至少有四个镶嵌温度传感器基于DHFM温度计是必要的。他们是 T 1 - - - - - - T 4 在图 1。出现的温度梯度,热流通过皮肤层和流到温度计如红色箭头所示。 T d 一般印度生物技术部在皮肤和皮下层。假设热流从身体深处温度计不变,应用傅立叶定律,给予 (1) T d - - - - - - T 1 R 年代 = T 1 - - - - - - T 3 R 1 , T d - - - - - - T 2 R 年代 = T 2 - - - - - - T 4 R 2 。 T 1 和 T 2 由两个皮肤是皮肤温度测量温度传感器内部的温度计。 T 3 和 T 4 由其他两个传感器的温度测量。 R 年代 是皮肤的耐热性,与 R 1 和 R 2 的热电阻温度计里的两个热路径。根据( 1), T d 然后可以表示为( 10] (2) T d = T 1 + T 1 - - - - - - T 2 T 1 - - - - - - T 3 k T 2 - - - - - - T 4 - - - - - - T 1 - - - - - - T 2 。 因此, k = R 1 / R 2 的比例,它可以表示成两个同轴圆柱体的高度使用的温度计制造。

一般来说,印度生物技术部是严格受下丘脑和生物节律变化缓慢地按。这些特征使测量与DHFM适用。对于这样一个被动的方法以隔热材料为基材,最初的反应需要时间。

Bioheat转移涉及血液灌注和代谢过程。它可以被人们方程( 12]: (3) ρ c p ∂ T X , t ∂ t = ∇ · k X ∇ T X , t + ω b ρ b c b T b - - - - - - T X , t + 问 米 X , t X ∈ Ω T 。 的参数 T , ρ , c p , k 当地的温度、密度(公斤/米³),比热(J /公斤·°C),和热导率(W / m·°C)的局部组织,分别。 T b , ω b , ρ b , c b 血液的温度,血液灌注率(m³/ m³·s),血液密度(公斤/米³)和血液的比热(J /公斤·°C),分别。

右边的第二和第三项表示血液灌注和新陈代谢的加热效果。然而,这两项都不被认为是在这个模型中,因为这种均匀分布热源将有所改变测量的实际价值,但不会失效的定性关系模拟。另外,由于印度生物技术部应在准静态的方式不同,没有考虑时间变化。

因为我们假定温度计和皮肤都有合适的衣服,热对流是被忽视的。然而,辐射是不可避免的;因此,温度计的边界条件及其周围皮肤斯蒂芬玻尔兹曼定律所描述的可能是( 13]: (4) - - - - - - n → · - - - - - - k X ∇ T X , t = ε σ T amb 4 - - - - - - T 伯恩 4 X , t , X ∈ Γ , 在哪里 T amb 环境温度, T 伯恩 当地的温度边界值, σ 斯蒂芬玻尔兹曼常数, ε 边界的发射率。

在模拟阶段,我们为了提高温度计的精度,结构修改,同时保留温度计的耐磨性。因此,一个额外的组件,外围铝环(PAR),介绍了针对高发射率的绝缘子组件。有两种温度计在这个仿真,和没有一样,如图 2(一个)和 2 (b)。

如图 2的,我们考虑四个组合高度,即(29.0,17.0),(15.0,9.0),(8.0,5.0),(4.5,3.0),( h 1 , h 2 )。同样,我们认为6组合的半径,即(66.0,33.0),(55.0,27.5),(44.0,22.0),(33.0,16.5),(22.0,11.0),(11.0,5.5),( φ 1 , φ 2 ),分别。(我们也贴上这些配置的 h 1 和 φ 1 值)。事实上,由于半径大于50.0毫米不适合嵌入式应用程序中,我们介绍了66.0毫米和55.0毫米大小的全貌半径和准确性之间的关系。总共有24维组合,所有这些都被我们的模型模拟。在图 2 (b),在银色铝制的代表是不相上下 t = 1.0 毫米大小,不会带来明显的体积和重量的变化。模拟的环境温度 T 一个 米 b = 25.0 °C和 T d = 37.0 °C。皮肤和皮下层的厚度为10.0毫米。

在这个模型中,采用橡胶绝缘子和用作金属铝。必要的物理参数列在下表中 1。构建的模型,模拟和分析了MATLAB与LiveLink基于COMSOL 4.3多重物理量(COMSOL Inc .,斯德哥尔摩,瑞典)。结构网格生成了COMSOL适应当前的物理和几何图形。元素的数量是不同的模型(例如,57544为标准类型模型);然而,最小的元素质量( 问 )一直大于0.1。 问 有相当大的影响解决方案的准确性,以及对3 d模型,网格质量不应该影响解决方案的质量如果 问 > 0.1 。

