CN106539566B - 身体核心温度测量 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及身体核心温度测量。一种用于测量身体核心温度的设备包括光导。所述光导可以被耦合到耳机。在光导的第一端处安置第一传感器，并且在光导的第二端处安置第二传感器。处理器被耦合到第一传感器和第二传感器。第一传感器感测来自光导的第二端处的红外源的红外辐射，并且第二传感器测量光导的第二端处的光导温度。处理器经由跨一系列光导的周围温度的回归分析通过补偿由于光导的热梯度的红外辐射来确定在光导的第二端处的红外源的温度。
Description
技术领域
本公开涉及身体核心温度测量。
政府资助
本发明是在根据由美国陆军和国防部先进研究项目局(DARPA)授予的合同号W911NF-14-C-0044的政府支持的情况下完成的。美国政府在本发明中具有某些权利。
背景技术
通过鼓膜(耳膜)测温法的身体核心温度的连续或现场测量一般需要对耳道的不受限制的进入，使得鼓膜可以完全地填充温度传感器的视场。在其中耳道被其它部件挡住或对象存在不同的生理结构的情况中，对于温度传感器自身(例如热电堆)来说一直到达耳膜可以是非常具有挑战性的。随着距耳膜的相隔距离增加，感兴趣区域的百分比随着相隔距离的平方减少，从而获得具有高置信度的可靠读数的难度迅速增加。因此存在对光学设计的需要，其允许传感器位于较不深入耳道或者甚至在耳道外面，而仍然允许传感器的视场充分地被鼓膜填充。
附图说明
图1图解被安置到耳朵中并确定身体核心温度的系统和装置的实施例。
图2图解被安置到耳朵中并确定身体核心温度的系统和装置的另一实施例。
图3是图解被安置到耳朵中并确定身体核心温度的系统和装置的特征和操作的框图。
图4是图解被安置到耳朵中并确定身体核心温度的另一系统和装置的特征和操作的框图。
具体实施方式
在以下描述中，参考形成本文的一部分的附图，并且其中通过例证的方式示出可以被实现的具体实施例。以充分的细节描述这些实施例以使得本领域技术人员能够实现本发明，并且应理解的是可以利用其它实施例，并且可以进行结构、电学、和光学改变而不脱离本发明的范围。以下示例实施例的描述因此不被认为是有限的意义，并且本发明的范围由所附的权利要求限定。
如以上指出的，存在对连续的身体核心温度监测的需要。在实施例中，采用可以被耦合到耳道中的耳机(earpiece)的设备来解决该需要。所述设备也可以是单独的独立设备。不论是单独的设备还是被耦合到现有耳机，该设备被配置成被安置并保持在耳朵中。当连同现有耳机(诸如通信设备)使用时，现有耳机可以具有用于将音频声音传导进入和离开耳朵的中空管。然而，现有耳机的中空管和相关联的声音密封耳塞给热电堆传感器留下很少的空间来完全进入耳道中以到达鼓膜。因此，在实施例中，使用了包括光导和可选的透镜的光学系统。光导可以是中空反射管、光纤、或光和/或红外辐射可以穿过其传播的任何其它物质。当采用现有耳机实现时，光导可以被紧挨着且平行于耳机内的中空声管安置。光导对于来自鼓膜的长波红外(LWIR)辐射具有高反射性，并且将LWIR引导至热电堆传感器(或其它检测器)。在实施例中，光导的直径比热电堆自身窄得多，以允许使用具有更高敏感度的大的、标准尺寸(例如，4.6mm直径)热电堆，同时仍然适合于在耳道中在其它部件(声管、耳塞等)旁边。
光波导可以是具有LWIR反射性内部，例如，反射涂层的刚性或韧性管。在实施例中，从热电堆的直径到波导的最终出口直径的波导的直径方面的减少呈现到热电堆传感器的平坦表面(即，直径中的阶跃变化，与将与其末端在热电堆传感器处向外展开或向外渐缩的波导相关联的非阶跃变化直径相对照)。以这种方式，使波导被传感器观察的表面区域最小化，并且热电堆观察以下对象——其中直径从热电堆直径减少到波导管直径的波导的平坦表面、如经由笔直穿过波导的光射线观察的耳膜的小的点、以及呈现耳膜的反射和波导壁的热辐射的混合的波导壁。
