无创体核温度测量装置的标定设备及其使用方法.pdf

无创体核温度测量装置的标定设备及其使用方法，本发明装置设装有液体介质(12)的容器(9)，容器内设有电加热器(13)，容器底部设有水泵搅拌器(11)，液体内设有体核温度传感器(8)，其输出端引出容器外，与数据采集装置连接。本设备可用于标定无创体核温度测量装置绝热材料层热阻Re和热容量Cs决定的瞬态项系数γ标＝Re×Cs，和用于校准用该装置估算体核温度变化值的误差补偿系数β标，采用本发明标定设备和其使用方法可提高测量人体体核温度的准确性。

1.  无创体核温度测量装置的标定设备，其特征在于：设装有液体介质(12)的容器(9)，容器内设有电加热器(13)，容器底部设有水泵搅拌器(11)，液体内设有体核温度传感器(8)，其输出端引出容器外，与数据采集装置连接。

2.  如权利要求1所述无创体核温度测量装置标定设备的使用方法，其特征在于：用于标定无创体核温度测量装置绝热材料层热阻Re和热容量Cs决定的瞬态项系数γ_标＝Re×Cs，和用于校准用该装置估算体核温度变化值的误差补偿系数β_标，具体过程为：
(1)、维持标定设备容器内核心温度不变，将无创体核温度测量装置绑缚在本发明标定设备容器的外壁上，稳定后测出模拟体表温度(Ts)；
(2)、维持标定设备容器内核心温度不变，用微电热片模拟环境升温ΔTeh，检测模拟体表温度变化为(ΔTsh)；
(3)、微电热片停止加热，稳定后，将某点作为基准点，记录该点模拟体表温度值、环境温度值和容器内核心温度值，分别记为Tso、Teo、Tco；
(4)、以基准点为起始点，使标定设备容器内的温度模拟人体体核温度变化，并连续记录和存储模拟体表温度(Ts)、环境温度(Te)和核心温度值(Tc)；
(5)、多次重复上述(1)-(4)步骤，并将每次得到的一组测量数据保存待用；
然后包含下述内容：
(6)、对前述每组测量数据分别进行处理，分别取得每组数据的
个体化校正系数A＝Rc/Re＝ΔTsh/(ΔTeh-ΔTsh)和
环境校正系数α＝ΔTsh/ΔThe；
(7)根据上述的每组数据，估算容器内的模拟体核温度Tc，将估算的Tc值与实测的标定设备容器核心温度值做对比，观察二者之间的误差，同时人为调节瞬态项系数中的Re×Cs值，取使瞬态误差最小时的Re×Cs值作为该组测量数据的瞬态系数γ值；
求各组瞬态系数γ值的平均值γ_标，将其作为用无创体核温度测量装置估算人体体核温度时的瞬态项系数Re×Cs的标定值；
(8)、根据上述的每组数据，求出各测量数据Tc、Ts、Te相对于其基准点Tco、Tso、Teo的变化量；
计算环境温度变化造成的体表温度变化量Tse：
Tse＝α×(Te-Teo)
计算由单纯核心温度变化造成的体表温度变化量：
dTsc＝(Ts-Tso)-α×(Te-Teo)；
用无创体核温度测量装置估算核心温度变化量dTc，将估算的核心温度变化量dTc与实测的对应核心温度变化量相比，得到由体表温度变化量估算体核温度变化量的误差补偿系数β：
β＝体核温度变化估算值/体核温度变化实测值＝dTc/(Tc_实-Tco)；
求各组误差补偿系数β的平均值作为用无创体核温度测量装置估算人体体核温度时的误差补偿系数β_标。

无创体核温度测量装置的标定设备及其使用方法
本案是申请号为200710106796.9，申请日为：2007年6月27日，名称为“无创体核温度测量的方法、装置和标定设备及其标定方法”的分案申请
技术领域
本发明属一种获取人体动态生理参数装置的标定装置及标定方法，具体是一种无创体核温度测量装置的标定装置及其使用方法。。
背景技术
