厚度。

虽然已经在附图和前述描述中详细图示和描述了本公开内容，但是本公开内容应当被视为是说明性的而不是在特性方面是限制性的。理解到，已经呈现了仅仅优选的实施例，并且期望在本公开内容的精神范围内的所有改变、修改和另外的应用得到保护。