在其中波导的发射率是恒量的情况下，可以通过测量热电堆观察的温度并然后减去波导温度的影响来确定耳膜温度。如果波导是热传导的并且其被严密地并机械地耦合到热电堆或热电堆的罩，在热电堆封装中用于测量热电堆的冷接点温度的热敏电阻应与波导温度紧密匹配。以这种方式，系统从热电堆观察的温度中移除波导光辐射的影响，仅剩下耳膜温度。可以根据实验(例如，经由回归分析)确定波导光辐射，以确定耳膜温度和观察的热电堆温度之间的转换函数。如以上指出的，可选的LWIR透镜可以被添加到热电堆和波导之间以减少热电堆被波导填充的视场的百分比。这可以减少并可能甚至消除对从热电堆观察的测量结果中移除波导的热辐射的需要。
在实施例中，沿着光波导的热梯度可以引起身体核心温度预测的不准确。热梯度由波导的尖端(其被耳道鼓膜加热)和波导的传感器端(其被周围环境加热)之间的温度差产生。假设当基于一个恒定的环境温度选择用于热电堆(来自耳膜的IR辐射引起的热电堆热接点温度)和热敏电阻(热电堆传感器的冷接点温度)的回归系数时周围温度是不改变的，有效地作为近似值。然而，当环境温度改变时，波导温度梯度改变，其影响从波导的热发射量(magnitude)。这意味着回归系数不再有效，且身体核心温度函数的准确度将受到影响。如通过波导观察的所计算的目标温度误差的标准偏差可能地可以从在25摄氏度处的约2摄氏度误差到将近4摄氏度的误差。该误差量足以使得在与在其处校准回归系数的环境温度不同任何多于仅几度的环境温度的情况下所预测的身体核心温度价值更小。
为了解决来自环境温度中的改变的该效应，可以直接地(或间接地)测量在耳道内部的光波导尖端处的温度(使用另一相隔的温度传感器或者接触传感器，诸如热电偶、热电堆、或电阻温度检测器(RTD))，并且可以在跨环境温度范围的回归系数中补偿波导的热梯度。通过跨目标、环境和波导尖端温度的已知范围收集热电堆热和冷接点温度和波导尖端温度来计算回归系数，并且然后针对所测量的温度中的每一个计算回归系数。通过应用该方法，可以将跨25C到40C的环境温度范围的温度预测误差的标准偏差从将近4摄氏度改进到小于1摄氏度。该方法计及环境温度中的差和波导尖端温度中的差。当该设备第一次被插入到耳朵中时，波导尖端温度是重要的，因为尖端温度将首先是处于室温(其与耳膜身体核心温度是不同的)，并且将缓慢地升温到耳道皮肤温度。
在不同实施例中，回归分析可以是线性回归分析或更高阶的回归分析。如本领域技术人员已知的，线性回归是回归分析的子集，其仅允许线性项。在这样的回归分析中，有真实数据点，诸如由可靠的仪器取得的身体温度测量结果。还有四个其它的温度测量结果。具体地，热电堆(或在光波导远离鼓膜的末端处的其它传感器)冷接点温度、热电堆热接点温度、热电偶(或在光波导接近鼓膜的末端处的其它传感器)冷接点温度、以及热电偶热接点温度。真实的身体温度被视为取决于所述其它四个测量结果的应变量。对于所有五个温度值(即，身体温度、热电堆热接点温度、热电堆冷接点温度、热电偶热接点温度、以及热电偶冷接点温度)收集数据，并且将所收集的数据作为匹配数据集输入到回归分析程序中，诸如Matlab回归分析。回归分析生成对于以下函数最好地与数据匹配的系数α、β、γ和δ：
身体温度＝α(TPHot)+β(TPCold)+γ(TCHot)+δ(TCCold) 方程No.1