人体体核温度的动态变异性包含着体温调节系统极为丰富的信息，是重要的生命体征，它可以作为一种中间参数为人体多种疾病的综合诊断提供参考依据。体核温度的连续、动态测量分有创和无创两类方法，有创法给人体带来一定的损伤，对于需要长期连续监测的场合，有创法有很大的不便。无创体温测量方法有热绝缘法、零热流法等。热绝缘法假设体表做绝热处理后，皮肤温度等于体核温度。热绝缘法测试时间长，精度因绝热材料性能的不同而受到很大的限制。零热流法的基本思路是在体表给人体发送热流以补偿体表散热，当热流为零时认为皮肤温度等于体核温度。零热流法需要加热、冷却装置来平衡热流，装置较为复杂。另外还有学者进行了诸如红外法，微波法，超声法，NMR核磁共振法测量体核温度的研究。这些方法都有各自特定的应用条件。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种无创体核温度测量装置的标定设备及其使用方法，采用本发明设备和方法可提高用无创体核温度测量装置测量人体体核温度的准确性。
本发明体核温度测量的方法包含下述内容：
1、在人体体表设置绝热材料层，绝热材料层内侧与人体体表之间设置体表温度传感器，用于检测人体体表温度(Ts)，在绝热材料层外侧设置环境温度传感器，用于检测环境温度(Te)，并设置用于产生模拟环境温度的电热部件；
2、用模拟电路进行传热过程的分析和计算，包含下述过程：
用电热部件模拟环境升温(ΔTe)，测得此时皮肤温度变化量(ΔTs)，以此获得人体体表组织等效热阻(Rc)与所述绝热材料层等效热阻(Re)的比值作为个性化校正系数(A)，并获得环境温度变化量(ΔTe)与皮肤温度变化量(ΔTs)的比值作为环境温度对皮肤温度影响的环境温度校正系数(α)；
用电子体温计测得人体某一时刻的体核温度值(Tc₀)，同时测得此刻的体表温度值(Ts₀)和环境温度值(Te₀)，作为参考基准点；
完成上述过程后即开始测量估算：测量人体体表温度值(Ts)和环境温度(Te)，根据所述绝热材料层的等效热阻(Re)、热容量(Cs)，和前述获取的个体化校正系数(A)和环境温度正系数(α)，即可用瞬态模拟电路分析法估算人体体核温度(Tc)，在估算中，用个体化校正系数(A)校正人体体表组织等效热阻(Rc)，用环境温度校正系数(α)去除环境温度(Te)对皮肤温度(Ts)的影响，估算中以所述参考基准点的体核温度值(Tc₀)作校准。
本发明无创体核温度测量的装置为：设有可固定在人体上的绑缚带(1)，绑缚带上设置绝热材料层(2)，绝热材料层内部贴着人体体表的部位设有体表温度传感器(3)，绝热材料层外部设有环境温度传感器(4)和用于产生模拟环境温度的电热部件(5)，所述的体表温度传感器和环境温度传感器输出端与信号采集显示装置连接。
下面对本发明方法的原理作一说明，本发明方法采用电路模拟传热过程的分析和计算：参见
图2本发明方法用电路模拟传热过程的稳态导热简化热阻分析图
图3本发明方法所采用的稳态导热时的简化电路模拟图
图4本发明方法所采用的增加瞬态瞬态项导热变化时的简化电路模拟图。
根据上述电路模拟图可分析出：皮肤温度传感器测量人体体表温度值Ts受四种因素影响，即体核温度Tc，环境温度Te，绝热材料物理性质(热阻Re，热容量Cs)和体表组织等效热阻Rc。Tc与上述四因素的简化数学关系，由瞬态导热电路模拟图可推导为(根据基尔霍夫电流定律)：
Tc＝Rc×Cs×dTs/dt+Rc/Re×(Ts-Te)+Ts  (1)
Tc与上述四因素在稳态导热阶段的简化数学关系为：
Tc＝Rc/Re×(Ts-Te)+Ts    (2)
