一种夹心式结构的核心温度测量探头及方法

1.本发明涉及人体参数监测技术领域，特别是涉及一种夹心式结构的核心温度测量探头及方法。


背景技术：

2.核心体温指的是人体内部器官的温度，一般稳定在36.5
‑
37.5℃的范围内，通常认为是人体颅腔、腹腔、胸腔的温度。相比体表温度，核心体温由于不易受到外部环境温度波动、汗液蒸发、个人衣着的影响，能更准确地反映机体的健康情况。与浅层组织的温度相比，核心体温维持在一个相对较窄的温度范围内，上下波动4℃就有患高温症或低温症的风险。核心体温可以表征导致其变化的多种个体状态，包括代谢率的高低、女性的月经情况和药物的摄入等，尤其针对一些无法对自己身体状况做出准确评价的重症患者、儿童以及手术中麻醉状态的患者，能够实时获知核心体温的准确数值具有更重大的意义。在睡眠障碍患者辅助诊断、女性生理周期管理、生物热应变监测等场景下，核心体温的连续监测可以获得更为准确的生物节律预测和生理状况评估。在健康管理领域，了解核心体温的波动情况比仅仅获取某时刻温度的数值更值得关注。另外，有大量文献表明人类心理、生理活动的波动与核心体温的变化一致。
3.临床常见的核心体温的应用有筛查发烧、获取病毒感染信息等。在医院里护士需要每隔4小时用数字温度计或红外温度计手动测量每位病人的体温，对发热患者体温的测量更为频繁。这不仅给护士带来了沉重的工作量，也影响到患者的休息，对其康复不利，测量非清醒状态的患者的体温则更加困难。
4.核心体温监测设备必须满足可长期、实时、无创、准确监测的特点。目前核心温度监测技术主要分成侵入式和非侵入式两大类。直肠部位的热量惯性使得该部位的灌注和热量散失比较低，因此直肠温度比较高，被认为是核心体温的金标准。直肠上动脉血管、痔动脉的热量不容易散失，并且可以在肛门处直接插入温度计测量，但若操作方法不当时可能会对周围皮肤造成摩擦损伤甚至有直肠穿孔危险。除此之外，肺动脉、膀胱等封闭腔体直接插入温度计也可以获取精确核心体温。但上述腔体或器官并不适于将温度计持续插入并实时获取核心温度，尤其针对清醒的受试者，这种侵入式的测量方法会给患者带来沉重的心理负担，需要专业的医师操作。红外测温技术，通过把探头插入耳道测量鼓膜温度来获取核心体温，这种方式简便易用，在对比实验中与食道中下段和直肠所反映的核心体温测量结果相对误差较小，但由于耳垢、耳道曲率等因素的影响，通常采用这种方式获取的温度为鼓室温度而非鼓膜温度；环境和面部肌肉活动会影响鼓室温度，使之与鼓膜温度存在一定偏差，加上同样缺乏可以长期、实时监测的特点。
5.为了避免上述问题，人们自20世纪70年代就提出了非侵入式测量体温的方法。主要有零热流技术、单通道热流技术和双通道热流技术。目前主流的单通道热流技术测温方式是将两个精密测温元器件放置于一热不良导体两侧，用以测量从皮肤流入此热不良导体的热流大小，代入相应公式得到对应的人体核心温度。通常在外部还覆盖有热绝缘材料，以
隔绝外部温度对于热流的影响。一种典型的单通道热流温度探头示意图如图1所示。
6.单通道热流模型的建立基于无热源的一维稳态热传导的假设。热传导是自然界中的一种转移过程，与自然界的其他转移过程如电量的转移类似，可归结为过程的转移量＝过程的动力/过程的阻力，在电学中表示为欧姆定律，即核心温度tc与探头的温差引起了热量由人体皮肤和骨骼下方的深部区域向体表再到探头的流动，t2和t1是分布在热流通道热不良导体上下两侧的的温度，而探头的热阻表示为r，人体皮肤和骨骼的热阻为rs，基于以上假设，单通道内的热流平衡公式为：由此可得人体的核心温度公式为：其中是探头的特征系数。
7.从以上推理可以看出，现有单通道热流技术因基于一维稳态热传导，因此获得合适一个稳定合适的热流通道至关重要。现有的单通道热流传感器在热流通道建立上还存在建立时间缓慢、水平热流以及环境扰动的问题。


技术实现要素：