其中TP表示热电堆，并且TC表示热电偶。回归分析还生成对于所收集的数据的误差的量。在许多不同的系统上执行该回归分析，其例证了相同的系数可以被用于每个系统、每个人、和每种条件。在示出相同的系数可以被用于每个系统之后，系数被加载到每个单元中，并且单元于是可以提供所有情况下的准确的身体温度测量。在替换实施例中，系统的用户在耳机被安置到他们的耳朵中时可以输入他们的真实身体温度，并且可以针对该特定用户完成回归校准。在另一替换实施例中，可以在每次使用之前将光波导指向具有已知温度的某物品，并且可以使用该已知温度来计算回归校准。
光波导可以由低发射率材料制成以使内部反射的光对从波导自身发射的光的比率最大化。波导可以具有高热传导性以使尖端(即，接近鼓膜)和传感器(即，远离鼓膜)之间呈现的热梯度最小化。可以选择波导的几何结构以适应广泛范围的耳道生理结构。如以上指出的，波导可以具有完全环绕热电堆传感器的帽或罩以约束其对要么由波导发射的要么从鼓膜射入到波导尖端的光的视场。波导可以由机械加工的或弯曲的铝或铜制成。铜容易被金覆盖，金是不会被氧化的低发射率材料。当波导是中空铜管时，铜管内部可以用金覆盖。金涂层一般还有助于抗氧化。波导还可以是光纤。可以通过热电偶、RTD或热敏电阻测量波导尖端温度。热电堆和波导尖端温度传感器可以都被路由到相同的模数转换器以将测量结果数字化，并且经数字化的测量结果可以然后被馈送到采用经校准的回归系数的方程(诸如方程No.1)中以确定目标(耳膜)温度。
图1是图解被安置到耳朵中并确定身体核心温度的系统和装置的实施例的框图。所述系统包括光波导110、光学透镜120、热电堆(或其它温度感测设备)130、和热电偶(或其它温度感测设备)140。波导110在实施例中可以是大约20mm长且大约2mm直径，并且包括波导孔115，其横穿波导的长度。所述装置、且特别是热电堆130和热电偶140，被耦合到处理器160。特别地，热电堆的热接点132和冷接点134、以及热电偶的热接点142和冷接点144被耦合到处理器160。所述装置被紧挨着IR源150、诸如鼓膜安置。如以上指出的，获取IR源的真实温度，并且使用热电堆130和热电偶140的热和冷接点132、134、142和144在温度梯度上校准该系统。在实施例中，所述装置还包括透镜120，其减少了被光波导占据的传感器的视场。波导的末端也可以包括如图2中图解的罩、容器、或保护性壳体170，连同波导的从热电堆直径到波导最终出口直径的直径方面的减少一起向热电堆传感器呈现平坦表面117(即，在直径中的阶跃变化)，进一步限制了由热电堆感测的来自周围环境的红外辐射。
图3和4是图解被安置到耳朵中并确定身体核心温度的系统和装置的特征和操作的框图。图3和4分别包括多个过程块310-344和410-477。虽然在图3和4的示例中大体上顺序地布置，但是其它示例可以对所述块重新排序、省略一个或多个块、和/或使用多处理器或被组织为两个或更多虚拟机或子处理器的单个处理器并行地执行两个或更多块。而且，仍其它示例可以将所述块实现为一个或多个特定的互连的硬件或集成电路模块，其具有在模块之间和通过模块通信的相关控制和数据信号。因此，任何过程流可应用于软件、固件、硬件和混合实现。
参考图3，在310处，用于测量身体核心温度的装置感测来自红外源的红外辐射。在实施例中，图1和/或2的装置可以用于感测红外辐射。特别地，装置的光导，其可以是中空管并且其可以包括内部反射表面，在光导的一端处感测来自红外源(诸如鼓膜)的红外辐射，所述红外辐射经由光导被传播到光导的另一端，并且位于光导的另一端处的传感器感测红外辐射。在320处，被耦合到位于光导的另一端处的传感器的处理器经由转换函数确定在光导的一端处的红外源的温度，所述转换函数使通过传感器观测到的红外辐射的测量与光导的辐射效应相互关联。
