用于测量核心温度的设备和方法

专利名称：用于测量核心温度的设备和方法
技术领域：
本发明涉及测量物体的核心温度。
具体而言，在第一方面，本发明涉及一种用于测量物体的核心温度
的设备，该设备包括具有第一侧和与所述第一侧基本相对的第二侧的结构，所述第一侧倚靠(against )所述物体进行定位；第一温度传感器，其被定位并布置用于测量第一侧的温度；以及第二温度传感器，其被定位并布置用于测量第二侧的温度。
在第二方面，本发明涉及一种用于测量物体的核心温度的方法，该方法包括把第一温度传感器定位在用于测量所述物体的表面温度的位置；定位第二温度传感器和结构，以使得该结构位于第一温度传感器和第二温度传感器之间，其中该结构具有第一侧和第二侧，第一温度传感器在第一侧而第二温度传感器在第二侧；用第一温度传感器测量第一侧的第 一温度和用第二温度传感器测量第二侧的第 一温度；用第 一温度传感器测量第二温度和用第二温度传感器测量第二温度；以及根据所述各自的第一温度和第二温度来计算核心温度。
背景技术：
文献美国专利号6， 886, 978公开了一种用于测量活体内的温度的温
度计，包括第一温度传感器和第二温度传感器；被设置在第一温度传感器和第二温度传感器之间的热绝缘构件；以及用于加热活体的加热
器，第一传感器测量邻近加热器的温度，而第二温度传感器测量与横跨绝缘构件的加热器相对的活体上的位置处的温度。
已知的装置以及相应方法的缺点在于其存在过度加热或烧伤活体的风险，这是不希望看到的。

发明内容
本发明的目的是要提供一种设备以及在第二方面提供一种方法，其对于测量特别是活体的温度而言是较安全的。根据本发明，通过一种用于测量上述类型的物体的核心温度的设备来实现上面目的，其中该设备包括在所述第二温度传感器的位置处的调制器装置以用于通过改变第 一 侧和第二侧之间的热流来降低第二传感器的温度。
根据本发明的设备比已知的设备更加安全。上述已知的设备也是根据在不同热流下测量双传感器结构的温度以导出核心温度的原理而工作的，但是使用加热来建立这种不同的热流。首先，活体的正常表面温
度在大约25。C和上至4(TC之间，而在低到45。C的温度时就感觉到疼痛。在热绝缘体发生故障或者该设备的位置无意颠倒的情况下，活体将经受这种温度7而且，更危险区开始于大约45-51TC的温度。这意味着对于已知的设备仅存在很小的安全温度窗口 ，这就造成有噪声的测量和较长的测量时间。
反之，本发明通过调制器装置实现了改变热流的目标，通过该调制器装置可获得较低的温度。这是例如通过影响热传输而不是像现有技术中那样生成热来获得。注意，例如低至几。C的温度不会对活体造成问题，至少对测量的小表面不是问题。这意味着上至30-W。C的温差是可获得的，这就减少了测量噪声并且允许更准确的测量，原因在于温度的时间导数通常也会更大，并且还不需要强的热耦合(高导热率)。
本发明的重要优势在于其允许低4艮多的功率设计，这将在下面进行进一步的阐述。
在本上下文中，当意指第二温度传感器的温度时，这要理解为意指在第二温度传感器存在的位置处或其附近的第二侧的温度，或者与热流相关的这一侧的至少部分的温度。
此外，如果热流被显著改变，即被改变至少10%，尽管不排除较小的改变，则优选的是提高测量准确度。
而且，第一侧是倚靠物体进行定位的一侧，即以与其足够的热耦合进行施加或设置以测量温度的一侧。要注意的是在某些情况下(待在下面进行讨论)，对称设计是可能的。在这种情况下，第一和第二侧将是可互换的。在其它非对称的情况下，第一侧和第二侧对于本领域技术人员将是可辨认的。
此外，第一温度传感器不需要固定在第一侧上，而是可以相对于该侧是可移动的，只要该传感器可位于待测量的物体和第一侧之间。在优
6选的情况下，第一温度传感器被固定到第一侧上或者甚至嵌入到笫一侧内。类似地，第二温度传感器不需要但优选地被固定到第二侧上或者甚至嵌入到第二侧内。
作为一般说明，其核心温度能够被测量的物体不限于活体，比如人体。它们还可以是例如带有特定内容物的容器(比如婴儿用的(热)牛奶瓶)或者带有危险内容物的容器(比如加工环境中的化学制品)。
特别地，调制器装置被布置成在第 一 热流状态和第二热流状态之间切换，其中设备在其稳态时的能量消耗基本未被改变。这反映了调制器装置不需要产生热来影响热流的优势，这不仅减少了功率消耗而且防止过度加热的风险。