上述公式(1)、(2)即是本发明方法采用瞬态模拟电路分析法估算人体体核温度(Tc)的基本表达式，从上述式(1)可看出：人体体表温度Ts和环境温度Te可通过传感器测得，绝热材料层热阻Re、热容量Cs(主要取决于密度ρ和比热容c)可以人为设计，只有人体体表组织等效热阻Rc不易获取，而且Rc还会因不同人体的体表脂肪、肌肉等因素的个体差异而有较大不同，另外，人体体表温度Ts的变化是人体体核温度Tc和环境温度Te变化共同作用的结果，如果环境温度Te恒定，则Ts的变化就能直接反映体核温度Tc的动态变化，因此，需要从Ts的变化中去除环境温度变化的影响。
因此本发明方法在测量估算前，先模拟环境温度变化ΔTe，测得稳定后的皮肤温度变化量ΔTe，根据式(2)即可求得
Rc/Re＝ΔTs/(ΔTe-ΔTs)＝A
将A作为体现人体体表组织等效热阻Rc的个性化校正系数；
同时将可求得的ΔTs/ΔTe＝α作为体现从皮肤温度变化中去除环境温度影响的环境温度校正系数。
这样即可实现用增加瞬态项模拟电路分析法估算人体体核温度(TC)了。
本发明测量人体体核温度装置的标定设备结构为：设装有液体介质(12)的容器(9)，容器内设有电加热器(13)，容器底部设有水泵搅拌器(11)，液体内设有体核温度传感器(8)，其输出端引出容器外，与数据采集显示装置连接。
本发明标定设备的标定方法是：用于标定由本发明装置无创体核温度测量装置绝热材料层热阻Re和热容量Cs决定的瞬态项系数γ_标＝Re×Cs，和用于校准用本发明方法估算的体核温度变化值的误差补偿系数β_标，具体过程为：
1、维持标定设备容器内核心温度不变，将本发明无创体核温度测量装置绑缚在本发明标定设备容器的外壁上，稳定后测出模拟体表温度(Ts)；
2、维持标定设备容器内核心温度不变，用微电热片模拟环境升温ΔTeh，检测模拟体表温度变化为ΔTsh；
3、微电热片停止加热，稳定后，将某点作为基准点，记录该点模拟体表温度值、环境温度值和容器内核心温度值，分别记为(Tso、Teo、Tco)；
4、以基准点为起始点，使标定设备容器内的温度模拟人体体核温度变化，并连续记录和存储模拟体表温度(Ts)、环境温度(Te)和核心温度值(Tc)；
5、多次重复上述1-4步骤，并将每次得到的一组测量数据保存待用；然后包含下述内容：
6、对前述每组测量数据分别进行处理，分别取得每组数据的个体化校正系数A＝Rc/Re＝ΔTsh/(ΔTeh-ΔTsh)和环境校正系数α＝ΔTsh/ΔThe；
7、根据上述的每组数据，用本发明方法估算容器内的模拟体核温度Tc，将估算的Tc值与实测的标定设备容器核心温度值做对比，观察二者之间的误差，同时人为调节瞬态项系数中的Re×Cs值，取使瞬态误差最小时的Re×Cs值作为该组测量数据的瞬态系数γ值；
求各组瞬态系数γ值的平均值γ_标，将其作为用本发明装置和方法估算人体体核温度时的瞬态项系数Re×Cs的标定值；
8、根据上述的每组数据，求出各测量数据Tc、Ts、Te相对于其基准点Tco、Tso、Teo的变化量；
计算环境温度变化造成的体表温度变化量Tse：
Tse＝α×(Te-Teo)
计算由单纯核心温度变化造成的体表温度变化量：
dTsc＝(Ts-Tso)-α×(Te-Teo)；
用本发明方法估算核心温度变化量dTc，将估算的核心温度变化量dTc与实测的对应核心温度变化量相比，得到由体表温度变化量估算体核温度变化量的误差补偿系数β：
β＝体核温度变化估算值/体核温度变化实测值＝dTc/(Tc_实-Tco)；
求各组误差补偿系数β的平均值作为用本发明方法估算人体体核温度时的误差补偿系数β_标。
本发明提供了一种无创人体体核温度测量的新方法和新装置，采用本发明方法和装置可对人体进行长期、连续、动态、个性化的无创体核温度测量，使用方便，制造和运行成本低，准确性高。采用本发明标定设备和其标定方法可提高用本发明方法和装置测量人体体核温度变化的准确性。
附图说明
图1、热绝缘法测量体核温度方框示意图