如330处指示的那样，转换函数包括使用在热电堆的冷接点处感测的温度的测量作为光导的红外辐射的测量。在332处，从传感器处的红外辐射的测量结果减去光导的红外辐射的测量。如本领域技术人员已知的，热电堆的冷温度是接触测量并从而测量温度。如本领域技术人员还已知的，热电堆的热接点可以明确地测量红外辐射。光导和温度传感器应具有良好的机械耦合，并且因此应该处于相同温度。在334处，经由在传感器、光导、和红外源处的多个温度和红外隔射测量结果根据实验确定转换函数。这里值得注意的是，不是测量中的所有都将是红外辐射的。如334处指示的那样，一些测量将是温度的。特别地，在实施例中，光导是直接接触温度测量，其允许通过传感器经由热电堆的热接点获得的对光导的红外辐射的补偿。在336处并且如以上解释的那样，转换函数包括通过回归分析确定的系数。在338处，回归分析是线性回归分析。
在实施例中，光导具有比传感器更窄的直径(340)。在342处，在传感器末端处的光导包括外壳(也被称为帽或罩)。帽或罩接收或包围传感器，并且如334处指示的那样，外壳和光导的末端形成实质上的直角，使得使通过传感器感测的来自光导内表面的红外辐射最小化。来自光导内表面的红外辐射的该最小化无疑导致通过传感器感测的绝大多数红外辐射源自红外源(例如，鼓膜)而不是光导内表面。
参考图4，在410处，一种用于测量身体核心温度的装置包括第一传感器，其感测来自红外源的红外辐射。所述装置包括具有第一和第二端的光导，并且其由内部反射管构成(在另一实施例中，光导是光纤)。光导被耦合到耳机。所述装置的第一传感器感测在光导的第二端处的红外辐射(经由通过光导的红外辐射的传输)。除了被安置在远离红外源的光导的第一端处的第一传感器之外，所述装置包括第二传感器，其被安置在接近红外源的光导的第二端处。所述装置还包括被耦合到第一传感器和第二传感器的计算机处理器。
在420处，第二传感器测量在接近于红外源的光导第二端处的光导温度。在430处，处理器经由跨一系列光导的周围温度的回归分析通过补偿由于光导的热梯度的红外辐射来确定在光导的第二端处的红外源的温度。
在实施例中，如440处指示的那样，第一传感器可以是热电堆并且第二传感器可以是热电偶。在442处，回归分析确定与热电堆的热和冷接点以及热电偶的热和冷接点相关联的系数。如444处指示的那样，回归分析可以是线性回归分析。在446处，跨一系列周围温度、已知的红外源温度、已知的光导温度、通过热电堆感测的温度和通过热电偶感测的温度确定所述系数。
图4还指示身体核心温度测量装置可以包括图3的装置的特征中的许多。例如，图4的装置也可以包括具有比第一传感器更窄的直径的光导。如以上讨论的，该特征使通过第一传感器(450)感测的来自光导内表面的红外辐射最小化。在另一实施例中，如455处图解的那样，在第一传感器和光导之间安置透镜以便减少被光导占据的第一传感器的视场。该特征如同在450处讨论的光导的更窄的直径一样，使所感测的来自光导内表面的红外辐射最小化。
如460处指示的那样，耳机装置是具有中空的声管的通信设备，并且充分地邻近并平行于该中空声管安置光导。当光导是中空的时，光导的内部可以具有长波红外(LWIR)反射性内部(465)，并且在另一实施例中，光导的内部具有金涂层(470)。
也如同图3的装置一样，图4的装置的光导可以包括用于容纳第一传感器的外壳(475)。如以上指出的，壳体和光导的第一端形成实质上的直角(477)。该直角使通过第一传感器感测的来自光导内表面的红外辐射的量最小化(如与例如渐缩或向外展开的光导的末端相比)。
应该理解的是，存在本发明的其它变化和修改和其各种方面的实现，如例如对于本领域技术人员来说可以是容易地显而易见的，并且本发明不受本文中描述的特定实施例限制。以上描述的特征和实施例可以在不同的组合中与彼此组合。因此预期覆盖落入本发明的范围内的任何和所有修改、变化、组合或等价。
遵照37C.F.R.§1.72(b)提供摘要，并且其将允许读者快速探知本技术公开的特性和主旨。在理解到该摘要将不被用于解释或限制权利要求的范围或意义的情况下来提交它。