优选地，稳态能量消耗对于第一和第二热流状态基本为零。在这个特定实施例中，原则上最低稳态能量消耗是可获得的，因为利用设备的无源属性的变化来影响热流。为了本发明的目的，基本为零的能量消耗意味着基本不存在加热。在这里不考虑为了测量、计算等等的其它能量消耗。显然，通过添加简单的电源比如电池以便对用于测量、计算等等的附带能量消耗进行供电，可获得很长的有效寿命。因此，在有利的实施例中，设备是无绳的且包括能源，优选为电池。然而要注意，不用能量消耗调制器装置以获得诸如温度安全性的至少部分优势不是严格必要的。调制器装置可以被布置用于降低温度至低于由设备在测量所述物体的核心温度而该设备不消耗任何功率时可获得的温度的温度。要注意的是，通过加热器工作时简单地开始测量以及随后关闭加热器来实施测量，上述已知的设备本身将允许温度的降低，即使这不是有意的。然而，在所述后者情形下低于平衡温度的温度是不可达到的，并且较高温度的风险保持不变。反之，在没有任何外部能量供应到设备(除来自物体或环境的热能之外，这对于当前目的而言不意味是外部能量)的情形下，本发明总是允许把温度降低到低于所述平衡温度，这将在下面变得清楚。人们可能还会说已知的设备不能通过执行其功能来主动地降低温度，原因在于其只能增加热量，因而提高温度。本设备能够通过从第一热流状态(例如隔离较好的状态)切换到笫二状态来主动地降低温度。目前，只要说主动降低温度比提高温度更安全就足够了。
特别地，第一侧、第二侧和环境中的第一个与第一侧、第二侧和环境中的另一个之间的热耦合是可变的。在这个实施例中，热流通过其被
7耦合到设备的其它部分而被影响。
有利地，该结构具有至少局部可变的热导。换言之，所述第一和传 感器之间或者至少在各自温度传感器的位置处或该位置附近的各自第 一和第二侧的部分之间的热导是可变的。调制器装置可以包括该结构或 者是该结构的一部分。局部可变性确保物体表面温度的两个不同测量的 可能性，这根据本身已知的技术就允许计算核心温度并且这将在下面进 行进一步的阐述。
要注意，文件US 5,816,706也用具有已知比率的不同导热率来执 行两次测量。然而，导热率不是局部可变的，而是在设备的不同位置上 被设置成不同的固定值。这忍受待测量的物体内的变化风险，例如活体 中的血液灌流差异或者身体和两堆传感器之间的接触电阻差异，这给测 量带来不准确度。而且，在相互距离上对不同位置的需要使得设备相当 大。此外，制作具有已知且时间无关比率的不同导热率的设备会造成制 造问题。所有这些问题在本设备中都是不存在的。
调制器装置可以是一种通过其热耦合是可改变的装置，因此是被动 装置；或者可以是一种改变热耦合的装置，因此是主动装置。被动装置 可以例如通过移动等等是用户可设置的，而主动调制器装置可以由设备 本身或通过控制信号等等来设置。打算在整个本公开中提供主动和被动 调制器装置之间的这种选择。
在本发明的特定实施例中，该结构包括在其第 一 侧的第 一 结构部件 以及在其第二侧的第二结构部件，所述调制器装置被布置成改变所述第 一结构部件和第二结构部件之间的热耦合。
在这个实施例中，该结构可以是设备中的独立部件，或者可以基本 包括除了两个传感器之外的整个设备，该结构被分成两个子部件即结构 部件，在每种情况下一个结构部件对应于第一侧和第二侧中的一个。在 第一和第二结构部件之间引入可变的热耦合，可获得第二温度传感器处
的期望可变温度，原因在于不同的热耦合引入不同的热流。这进而造成 温度变化，该温度变化能够例如通过采样来测量，这进而允许计算核心 温度等等。根据本发明，在可选或另外的实施例中，调制器装置被布置 成改变在所述第二温度传感器的位置处的第二侧和环境之间的热耦合。 这是另 一种提供可变总热流的方式。现在将阐述这些示例。
特别地，调制器装置被布置成提供所述第一结构部件和第二结构部件之间的可变距离。可变距离确保良好可控可变的热耦合，所述热耦合 随距离的增大而减小。
在特殊的实施例中，第一和第二结构部件中的至少一个部件包括突 出销，该突出销被定向以使得所述突出销的末端指向第 一和第二结构部 件中的所述至少一个部件的相对一个部件。突出末端即其顶点和相对结 构部件之间的距离的小变化能够引起总热导的很大变化。这种对小距离 变化的高灵敏度是由于销末端附近的热场"聚集"所致。其允许低成本 的稳健的实施。
在此，如果改变销末端和相对部件之间距离的调制器装置或特别地 制动器由控制单元控制，这将是有利的。
在特定实施例中，第一和第二结构部件中的至少一个部件包括具有
第一比导热率(specific thermal conductivity)的第一材料(空气、 真空、流体或固体材料)，并且突出销包括具有比第一比导热率更高的 第二比导热率的第二材料，且优选地包括金属，更优选地包括铝、铜和