图2、本发明方法用电路模拟传热过程的稳态导热简化热阻分析图
图3、本发明方法所采用的稳态导热时的简化电路模拟图
图4、本发明方法所采用的增加瞬态导热变化时的简化电路模拟图。
图5、本发明装置方框结构示意图
图6、实施例1本发明装置结构示意图
图7、实施例3本发明标定设备结构示意图
图8、实施例5瞬态系数γ_标标定示意图
图9、实施例5误差补偿系数β标定示意图
1-绑缚带 2-绝热材料层 3-体表温度传感器 4-环境温度传感器5-电热元件 6-弹性带 7-锁扣装置 8-体核温度传感器 9-容器10-盖 11-搅拌泵 12-介质 13-电加热元件 14-测量盘
具体实施方案：
实施例1
参见图6，为本发明体核温度测量装置的一个实施例，该装置设有带绑缚带1的测量盘14，绑缚带由软布制成，其上有弹性材料6和锁扣装置7以保证对人体的缚紧度。测量盘14上设有绝热材料层2，其内侧贴着人体皮肤的部位装有体表温度传感器3，靠近外侧的绝热材料层内嵌有环境温度传感器4和与电池连接的电热元件5，测量盘呈长方体，尺寸为40*40*15mm3(长*宽*高)，重10g，电热元件5为35*35*1mm的微电热软薄片，镶嵌于绝热材料中。微电热片与体表温度传感器3之间被绝热材料层2隔离，二者垂直距离为10mm，体表温度传感器3可经过良导热体与皮肤表面紧密接触，环境温度传感器4与微电热片5良导热接触，体表温度传感器3、环境温度传感器4、微电热片电热元件5与测量盘中心重合，体表温度传感器3和环境温度传感器4输出端分别与温度信号采集装置连接。
实施例2
本例为本发明体核温度测量方法的一个实施例，将实施例1所述装置固定在人体上，即可进行体核温度估算，具体过程如下：
1.将测量装置绑缚到测量部位，稳定30分钟；
2、用微电热片电热元件5模拟环境升温ΔTeh，稳定20分钟后，检测皮肤温度变化为ΔTsh，则可得：
个体化校正系数：A＝Rc/Re＝ΔTsh/(ΔTeh-ΔTsh)
环境温度校正系数：α＝ΔTsh/ΔTeh
3.停止加热后，记录某一时刻的皮肤温度Ts和环境温度Te，同时用电子体温计测量体核温度(直肠或腋窝)并记录下来，分别记为Tso、Teo、Tco，作为参考基准点；
4、开始进行体核温度的估算：
采集不同时刻人体的体表温度Ts和环境温度Te，采用公式3进行体核度估算：
Tc＝A×Re×Cs×[(dTs-α×dTe)/dt]+
    A×[(Tso+dTs-α×dTe)-(Teo+dTe)]+[(Tso+dTs)-α×dTe]
                                               (3)
式中：Tc为人体体核温度估算值
Cs为绝热材料层的热容量
Ts为即时测得的人体体表温度值
Te为即时测得的环境温度值
Re为绝热材料层的热阻
A  为已通过环境温升ΔTeh获取的个性化校正系数
A-Rc/Re＝ΔTsh/(ΔTeh-ΔTsh)
α为通过环境温升ΔTeh获取的环境温度校正系数α＝ΔTsh/ΔTeh
然后用参考基准点的体核温度值Tco对用公式3估算的值做单点校准，即将上述按公式3估算的人体体核温度Tc初始点值和基准点所测的Tco值做差值比较，得到的差值作为后续体核温度估算值的校正量。
在上述估算公式中，热绝缘材料热阻Re、热容量Cs可人为设计(例如通过改变绝热材料层的密度ρ和比热容c)，A和α也已求出，(dTs-α×dTe)为去除了环境温度影响后的皮肤温度变化量，所以可以实现根据测得的Ts和Te估算体核温度Tc。
实施例3
本例为本发明体核温度测量方法的又一个实施例
本方法与实施例2的不同点在于第4步体核温度的估算方法有所不同，本例在求得个体化校正系数A，环境温度校正系数α，和参考基准点的Tso、Teo、Tco后，按下面的公式进行体核温度Tc的估算：