在实施例的前述描述中，出于精简本公开的目的，各种特征被组在一起在单个实施例中。本公开的方法不应被解释为反映所要求的实施例具有比在每个权利要求中明确列举的更多的特征。相反，如以下权利要求反映的那样，本发明的主题在于少于单个公开的实施例的所有特征。因此以下权利要求藉此被并入到对实施例的描述中，其中每个权利要求独立作为分离的示例实施例。
Claims (9)
1.一种用于测量身体核心温度的装置，其包括：
光导（110），其包括内部反射管，所述光导被耦合到耳机，所述光导具有第一端和第二端；
被安置在所述光导的第一端处的第一传感器（130）；
被安置在所述光导的第二端处的第二传感器（140）；以及
被耦合到所述第一传感器和所述第二传感器的处理器（160）；
其中所述第一传感器可操作用于感测来自所述光导的第二端处的红外源的红外辐射（410）；
其中所述第二传感器可操作用于测量所述光导的第二端处的光导温度（420）；
其中所述处理器可操作用于经由跨一系列光导的周围温度的回归分析通过补偿由于光导的热梯度的红外辐射来确定在所述光导的第二端处的红外源的温度（430）；并且
其中所述耳机包括通信设备和中空声管，并且充分地邻近并平行于所述中空声管安置所述光导（460）。
2.根据权利要求1的装置，其中所述第一传感器包括热电堆并且所述第二传感器包括热电偶（440）；其中所述回归分析包括确定与所述热电堆的热接点、所述热电堆的冷接点、所述热电偶的热接点和所述热电偶的冷接点相关联的系数（442）；并且其中跨一系列周围温度、已知的红外源温度、已知的光导温度、通过所述热电堆感测的温度和通过所述热电偶感测的温度确定所述系数（446）。
3.根据权利要求1的装置，其中所述光导包括比所述第一传感器更窄的直径（450）。
4.根据权利要求1的装置，包括被安置在所述第一传感器和所述光导之间的透镜，以便减少被所述光导占据的所述第一传感器的视场（455）。
5.根据权利要求1的装置，其中所述光导包括长波红外（LWIR）反射内部（465）。
6.根据权利要求1的装置，其中所述光导包括中空管，并且所述光导的内部包括金涂层（470）。
7.根据权利要求1的装置，其中所述光导的第一端包括用于接收所述第一传感器的外壳（475）；其中所述外壳和所述光导的第一端形成实质上的直角，从而使通过所述第一传感器感测的来自所述光导的内表面的红外辐射最小化（477）。
8.一种用于测量身体核心温度的装置，其包括：
具有第一端和第二端的光导（110）；
被安置在所述光导的第一端处的第一传感器（130）；
被安置在所述光导的第二端处的第二传感器（140）；以及
被耦合到所述第一传感器和所述第二传感器的处理器（160）；
其中所述第一传感器可操作用于感测来自所述光导的第二端处的红外源的红外辐射（410）；
其中所述第二传感器可操作用于测量所述光导的第二端处的光导温度（420）；
其中所述处理器可操作用于经由跨一系列光导的周围温度的回归分析通过补偿由于光导的热梯度的红外辐射来确定在所述光导的第二端处的红外源的温度（430）；并且
其中所述光导被耦合到耳机，所述耳机包括通信设备和中空声管，并且充分地邻近并平行于所述中空声管安置所述光导（460）。
9.根据权利要求8的装置，其中
所述第一传感器包括热电堆并且所述第二传感器包括热电偶（440）；
所述回归分析包括确定与所述热电堆的热接点、所述热电堆的冷接点、所述热电偶的热接点和所述热电偶的冷接点相关联的系数（442）；并且
跨一系列周围温度、已知的红外源温度、已知的光导温度、通过所述热电堆感测的温度和通过所述热电偶感测的温度确定所述系数（446）。
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