银中的至少一种。通过提供高导热率的销，热场的聚集甚至更明显并且 这提供更高的灵敏度。该销能够由任何高导热率材料制成，但优选地由 金属制成，尽管石墨等也是合适的。
在特定实施例中，突出销相对于第一和第二结构部件中的所述至少 一个部件的相对一个部件是可移动的，且优选地调制器装置被布置成移 动突出销。在此，调制器装置本身可以视为可移动突出销。如果调制器 装置被布置用于移动突出销，则它们可以视为销移动器装置或者甚至视 为销和销移动器装置的组合。在这个实施例中的每种情况下，如果销本 省是可移动的就足够了。结构部件不需要相对于彼此是可移动的，并且 销可以是通过结构部件中的 一个或两者中的开口可移动的。销还可能是
i特殊的;k例中,、调制器'装置包括用^于移动突出销的'压电制动 器。压电制动器非常适合于小距离内移动销。然而，也可以使用任何其 它适合用于移动突出销的制动器，比如线圏制动器。
在有利的实施例中，该结构包括腔，其中调制器装置包括用于把热 耦合材料至少部分地移到所述腔内的移动器装置。在这个实施例中，在 第一情形下，该腔在第一和第二温度传感器之间例如基本是空的。在第 二情形下，移动器装置将热耦合材料移动到第一和第二温度传感器之间
9的腔内。热耦合材料的存在可以提供不同的热耦合，这是本发明所期望 的。移动器装置还可能将热耦合材料移动到腔内，从而置换已经存在于 该腔中的另一热耦合材料。
特别地，移动器装置包括风扇或泵，材料包括空气或气体。通过能 够将空气或其它气体移动或泵送(pump)到腔内，或者沿设备的一部分 (比如结构部件)移动或泵送可以改变该耦合，特别地如果环境温度不 同于物体的表面温度更是如此。尽管风扇或泵可以消耗大量能量，但是 这比加热材料所需的能量要少^艮多。
在另一实施例中，热耦合材料的比导热率至少是室温下大气的两
倍。优选地，比导热率至少为1 W/mK,更优选地至少为50 W/mK。这样， 在第 一和第二结构之间的热耦合对于有无热耦合材料而言将存在很大 差别。 一般而言，差别越大，测量将越准确。
在另一实施例中，第二侧到环境的热耦合是可变的，优选地调制器 装置被布置成(主动地)改变所述热耦合。再则，提供一种用于改变热 流的装置，其基本不使用能量而是仅仅影响能量排放到环境或从环境中 p及取的方式。
在特殊的实施例中，该结构包括可变散热器。特别地，可变散热器 被热耦合到第二结构部件，或者例如耦合于第 一和第二结构部件之间。 由于它是可变的，所以它可以散去(sink)可变热流。散热器可以包括 固定散热器元件和具有可变热阻的热流调制元件。热流调制元件可以被 提供在一侧上(on the one hand)的第一侧、第二侧和散热器中任一 个与笫二侧、散热器和环境中任一个(不相同)之间。在此，如在所有 正文中，词语"元件，，既可以指代单个实体又可以指代两个或多个构成 部件的组件。而且，在这里，如在所有情况下，对于要提供足够准确结 果的测量而言，如果热流的变化将为至少10% ,这将会是优选的。
特别地，散热器还可以例如通过可移动热导体而被热可变地耦合到 结构，特别地耦合到第二侧，其中可以让所述可移动热导体接触散热器， 反之亦然。
在一个实施例中，散热器包括相对于第二散热器部件和第一结构部 件中的至少一个可移动的至少第一散热器部件。优选地，第一散热器部 件是可旋转的或可平移的或者既是可旋转的又是可平移的，以使得第二 部件的变化区域免受环境影响，或两者。这是可变散热器的简单实施例，
10这使得与环境可变的接触并且因而能够把可变的热流散到(sink)环境
中。这进而允许在第二温度传感器处达到不同的温度和温度的时间导数。
在特殊的实施例中，用于降低温度的调制器装置包括用于冷却第二 传感器的主动冷却器装置。再则，这不意味着仅冷却第二传感器，而是 可冷却在第二传感器处、附近或相邻的第二側的部分。这应当反映在第 二传感器处、附近或相邻所建立的新温度。主动冷却器装置被优选地布 置成当主动冷却器装置被接通处于由此消耗能量的状态时从设备或者 至少从第二传感器处、附近或相邻的第二部件中提取热能。尽管第二温
度传感器处的温度可以通过改变热流来降低，但是提供主动冷却器装置 允许对冷却进行更多的控制并且通常允许获得更低的温度。
有利地，冷却器装置具有可设置为至少两个不同非零值的可变冷却 功率。这种情况是设备在两种情形下都消耗能量。然而，优势在于温差 以及因而测量准确度能够较高，同时设备对于用户总体上仍是安全的。