8.本发明的目的是提供一种夹心式结构的核心温度测量探头及方法，用以解决单通道热流技术中热流建立缓慢易受干扰的问题。
9.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
10.一种夹心式结构的核心温度测量探头，包括外层绝热结构以及用所述外层绝热结构以圆环式包裹的内层夹心式结构；
11.所述内层夹心式结构从下至上依次包括测量模块、辐射隔离层以及良导热层；其中，所述测量模块与所述辐射隔离层之间为导热灌注材料，所述辐射隔离层与所述良导热层之间为空气；
12.所述测量模块包括电路结构以及设置在所述电路结构上的温度传感器和热流传感器，且所述温度传感器和所述热流传感器均与所述导热灌注材料接触。
13.可选的，所述测量模块还包括外温度传感器；所述外温度传感器设置在所述辐射隔离层与所述良导热层之间且通过粘性胶固定于所述良导热层下。
14.可选的，所述测量模块还包括生物相容性层；所述生物相容性层设置在所述电路结构下且所述生物相容性层用于粘性连接人体皮肤与核心温度测量探头。
15.可选的，所述导热灌注材料固化后分别与所述外层绝热结构、所述辐射隔离层、所述电路结构粘性连接，所述良导热层、所述辐射隔离层以及所述电路结构部分嵌入在所述外层绝热结构上。
16.可选的，所述热流传感器与所述温度传感器均通过焊接方式固定于所述电路结构上。
17.可选的，所述辐射隔离层的材料为金属铝，所述良导热层的材料为金属铜，所述外
层绝热结构的材料为绝热泡沫；所述生物相容性层为生物相容性胶体。
18.可选的，所述导热灌注材料具有生物相容性。
19.可选的，所述空气的导热率小于等于0.0311w/(m
·
k)。
20.一种核心温度测量方法，所述核心温度测量方法应用于一种夹心式结构的核心温度测量探头，包括：
21.将核心温度测量探头放置在人体皮肤表面以获取温度传感器采集的第一温度、外温度传感器采集的第二温度以及热流传感器的热流；
22.确定环境补偿系数；
23.基于所述第一温度、所述第二温度、所述热流以及所述环境补偿系数，计算人体核心温度。
24.可选的，所述基于所述第一温度、所述第二温度、所述热流以及所述环境补偿系数，计算人体核心温度，具体包括：
25.根据公式t
c
＝r
s
*u
hfs
+t
s
+m*t
a
计算人体核心温度；
26.其中，t
s
为第一温度；t
a
为第二温度；m为环境补偿系数；u
hfs
为热流；t
c
为人体核心温度，r
s
为个体性差异系数。
27.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
28.本发明提供了一种夹心式结构的核心温度测量探头及方法，通过外层绝热结构尽量减小水平热流；通过内层夹心式结构中的热流传感器、温度传感器加快建立合适的热流通道；通过稀薄空气层以及辐射隔离层可以有效的屏蔽环境扰动。因此，本发明提供的夹心式结构的核心温度测量探头及方法，能够以解决单通道热流技术中热流建立缓慢易受干扰的问题。
附图说明
29.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
30.图1为现有技术典型的单通道热流温度探头的结构示意图；
31.图2为本发明夹心式结构的核心温度测量探头的结构示意图；
32.图3为本发明夹心式结构的核心温度测量探头使用原理图；
33.图4为本发明夹心式结构的核心温度测量方法的流程图。
具体实施方式
34.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
35.本发明的目的是提供一种夹心式结构的核心温度测量探头及方法，用以解决单通道热流技术中热流建立缓慢易受干扰的问题。
36.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