在实际实现中,参数的值,甚至指定的材料可能不同。绝缘子的导电率越低,精度越高成本的最初反应一般较长。这里的仿真作为考试的新设计。

根据模拟的结果,我们制作两个不同高度的原型, h 1 = 9.0 毫米(薄类型) h 1 = 15.0 毫米(标准型),如图 3。原型都是相同的半径, φ 1 = 22.0 毫米。原型包括两部分:探测器适用于皮肤测量和处理电路。设计的仿真阶段,探测器由一个热电阻由氯丁二烯橡胶和金属部件铝2017合金制成的。微型数字温度传感器LM73(11 - 14位;德州仪器、达拉斯、TX)被用作四镶嵌传感器和与中央委员会和我沟通²C。

温度计的探头连接到主处理板通过USB电缆(迷你标准插头)。主处理板主要由控制单元(ATmega164A Atmel RISC微控制器;Atmel,圣何塞,CA), 8 Mb的内存单元串行闪存存储超昼夜的数据,和一个电池单元的能源供应三天整个本地系统。数据存储在本地可以检索与专门的程序在电脑上运行一个CSV文件。

提出的结构模拟阶段应该由模拟实验验证之前被应用在实际测量。一个标准的实验系统( 10, 14)是用于检查温度计的能力。说明系统的图所示 4。温度计是放置在一个天然橡胶表(表2.0,4.0,6.0,8.0,和10.0毫米厚),这是在一个铜缸。增值税在温度控制的水。针对铜的优异的导热,胶板和铜增值税之间的边界被认为是等温过程。硅润滑脂应用探针之间的边界和胶板以减少热阻。水的温度在一个恒温水浴(fr - 004±0.1°C;TGK、东京、日本)被用来模拟 T d ,而天然橡胶表被用来模拟人体皮肤,基于这两种材料的物理相似之处。

原型测试的三个条件:没有(N),与(A),和没有票面但海绵覆盖(S)。通过这一阶段,我们希望找出是否新组件(即。PAR)会影响测量的模拟预测。采用条件年代确认海绵的影响测量精度;虽然阻塞性在实际测量中,据说这是必不可少的( 10]。

正常的范围 T d 介于36.0°C和38.0°C,而正常的室内 T 一个 米 b 20.0 - -30.0°C,这可能会影响测量结果。因此,我们进一步测试原型在以下三种组合:

组合1: T 一个 米 b = 20.0 °C, T d = 36.0 °C。

在此阶段,而环境温度 T 一个 米 b 和印度生物技术部 T d 没有变化,这两个参数的具体组合足以揭示物理结构和准确性之间的关系( 11]。

温度计有和没有一样,所有24温度计4不同高度和6的组合定义的不同的半径被认为和建模。总结了从每个温度计测量图 5(一个)(不一样)和图 5 (b)(PAR)。标记在一个插值曲线表明用温度计测量值相同的高度。

从结果中,我们可以看到,维度的影响是不同的。温度计不一样,一般来说,精度与半径成正比,但高度成反比。改变尺寸时影响测量精度大大半径小于40毫米。此外,半径比身高更有效。增加了二倍半径有利于精度更明显比半尺寸降低高度。

温度计的PAR,准确性与高度和半径成正比。它是容易获得更大的半径大于20毫米的精度。此外,这些温度计的高度是明确的,没有明显的改善可以通过改变温度计的半径相同的高度,与半径大于30毫米。

根据仿真结果,标准和薄的类型,我们可以获得可接受的误差范围(< 0.5°C),很难达到设计不一样。

在这个阶段,实验条件的组合(组合,组合2和3)组合都是测试和2是一样的在模拟相结合。两个温度计,所有三个条件(A、N和S)测试三次。

这些测试的结果在图所示 6,结果得出的结论基于温度计的类型。在这两种和N条件下,定量关系符合仿真的结果。,温度计与票面价值获得比条件下N同行更好的精度。在条件,较厚的设计给了良好的准确性为代价更大的体积。在条件年代,测量显示最好的精度为原型。