在特定实施例中，冷却器装置包括Peltier元件。Peltier元件是 小型的、高效的且良好可控的冷却器装置。而且，Peltier元件还允许 加热，这给出以主动冷却器装置实施第一测量的可能性以及以主动加热 器装置实施第二测量的可能性。这就允许第二温度传感器处的温差很 大，因而准确度很高。
在另一实施例中，冷却器装置包括用于使流体蒸发的蒸发器。这样 的蒸发器形成一种用于降低第二温度传感器处的温度而不用消耗能量 的适合装置。在特殊实施例中，蒸发器包括用于移动流体的泵装置。优 选地，蒸发器包括特别地充满流体的储液罐(fluid reservoir)。这 种流体优选地是快速蒸发和/或具有很大潜热的流体。 一个示例可以是 乙醇。
在特定实施例中，设备包括风扇装置，该风扇装置被布置成沿该结 构的第二侧的至少一部分置换气体，优选为空气。风扇装置提供一种用 于降低第二温度传感器处的温度的适合且良好可控的装置。这特别适用
在风扇装置能够与散热器协同操作的情况下，并且也适用在设备包括蒸 发器的情况下，且优选地适用这两种情况。蒸发器和风扇装置(可能与 散热器)的组合提供一种降低温度的很有效装置，所述温度也可以是很 好控制的以便独立于环境温度或空气流。优选地，风扇装置是可变可控
ii的风扇装置，以便选择适合的温度。
在一个实施例中，设备包括用于从第一和第二温度传感器中读出温 度信号的读出设备。这种读出设备可以是显示相应温度的显示器。其还 可以是输出与温度对应的电信号或数字信号的设备，或者任何其它适合 的输出设备。
在特殊的实施例中，设备包括计算单元，该计算单元被布置成根据 来自第一和第二温度传感器的相应温度信号计算核心温度。计算单元可 以包括计算机设备或者例如任何其它用于计算温度的电路或设备。计算 单元可以被编程以根据本领域已知的数学技术来计算温度。能够使用的 方法之一是基于以下公式
这个公式以及其量将在附图的描述中进行阐述。关于这个公式要做
的 一般说明是较大的温差通常会造成较大的时间导数Ts,这允许更精确
地确定核心温度。对于这个公式，测量温度趋势，并且要求多次测量。 还可以使用可选的测量方法并且相应地实现该设备，特别是控制单元和 计算单元。 一个示例可能是相继地通过用调制器装置进行切换来测量两 个传感器在与两个不同恒定的热流对应的两种稳态情况下的温度。也可 能是此类方法的混合，例如一种其中稳态温度通过来自传感器的温度读
数来外推的方法。这种外推时常可能通过形式A + B*exp (-C*t)的指数曲 线来近似，并且在t= w时的稳态温度能够通过由指数A + B*exp(-C*t) 来拟合温度曲线的可得到初始部分而进行估计。在确定指数的系数A、 B 和c之后，稳态温度T ( t = oo )能够被估计，因为T ( t = m ) = a。然
后，利用相应的稳态温度，适合的公式可以用来找出核心身体温度。例 如，人们可以使用像如下的公式
t jg;。-；)；-(t2a-t2a)t;。
, "L-;)-(t2"-t26)
其中L和Lb是第一热流情形下的第一侧和第二侧的温度， T2a和T2b是第二热流情形下的第 一侧和第二侧的温度， 且其中K,和K2分别是第一、第二状态时的导热率。在这种情况下，假设第 一侧和第二侧之间的导热率是主要因素，并且要么是已知的要么根据本 领域技术人员已知的技术从其它测量中加以确定。
无论哪种情况，本领域技术人员具有许多从第 一 和第二侧的温度中 导出核心温度的方式。
在有利的实施例中，设备包括控制单元，其中控制单元被布置成控 制所述调制器装置。这样，控制单元能够在其中调制器装置的设置特定
变化有利于确定核心温度的情况下适应调制器装置。例如，根据Ts,冷 却器装置的不同设置或者热耦合的不同变化等等可能是有利的。优选 地，控制单元被布置成使相应热流维持在基本恒定的水平，以便提高准 确度。有利地，控制单元包括计算单元，或者换言之控制单元和计算单 元优选集成为一个单元。
在特定的实施例中，调制器装置可设置为具有第一和第二侧之间的 不同预定热流的多个状态，优选为两个状态。在这个实施例中，上面已 经示出了示例，调制器装置能够设置两个热流以获得两种不同的情形， 每种情形具有不同的平衡温度或温度演变曲线。更优选地，控制单元被 布置成在具有可变频率的多个状态(特别地为两个状态)之间进行切换， 以使得最终得到的热流可控至预定的基本恒定水平。这样，原则上两个 极端值即低热导和高热导之间的任何热流是可设置的，因而设备可以适 于提供足够不同的热流，而不必依赖于这种极端值。尽管还可以通过适 当的调制器装置来提供连续可变的热流，但是具有离散值就设备的稳定 性和准确度而言能够具有优势。在稳态之间，控制方法可以与脉宽调制 方法或者高频时间复用相比。不同的有效热耦合能够通过调谐设备处于 不同状态的时间间隔比来获得。优选地，切换频率应当比经过结构的热 传播速度高很多，在典型情况下要快1-10 Hz。中继型开关或任何其它 机械结构能用于此目的。