稳态量估算：
Tc_稳＝Tco+(dTs-α×dTe)/(1-α)(4)
瞬态量估算：
Tc_瞬＝A×Re×Cs×(dTs-α×dTe)/dt    (5)
则体核温度估算值为：Tc＝Tc_稳+Tc_瞬
式中
Tc为人体体核温度估算值
Cs为绝热材料层的热容量
Ts为即时测得的人体体表温度值
Te为即时测得的环境温度值
Re为绝热材料层的热阻
A为通过环境温升ΔTeh获取的个性化校正系数
A＝Rc/Re＝ΔTsh/(ΔTeh-ΔTsh)
α为通过环境温升ΔTeh获取的环境温度校正系数
α＝ΔTsh/ΔTeh
然后用参考基准点的体核温度值Tco对用公式3估算的值做单点校准，即将上述估算的人体体核温度Tc初始点值和基准点所测的Tco值做差值比较，得到的差值作为后续体核温度估算值的校正量。
上述方法的估算原理是：
如前述：个体化校正系数A＝Rc/Re＝dTsh/(dTeh-dTsh)
环境温度校正系数α＝dTsh/dTeh。
所以：A与α的关系为：A＝α/(1-α)
环境温度不变时，公式1
Tc＝Rc×Cs×dTs/dt+Rc/Re×(Ts-Te)+Ts
  ＝A×Re×Cs×[(dTs-α×dTe)/dt]+A×(Ts-Te)+Ts
中稳态量中体核温度的变化成分为：
dTc＝A×dTs+dTs＝α/(1-α)×dTs+dTs＝dTs/(1-α)
去除环境温度对皮肤温度的影响，即得：
dTc＝(dTs-α×dTe)/(1-α)(6)
故可得公式5稳态量
Tc_稳＝Tco+(dTs-α×dTe)/(1-α)(4)
而根据公式(3)，瞬态量估算：
Tc_瞬＝A×Re×Cs×[(dTs-α×dTe)/dt](5)
其中Re×Cs可根据事先对测量装置绝热材料层标定的瞬态系数
γ_标＝Re×Cs值进行计算
从而可以得到体核温度估算值为稳态值与瞬态值之和：
Tc＝Tc_稳+Tc_瞬
为了提高上述估算值的准确性，进一步方案是用误差补偿系数β_标对其进行补偿，进行补偿的估算方法是：
用经过标定的误差补偿系数β对前述的稳态量进行补偿后得
(Tc_稳)_补＝Tco+(dTs-α×dTe)/[β_标×(1-α)]
瞬态量的估算与前述相同；
则体核温度估算值为：
Tc＝((Tc_稳)_补+Tc_瞬。
实施例4
本例是本发明无创体核温度测量装置标定设备的实施例，本标定设备是一个体温模拟发生器，具体结构参见图7，容器模拟人体躯干呈圆桶形，总体尺寸定为桶高250mm，内径80mm，ABS底座25mm厚。顶盖10为10mm厚ABS材料，顶盖上留有走线孔和排气孔，并设有支撑电热元件13的绝缘装置。电加热元件为交流220V，500W型圆柱钢管加热棒，长200mm，直径10mm，用来模拟体核热源。桶内介质为水，12V4W的潜水泵固定在底座上，搅动水流，使桶内水温均匀。
体温模拟发生器的桶壁用来模拟体核到体表的热阻，其厚度确定如下。人体皮肤导热系数＝0.47W/(m.k)，脂肪导热系数＝0.21W/(m.k)，正常腹部男性皮肤皱襞(皮肤+皮下脂肪)厚度为5-15mm，女性皮肤皱襞为12-20mm。本例取平均皮厚＝10mm，其中表皮厚＝2mm，脂肪厚＝8mm，根据导热稳态阶段，总热阻等于串联热阻之和，即：
δλa=δsλs+δfλf]]>
代入数据计算得皮皱平均导热系数为λa＝0.236W/(m.k)。ABS材料导热系数λabs＝0.2512W/(m.k)，则同样根据上述热阻相等的原理，等价10mm皮皱厚度的ABS材料厚度为
δabs=λabsλa×δa=10.64mm,]]>
所以模型中ABS桶壁厚度定为11mm。