37.实施例一
38.如图2所示，本实施例提供的一种夹心式结构的核心温度测量探头包括外层绝热结构1以及用外层绝热结构1以圆环式包裹的内层夹心式结构。
39.外层绝热结构1的材料为绝热泡沫，可以隔绝水平方向上的环境温度，并且小体积的水平尺度可以很好的减小水平热流。其中，依据仿真结果，水平尺度在半径3mm尺度以下可有最优值，实际水平尺度的半径为2.6mm。
40.内层夹心式结构从下至上依次包括测量模块、辐射隔离层2以及良导热层3；其中，测量模块与辐射隔离层3之间为导热灌注材料4，辐射隔离层2与良导热层3之间为空气。测量模块包括电路结构5以及设置在电路结构5上的温度传感器6和热流传感器7，且温度传感器6和热流传感器7均与导热灌注材料4接触。内层夹心式结构可以有效屏蔽环境扰动，并使得竖直方向的热流通道得以快速有效建立
41.热流传感器7(响应时间：0.7s)以及温度传感器6负责测量流入核心温度测量探头的热流及温度；热流传感器7与温度传感器6通过焊接方式固定于电路结构5上。
42.导热灌注材料4固化后与绝热泡沫粘性连接，且良导热层3、辐射隔离层2以及电路结构5部分嵌入绝热泡沫中并与绝热泡沫嵌入式连接，即，良导热层3、辐射隔离层2以及电路结构5部分嵌入在外层绝热结构1上。
43.作为一种优选的实施方式，本实施例提供的测量模块还包括外温度传感器8和生物相容性层9；外温度传感器8设置在辐射隔离层5与良导热层3之间且通过粘性胶固定于良导热层3下，外温度传感器8测量外部温度的基准变化，进行温度基准的补偿，即能够通过外温度传感器8补偿环境温度的影响；生物相容性层9设置在电路结构5下且生物相容性层9用于粘性连接人体皮肤与核心温度测量探头，并提供良好的热接触，为消耗品。
44.作为一种优选的实施方式，本实施例提供的导热灌注材料4为pdms，具有良好的生物相容性，较高的导热系数使得竖直方向的热流通道得以快速有效建立。导热灌注材料4的初始状态为液态，将导热灌注材料4灌注入核心温度测量探头内进行加热后固化，且导热灌注材料4与外层绝热结构1、辐射隔离层2以及电路结构5依靠粘性连接。
45.作为一种优选的实施方式，本实施例提供的辐射隔离层2的材料为金属铝，金属铝可以有效的屏蔽热辐射传播途径，但不会阻止热量通过导热灌注材料4的竖直方向传导传热。辐射隔离层2与导热灌注材料4依靠粘性连接，辐射隔离层2与外层绝热结构1依靠嵌入结构连接。
46.作为一种优选的实施方式，本实施例提供的稀薄空气的导热率小于等于0.0311w/(m
·
k)，与辐射隔离层2的共同作用下，对外部环境温度的变化起到了缓冲的效果，可以有效的屏蔽环境扰动。稀薄空气依靠辐射隔离层2、外层绝热结构1、良导热层3形成封闭腔密闭于核心温度测量探头内部。
47.作为一种优选的实施方式，本实施例提供的良导热层3的材料为金属铜，金属铜可以防止热量积累。良导热层3与外层绝热结构1依靠嵌入结构连接，并辅助加以密封胶固定。
48.本实施例公开的一种夹心式结构的核心温度测量探头包括外层绝热结构和内层夹心式结构：外层绝热结构为热绝缘材料，即绝热泡沫，负责尽量减小水平热通量；内层夹
心式结构从下至上则为测量模块、导热灌注材料、辐射隔离层、空气以及良导热层，夹心式的结构可以满足隔绝外界空气扰动并且能够建立合适的热流通道；测量模块包括温度传感器、外温度传感器、热流传感器以及与人体生物相容性的生物相容性层组成，负责测量人体的温度以及热流。本实施例公开的夹心式结构的核心温度测量探头，针对单通道热流技术中热通量建立缓慢、外界扰动以及存在水平热通量的问题进行了改进；同时在测量模块加入了热流传感器，针对单通道热流技术中热流不稳以及实时性上进行了改进。
49.实施例二