在特殊的实施例中，设备包括控制单元，该控制单元被布置成在 其中所述热流具有第一值的情形时从第一和第二温度传感器获得第一 相应温度信号；在其中所述热流具有第二值的情形时从第一和第二温度 传感器获得第二相应温度信号；以及根据第一和第二相应温度信号来计 算核心温度。
这是一个其中设备本身能够实施所需测量和确定核心温度的实施
13例。它还可以向设备提供用于给一些外部计算单元发送温度值的发送 器。这个后面实施例可以有助于集中监控不同物体(比如医院中的不同 患者)的核心温度。
在进一步的有利实施例中，根据本发明的设备包括光学传感器，优
选为Sp02和/或St02传感器，所述传感器带有光源，优选地包括至少一 个LED。尽管根据本发明的调制器装置允许更安全的低温测量的有益效 果，但是不排除包括加热器元件以便获得变化的热流。有利地，在Sp02 和/或St02传感器的情况下，将出现光源和/或热敏电阻。在每种情况 下，它们都将可能在运行时产生热。这种热可以用来生成可变的热流。 换言之，4艮高效地利用无论以何种方式生成的热。优选地，光源包括至 少一个LED。这种光源很紧凑并且可以靠近例如第二温度传感器进行设 置。
在有利的实施例中，第一侧的形状向外弯曲，并且优选地该结构包 括具有向外弯曲的形状的构件，优选地使得第 一温度传感器所处的部件 从第一侧突出。这样，第一温度传感器将以适合的方式接触待测量的物 体，并且能够提供可靠的接触。特别地，为此功能可以提供构件，在该 构件上附着或可附着第一温度传感器。优选地，构件被布置成能够施加 弹簧弹力或恢复力(该力能够按压第一侧以及因而第一温度传感器)到 物体上。
另外有利地，构件包括柔性材料，优选地为弹簧、特别地为板簧。 在本文中，"柔性"意指形状在用人手指施加法向力(normal force)
时是显然可变的。柔性构件的优势在于能够更容易地适应例如诸如待测 物体(特别是人体(皮肤))的运动之类的变化。
优选地，构件具有基本均匀的厚度。在这种情况下，热流将在结构 中特别是在构件中更加平均。这极大地简化了计算并且使得相对简单的 近似可以保持有效。
在一个实施例中，构件是层状的。优选地构件包括一层kaptoiT或 氯丁橡胶，和/或包括一层位于构件的至少一个表面上的热良导体。这 种层状结构允许在构件的第一侧和第二侧处的平均温度分布，并且还有 利地允许在作为 一 个整体的设备的第 一侧和第二侧处的平均温度分布。 再则，这就简化了热流和计算并且提高了温度测量的准确度。在此，热 导体如果其具有至少1 W/mK的导热率则是有益的，并且优选地包括金属层。而且，另一层，优选为中心层，包括热良绝缘体，比如kapton 或氯丁橡胶，这就结合了低导热率和期望的弹性属性。不排除其它材料。
在有利的实施例中，设备包括保持构造物用于把设备保持在物体上 的稳定位置。尽管装置在没有这种保持器构造物的情况下还可以有用， 例如通过手动地将其保持在期望位置，但是提供这种保持构造物可以提 高其实用性。在这种情形，设备可以是无人照管的并且仍然可靠地执行 其功能。特别地，保持构造物包括环绕构件的侧壁和/或用于把设备固 定到物体上的固定装置，更优选地包括粘附层和/或绑带。这种侧壁可 以有利地提供对构件的预拉(pretention),这对于建立与物体的可靠 接触是有用的。而且，固定装置优选地包括粘附层和/或绑带以便把设 备固定到物体上。当然，取决于物体，可以考虑其它固定装置。
在第二方面，本发明还涉及一种用于测量物体的核心温度的方法， 该方法包括把第一温度传感器定位在用于测量所述物体的表面温度的 位置；定位第二温度传感器和结构，以使得该结构位于第一温度传感器 和第二温度传感器之间，其中该结构具有第一侧和第二侧，第一温度传 感器在第一侧而第二温度传感器在第二侧；用第一温度传感器测量第一 温度和用第二温度传感器测量第一温度；改变第一侧和第二侧之间的热 流；用第一温度传感器测量至少一个第二温度和用第二温度传感器测量 至少一个第二温度；根据所述各自的第一温度和所述各自的至少一个第 二温度来计算核心温度。根据本发明的方法通常是设备的对应物，并且 提供基本相同的优势，因而在这里一般不再重复。