为控制体温模拟发生器内水温，另设计了温度控制板，控温精度在±0.1℃，以便根据实验要求来实现体温模拟发生器内温度的恒定和变化。
桶内设有模拟体核温度传感器8，用于检测模拟的体核温度。
实施例5
本例为本发明无创体核温度测量装置标定设备标定方法的实施例。
本例采用实施例4所述的标定设备和实施例3所述的测量盘，其温度传感器输出端与温度信号采集控制板连接，用于采集标定设备和测量盘的温度信号，并控制标定设备容器内核的温度。
为了正确估算体核温度瞬态量和减小估算中存在的误差，新测量盘在使用前要用标定设备对其参数进行标定，本方法即可用于标定本发明无创体核温度测量装置，同时可用于校准用本发明无创体核温度测量装置和测量方法进行侧量得到的估算值。
本方法的目的一是标定出实施例1所述测量盘的瞬态系数γ＝Re×Cs，以便使其可用实施例2或实施例3所述方法进行人体体核温度瞬态成分的估算；二是求出用本发明进行人体体核温度变化估算产生的误差补偿系数β，以补偿估算存在的误差。
具体过程是：
1、室温25℃，模拟体温发生器核心温度控温在37℃。测量盘按图7所示绑缚在模拟体温发生器上，稳定30分钟。此时，在环境温度波动不大的情况下(dTe＜1℃)，体表温度接近一个稳定值；
2、模拟体温发生器核心温度仍控温在37℃不变，微电热片模拟环境升温ΔTeh，检测皮肤温度变化为ΔTsh；
3、微电热片停止加热，稳定30分钟，使微电热片温度回落到升温前的温度点。然后，同时记录一点体表温度值、环境温度值和核心温度值，分别记为Tso、Teo、Tco；
4、模拟体温发生器核心温度在36-41℃范围内以1℃的梯度变动，每个温度梯度上保持1小时。同时连续记录体表、环境和核心温度值，分别以Tst、Tet和Tct记录在计算机中。
5、重复上述1-4，测量10次，将每次测量得到的一组结果保存在不同的目录中待用。
6、根据上述各组数据标定瞬态系数γ：
公式(1)中体核温度中瞬态项Rc×Cs×dTs/dt中的系数不宜直接取得，但通过微电热片模拟环境温度变化Teh，可得到：
A＝Rc/Re＝ΔTsh/(ΔTeh-ΔTsh)
所以Rc＝A×Re＝ΔTsh/(ΔTeh-ΔTsh)×Re
则瞬态项表示为：
A×Re×Cs×dTs/dt＝ΔTsh/(ΔTeh-ΔTsh)×Re×Cs×dTs/dt
因为A＝ΔTsh/(ΔTeh-ΔTsh)部分可由前述第2步微电热片模拟环境温度变化ΔTsh/求得，而Re×Cs部分是一个与测量盘本身热物理性质有关的量，一旦测量盘的物理性质和形状确定了，Re×Cs就确定了。所以Re×Cs也是一个定量，我们将Re×Cs作为瞬态系数γ，具体标定过程是：
对10组实验数据，做如下的处理：
根据微电热片模拟环境温度变化数据，取得个体化校正系数：
A＝Rc/Re＝ΔTsh/(ΔTeh-ΔTsh)
取得环境校正系数
α＝dTsh/dTeh
用公式3：
Tc＝A×Re×Cs×[(dTs-α×dTe)/dt]+
    A×[(Tso+dTs-α×dTe)-(Teo+dTe)]+[(Tso+dTs)-α×dTe]
                                                   (3)
估算模拟体温发生器核心温度，并和实测的模拟体温发生器核心温度做对比，同时人为调节Re×Cs值，观察核心温度估算值和实测值间瞬态误差大小，如图8所示，取瞬态误差最小时的Re×Cs值为该组实验的瞬态系数γ值(图中Re×Cs＝80时得到的Tc1最接近实测值)。
这样10组标定实验数据就得到10个瞬态系数γ值，如表1所示。则该测量盘的瞬态系数为10次γ取平均值，γ’＝87.1，该值即可作为用实施例1测量盘测量人体体核温度时所用公式(3)进行估算时瞬态项的标定系数.
标定实验瞬态系数表