50.核心温度预测模型是基于无热源的一维稳态热传导假设建立的。热传导是自然界中的一种转移过程，与自然界的其他转移过程，如电量的转移类似，可归结为过程的转移量＝过程的动力/过程的阻力，在电学中表示为欧姆定律，即
51.核心温度tc与核心温度测量探头的温差引起的热量由人体皮肤和骨骼下方的深部区域向体表再到核心温度测量探头的流动，t2和t1是分布在热流通道导热灌注材料上下两侧的的温度，而导热灌注材料的热阻表示为r，人体皮肤和骨骼的热阻为r
s
。
52.基于以上假设，热流通道内的热流平衡公式为：
53.由此可得人体的核心温度公式为：
[0054][0055]
由热阻与导热系数关系为其中，r可以通过理论得到，也可以用实验校准。
[0056]
其中，r为导热灌注材料的热阻，l为导热灌注材料上下两温度点间的距离，λ为导热灌注材料的导热系数，s为导热灌注材料的截面积。进而可得到：
[0057][0058]
其中，热流传感器的数值u
hfs
由热流传感器获取，皮肤处温度t
s
可由温度传感器获取，r
s
为个体性差异系数，可由实验校准得到。
[0059]
同时因外部温度在夏冬等存在不可避免的温度差异，造成热流通道上的损失，因此需要进行对应的补偿，本实施例利用自制恒温箱，在模拟实验环境下改变环境温度，模拟环境的冬夏变化，确定了补偿系数m，最终由核心温度测量探头获取人体核心温度的公式为：t
c
＝r
s
*u
hfs
+t
s
+m*t
a
。
[0060]
其中，热流传感器的数值u
hfs
由热流传感器获取，皮肤处温度t
s
可由温度传感器获取，t
a
由外温度传感器获取，通过公式计算得到人体核心温度t
c
。图3为本发明夹心式结构的核心温度测量探头使用原理图。
[0061]
基于内容，本实施例提供的核心温度测量方法包括如图4所示的步骤。
[0062]
步骤101：将核心温度测量探头放置在人体皮肤表面以获取温度传感器采集的第一温度、外温度传感器采集的第二温度以及热流传感器的热流；
[0063]
步骤102：确定环境补偿系数。
[0064]
步骤103：基于所述第一温度、所述第二温度、所述热流以及所述环境补偿系数，计算人体核心温度。其计算公式为t
c
＝r
s
*u
hfs
+t
s
+m*t
a
。
[0065]
其中，t
s
为第一温度；t
a
为第二温度；m为环境补偿系数，为具体数值；u
hfs
为热流；t
c
为人体核心温度。
[0066]
现有的单通道热流传感器在热流通道建立上存在建立时间缓慢的问题，主要是因为热量需经过热的不良导体，达到上下两端平衡后才可建立稳定的一维热流通道。而本发明采用了热流传感器与温度传感器相结合的方式，利用底层的测量模块(热流传感器响应时间：0.7s)解决了上述问题，同时改进了上层结构，导热灌注材料的使用可加快热量传递。
[0067]
传统单通道热流传感器在水平方向上存在热流，原因是需要用大的截面积来保证上下温度传感器的温度差。而本发明采用的测量模块在底层，故可用较小体积的导热灌注材料保证热流传递，同时外层绝热结构、辐射隔离层的运用可以最大程度的减小水平方向的热流。
[0068]
同时以往单通道热流传感器因最外层结构为单一绝热材料，在热流通道上存在环境扰动的问题。本发明设计了夹心式结构的核心温度测量探头，辐射隔离层可以有效的屏蔽辐射，但不会阻止热量的竖直传导；最外层的良导热层也采用金属，防止热量积累的同时，可以将空气静止的密闭于核心温度测量探头内部，静止的空气导热率仅为0.0311w/(m
·
k)。两者对于环境温度的扰动起到了缓冲的效果，可以有效的屏蔽环境扰动。同时外温度传感器可以测量外部温度的基准变化，进行一定程度的补偿。
[0069]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0070]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。