这里要做的一般说明是，代替第一和第二温度，第一和第二温度趋 势也是有用的。换言之，在两种情形中的每种情形，即不同的热耦合或 主动冷却或等等下，第一和第二温度或者至少第一温度被及时地采样。 所有这些将在实施例的详细描述中进行进一 步的阐述。
在一个实施例中，通过改变第一侧、第二侧和环境中的第一个与第 一侧、第二侧和环境中的另一个之间的热耦合来改变热流。在这些控制 热流的方式中，可以使用每种可能性，比如改变第一和第二侧之间的导 热率，或者改变第二侧和环境之间的热耦合，等等。
在特定的实施例中，通过冷却第二侧来改变热流。这是根据本发明 的包括主动冷却器的设备的方法对应物。
有利地，在根据本发明的方法中，利用根据本发明的设备。在这种情况下，可靠的核心温度测量是可能的，大多数具有很低的能量消耗而 且没有烧伤的风险。


现在将参照示出了多个说明性、非限制性实施例的附图来描述本发 明，这些附图示于
图la到图le图解示出了根据本发明的设备的各种实施例；和 图2是可以用于理解本发明的示意图。
具体实施例方式
这些设备被不按比例且以横截面正视解示出。
图la到图le示出了根据本发明的设备的各种实施例。
该设备在图la中一般标为1,包括第一结构部件2和第二结构部件 3，其中第一温度传感器4、第二温度传感器5分别连接到控制和/或计 算单元6 (在下文控制单元)。
7是制动器，8表示导热销，并且设备位于身体部分的皮肤9上。
设备包括一种双层结构，其中在每一侧上有温度传感器4和5。两 个结构部件2和3之间的距离能够通过制动器7进行改变。
制动器可以是可充气的制动器、压电制动器等等。它们可以被耦合 或连接到控制单元6。通过在箭头A的方向上改变该距离，可以改变第 一和第二结构部件2和3之间的热耦合。利用任选销8可以提高这种耦 合的变化灵敏度。在第一和第二结构部件2和3紧密接近的情形下，这 个销8的末端或顶点可以位于相对结构部件上或者靠近相对结构部件。 通过操作制动器7，可以提高该距离并且强烈地降低热耦合。
例如，销8由诸如铝或铜的高传导材料制成，而第一和第二结构部
件2和3也可以由诸如金属的传导材料制成。制动器7也可能是传导的，
但也可能是热绝缘的以防止影响测量。
第 一和第二温度传感器可以是任何有用类型的温度传感器，比如热
敏电阻、热电偶、NTC/PTC电阻、等等。传感器4、 5可以附着到结构部 件2、 3,或者可以经由电线(未示出)连接到结构部件2、 3。这些传 感器连接到控制单元6,该控制单元6优选地包括用于示出相应温度的 显示器。优选地，控制单元6包括用于计算核心温度的计算单元，并且
16被布置成显示所述温度。
所示的设备1位于身体部分的皮肤9上。其也可以位于任何类型的 容器上，该容器带有待测量的某个温度的内容物，比如婴儿牛奶等等。
图lb示出了带有风扇(van) 10、散热器11、含有流体13的流体 容器12以及在第二结构部件3中的通道14的实施例。作为一般说明， 在所有附图中，相似部件用相同的附图标记来表示。
风扇被布置成能够把空气移送经过第一和第二结构部件2和3之间 的空间。这就使那些结构部件之间的热耦合发生变化。如果提供散热器 11,则增大了这个变化，该散热器11优选地由诸如铝或铜的良导热材 料制成。可以提供多个散热器，并且它们也可以被提供在第一结构部件 2或两者上。
可选地或另外，提供了带有容易蒸发的流体13的流体容器12。流 体13可以经过通道14到达结构部件2、 3之间的空间。在那里，流体 蒸发且变成蒸发流体的云状物15。潜热使设备冷却并且改变热流。风扇 10可以通过在箭头方向上的受迫空气运动来提高这种效应。
图lc示出了包括夹在第一传导层17和第二传导层18之间的核心 材料16的设备的实施例。
19表示Peltier元件，20-1、 20-2表示第一和第二可移动散热器部件。
这个实施例示出了夹层结构，其中核心材料16 (在这种情况下例如 kapton )被夹在诸如铝层的两个传导层17和18之间。后者元件确保 在设备两侧上的均匀温度分布。
Peltier元件19或者另 一冷却设备被提供以与第二侧即第二传导 层2热接触。当接通Peltier元件时，第二侧处的温度可以被降低，引 起第二温度传感器5的温度变化。20-1和20-2表示第一和第二可移动 散热器部件。第一散热器部件20-1被示为沿箭头B的方向移动到打开， 对于第二部件20-2情况相似。通过打开或关闭可移动散热器部件20-1、 20-2,第二侧、第二传导层18的热耦合可以被改变，这再次确保了不 同的热流以及因而确保了第二温度传感器5处的不同温度。