在条件N,错误的跨度约为0.5和0.3°C标准和薄类型,分别。相比之下,跨度约0.2°C对于这两种类型在条件a。这表明PAR生效在抵制的影响周围的环境。

介绍,该方法适用于测量印度生物技术部变化缓慢的方式。麻醉或中暑等极端情况,时间延迟发生。在这里没有显示的模拟结果,标准类型被用来监视印度生物技术部的陡变0.2°C /分钟的速度持续10分钟。温度计可以表明大约4分钟的变化,成为稳定在20分钟后改变。等情况下,薄类型的阅读将成为稳定在大约10分钟,可能适合跟踪变化。

如果应用到上半身温度计,例如,胸腔,温度计可能接触到衣服的时候。衣服的身体薄层和低导电率很难改变的电阻温度计。然而,相对较高的发射率(0.75 - -0.90) 13)可能是有影响力的。假设温度计接触衣服全棉的0.5毫米厚度的一个小时,瞬态仿真进行了研究。传感器的测量结果表明,改变(减少)大约半个小时后0.1°C,然后测量逐渐变得稳定。在实践中,接触温度计和衣服往往是反复无常的。考虑到测量的缓慢而微妙的变化,我们认为衣服的影响是次要的常见的情况。

不相上下的采用是基于金属的物理特性,通常有一个发射率远低于热绝缘体(如橡胶),与此同时,辐射能量交换的主要原因是横向热流扭曲DHFM的理论假设的实际情况。PAR,周围环境的影响可能会明显减轻,因为这温度计的设计与合适的衣服,戴在躯干将盾牌温度计从气流的影响共同运动。这也是对流的原因被忽视的边界条件模拟。

在模拟阶段,只有一双 T 一个 米 b 和 T d 使用,定量结论扩展到其他条件。这个扩展是合理的,因为这两个因素影响个人温度计的读数;然而,定性关系仍然有效。

通过比较结果有和没有一样,截然不同的空间模式的影响(高度和半径)可以看到。进一步提高精度达到相同大小的温度计。

在前面研究DHFM-based温度计( 11),半径是决定性的,因为更大的半径意味着一个覆盖皮肤的面积较大;因此,热耗散边界可以大大弥补周围皮肤的热量。换句话说,形势会近似DHFM的理论假设。然而,随着PAR,变成了小半径的影响,这意味着更少的热量是要求从皮肤,造成更少的辐射散热。

在模拟阶段,多个大小(高度和半径)进行了测试,但只有22.0毫米半径和15.0和9.0毫米的高度采用制造阶段;这种限制被强加仅保留紧凑的可穿戴的大小。半径的增加超过30毫米给小改进,但将带来困难,安装和阻塞性的感觉。

只有3个组合的环境温度和印度生物技术部进行调查。环境温度,较低的值由于辐射而导致较低的精度,而印度生物技术部较高将有助于一个更准确的结果 11]。因此,结合1和3可以用来证实张成的空间组合错误温和的环境下。

在实验阶段,采用条件年代确认海绵在测量精度的影响。其积极影响测量精度可能是因为隔热屏蔽效果的温度计和周围皮肤表面周围的环境。然而,它实际上是阻塞性在实际测量,可能不适合可穿戴使用。

如前所述,在模拟实验阶段,不同粗细的橡胶板进行测试。正如我们所料,厚板,测量误差越大。这两个原型能够准确测出印度生物技术部(水温)直到厚度增加到8.0毫米。错误变得比0.5°C的温度计表时增加到10.0毫米厚度。主要原因可能在于阅读的突然减少传感器 T 1 。这可能表明,实验系统无法提供足够的热量来胶板的表面,因为较低的导热胶板( 12]相对于皮肤。从这个角度来看,这仍然是DHFM-based温度计可以监控温度约10毫米皮肤下。进一步,衡量网站如前额或心窝下立即用薄的皮肤层和骨骼( 15),测量深度可能会延长。仿真或实验测量深度对这些职位将会很有趣。

这种温度计,这取决于人体的热源,抵抗环境变化的影响是至关重要的。从这些实验的结果的误差范围的变化 T 一个 米 b 大大缩短了与这个标准。

该方法的理论建议 k 这里可以用热路径的长度。在实践中, k 可以优化实验。

与测量在这项研究中,我们也试图调整 k ,用 k 一个 从今以后。 k 一个 两个原型是不同的 k 一个 标准类型设置为1.3和1.1的薄类型。所有的测量,精度在不同程度改善。更重要的是,标准的输入条件年代达到精度水平在±0.1°C。在未来 在活的有机体内实验验证温度计的精度、调整 k 似乎有利于实现最好的精度。