图ld图解示出了更适合用于耳朵等中的设备。该设备包括衬底21、 至少一个LED 22以及至少一个光学传感器23。
衬底21可以例如^皮成形为可力文射状地插入到耳道内。衬底21可以
17包括有点柔性的形状恢复材料，比如各种橡胶。根据图Id的设备被实
现为核心温度传感器与Sp02或St02传感器的组合。众所周知，这种传 感器包括至少一个LED 22 (且优选为至少两个)以及光学传感器23。
当使用这种设备时，可以通过操作一个或多个LED 22来改变经过 设备的热流，即经过衬底21从第一温度传感器4到第二温度传感器5 的热流。这些产生经过衬底21传送的热并且因而可以改变温度。这个 实施例是适合于测量血液和/或组织氧合以及体核心温度而不4又仅测量 耳内皮肤表面温度或鼓膜温度(其更不准确)的设备的示例。要注意的 是，关于测量血液和/或组织氧合的细节视为对本领域技术人员是已知 的，在这里将不进行进一步的讨论。
图le图解示出了带有有利固定组件的设备的实施例。该设备包括 在带有固定装置26的保持结构25中的柔性构件24。还示出了第一和第 二温度传感器4、 5的优选位置以及相应的可选位置4，、 5，。
这个实施例包括由例如氯丁橡胶制成的柔性构件24。柔性构件24 向外突出。优选地，第一传感器4存在与柔性构件24的凸出部分的顶 部。构件24还被固定在保持结构25上的固定装置26之间，这些可以 被集成。
这个设备保证了第一传感器4和诸如身体部分的待测量物体之间的 良好耦合。在使用中人们可以移动身体部分，这会造成设备相对于身体 部分的运动。本实施例降低了相对于身体部分无意移动设备的风险。
保持结构25可以包括用于将该设备作为一个整体附着到身体部分 上的装置，比如一条粘贴带(未示出)。固定装置可以简单地是用于固 定柔性构件的夹具或者任何其它带有相似用途的设备或装置。
这里要作的一般说明是，如果需要，可以组合各种实施例或甚至其 部分。例如，图lc的实施例的层状结构可以与图le的设备的柔性构件 24组合。本领域技术人员会容易进行这种组合并且可以通过图的描述和
本申请的一般介绍性部分而被指导，尽管这不是必需的。 图2是可以用于理解本发明的示意图。
在图示中，设备1位于身体部分28上。设备示意性地包括带有第 一和第二温度传感器4、 5的第一和第二结构部件2、 3以及在中间的介 质27。该介质具有厚度hd和导热率入d。
身体部分28—般示意性地包括皮肤9和身体核心29,而！30代表皮
18肤表面，31代表皮肤和身体核心之间的虚拟界面。
皮肤，即如下面要解释的在模型中视为皮肤的层，具有厚度t和导热率入"
在模型中，例如假设，皮肤中的温度分布在深度上是基本线性的并且从身体核心29中的真实身体核心温度变化到皮肤表面温度或第一传感器4处的温度。
身体核心温度T。_可以通过根据下式求解系统方程来确定
W d2T
—=a~T
", 血
1 = 1T = TS》3T
在x = 0处
在x = hu处
其中
T =温度t =时间x =深度a = AV pcp入=导热率p=密度cp =比热
qs =经过皮肤表面30的热流
量qs能够通过两个温度传感器4和5进行测量。在对上面方程改写后， -殷设介质27的热响应时间快于皮肤的热响应时间即oOa"这将给出
《c = _入——血
& = 一入——
血
在x = 0处
在x = h处
而且假设在深度上线性的温度分布，q。能够被近似为《c = -"^(L-X)
从中其遵循<formula>formula see original document page 20</formula>
未知量是—L和2 ，而量Ts, qs和I是所测量的量。通过在一系列不同的时刻ti上测量那些量，获得耦合方程的矩阵
^申
1 -^1 —L —"
T
2a,
一个假设是L,' L和2 在测量期间是时间相关的。
例如通过最小平方极小化(LMS)程序或任何其它适合数学方法，能够求解该系统方程。然后这提供身体核心温度以及还提供经过皮肤表面的热流。注意，通常根据本发明的设备和方法因而还可以用来确定除了仅核心体温之外的其它量。
采样时刻ti应当被选择成使得关于温度分布和深度上dT/dt的线性的假设成立，这归结为在皮肤温度Ts变化得比皮肤中的特征传播时间
T a/更慢时的周期期间的采样时刻。
同时
该范围要由所附权利要求来确定,
20
权利要求
1.一种用于测量物体的核心温度的设备，包括-具有第一侧和与所述第一侧基本相对的第二侧的结构，所述第一侧倚靠所述物体进行定位；-第一温度传感器，其被定位并布置用于测量所述第一侧处的温度；-第二温度传感器，其被定位并布置用于测量所述第二侧处的温度；其中所述设备包括在所述第二温度传感器的位置处的用于通过改变所述第一侧和所述第二侧之间的热流以降低所述第二传感器的温度的调制器装置。
2. 根据权利要求1所述的设备，其中所述调制器装置被布置成在第一热流状态和第二热流状态之间切换，其中所述设备在其稳态时的能量消耗基本未被改变，特别地稳态能量消耗对于第 一和第二热流状态基本为零。
3. 根据任一前面权利要求所述的设备，其中所述第一侧、第二侧和环境中的第 一个与所述第 一侧、第二侧和环境中的另 一个之间的热耦合是可变的，特别地调制器装置被布置成改变所述热耦合，且更特别地改变该结构的所述导热率。
4. 根据任一前面权利要求所述的设备，其中所述结构包括在其第一侧的第一结构部件以及在其第二侧的第二结构部件，所述调制器装置被布置成改变所述第一结构部件和第二结构部件之间的热耦合。
5. 根据权利要求4所迷的设备，其中所述调制器装置被布置成提供所述第一结构部件和第二结构部件之间的可变距离。
6. 根据任一前面权利要求所述的设备，其中所述结构包括腔，其中所述调制器装置包括用于把热耦合材料至少部分地移到所述腔内的移动器装置。
7. 根据权利要求3-6中任一项所述的设备，其中所述结构包括可变散热器，特别地包括相对于第二散热器部件和所述第一结构部件中的至少 一个是可移动的至少第 一散热器部件，所述第 一散热器部件优选是可旋转的或者是可平移的或者即是可旋转又是可平移的，以使得第二部件的变化区域免受环境影响。
8. 根据任一前面权利要求所述的设备，其中用于降低温度的所述调制器装置包括用于冷却所述第二传感器的主动冷却器装置，比如Peltier元件和/或用于使流体蒸发的蒸发器；和/或风扇装置，其被布置成沿该结构的第二侧的至少一部分置换气体，优选为空气。
9. 根据任一前面权利要求所述的设备，包括计算单元，该计算单元被布置成根据来自第 一和第二温度传感器的相应温度信号计算核心温度。
10. 根据任一前面权利要求所述的设备，包括控制单元，该控制单元被布置成在其中所述局部热流具有第 一值的情形时从第 一和第二温度传感器获得第一相应温度信号；在其中所述热流具有第二值的情形时从第一和第二温度传感器获得第二相应温度信号；以及根据所述第一和第二相应温度信号来计算所述核心温度。
11. 根据任一前面权利要求所述的设备，还包括光学传感器，优选为Sp02和/或St02传感器，所述传感器带有光源，优选地包括至少一个LED。
12. 根据任一前面权利要求所述的设备，其中所述第一侧的形状向外弯曲，并且优选地该结构包括具有向外弯曲的形状的构件，特别地该构件包括柔性材料，优选地为弹簧、更优选地为板簧。
13. —种用于测量物体的核心温度的方法，包括-把第一温度传感器定位在用于测量所述物体的表面温度的位置；-定位第二温度传感器和结构，以使得该结构位于第一温度传感器和第二温度传感器之间，其中该结构具有第一侧和第二侧，第一温度传感器在第一侧而第二温度传感器在第二侧，该结构具有第一侧和第二侧之间的热耦合；-用第一温度传感器测量第一温度和用第二温度传感器测量第一温度；-改变第一侧和第二侧之间的热流；-用第一温度传感器测量至少一个第二温度和用第二温度传感器测量至少一个第二温度；-根据所述各自的第 一温度和所述各自的至少 一个第二温度来计算核心温度。
14. 根据权利要求13所述的方法，其中通过改变所述第一侧、第二侧和环境中的第 一个与所述第 一侧、第二侧和环境中的另 一个之间的热耦合和/或通过冷却第二侧，来改变热流，且其中特别地利用根据权利要求1-13中任一项所述的设备(
全文摘要
本发明提供一种确定身体比如人体的核心温度的设备。另外，该设备包括具有第一侧和第二侧的结构，和相应的第一和第二温度传感器，以及在所述第二温度传感器的位置处的用于通过改变第一侧和第二侧之间的热流以降低第二传感器的温度的调制器装置。调制器装置能够通过控制热流而不增加热量而是通过控制热耦合来降低温度，这使其本质上是安全的并且通常功耗会低很多。
文档编号G01K7/42GK101568814SQ200780047858
公开日2009年10月28日 申请日期2007年12月17日 优先权日2006年12月20日
发明者A·O·M·张, A·帕迪, O·苏克 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司