可穿戴深体温度计的结构优化：从理论模拟到实验验证

摘要

尽管深部体温（DBT）在生理监测和时间生物学研究中很有用，但在日常生活中仍需持续测量。我们试图通过开发基于双热流法（DHFM）的经皮体温计来解决这一问题调用传热原理，通过精心设计减小了测量误差。首先，采用有限元法对DHFM的原始设计进行结构修改。根据模拟结果，使用模拟的实验系统实现原型并进行测试模拟阶段建议采用铝盖以提高测量精度，并建议根据规定要求选择不同高度的温度计。模拟实验结果支持模拟阶段提出的修改：标准类型（15 高度为mm）时，误差低于0.3°C，而薄型（9 在20至30°C的正常环境温度下，即使还应检查设计，也能达到精度，误差小于0.5°C在活的有机体内，据信该研究是开发实用的非侵入性深体温度计的重要一步。

1.介绍

深部体温（DBT）是人类的生命体征之一，通常指自然体腔的温度，例如腹部和胸部。严格来说，DBT只能通过侵入性方法测量，如将导管插入直肠[1］.

然而，非侵入性的方法更容易被接受，因此被更广泛地使用。它们可以提供近似的DBT，这是在皮肤下一定深度的温度，反映真实的DBT。一个很好的替代侵入式方法是零热通量方法[2]由Togawa的群体改善了[3.]，并在CoreTemp医疗设备(Terumo，东京，日本)中实施。与食管远端温度吻合良好[4]和肺的血液温度[5］.采用嵌入式加热器开发，该设备被认为是稳定的(对环境变化的健壮性)和敏感的[5］.另一方面，加热器消耗了相当大的功率，这使得这种设备仅适用于室内，主要是在治疗期间的医院。

然而，连续DBT测量在热应变监测等情况下是必要的[6]女性月经周期管理[7]以及治疗睡眠障碍[8用于生物节律的估计。这些需求可以通过可穿戴设备来满足。我们建议将显示和数据积累功能分配给智能手机/手表，并在服务器上进一步分析和建模数据。在信号提取的初始阶段，低功耗的无创温度计是必不可少的。

在医疗保健领域，更常见的是温度波动，而不是绝对温度读数。然而，设备读数的变化应该是由于生理状态的实际变化而引起的，而不是由于某些外部影响。从这个观点来看，耳内温度计不是一个好的选择，因为它的测量明显受到周围环境的影响。红外鼓室温度计能够反映内部变化，但对其定位敏感。

温度计的机制也应该是通用的;它应该适用于不同的人。更具体地说，即使在同一个人身上，皮肤的热导率也可能在时间和空间上有所不同。以个人生理状况的准确值为基础的温度计[9应该进一步推广。

上述问题可通过双热通量法(DHFM)妥善解决[10，其机制如图所示1．DHFM使用至少四个温度传感器来计算DBT，这是基于人体热量纵向流入温度计的理想情况。这种假设会给温度计算带来误差;然而，它只需要用户提供很少的信息。此外，理想化的情况可以通过量纲或热物理修正来近似[11］.

临床使用的准确性标准通常为0.1°C，这是非侵入性方法难以满足的[9，11］.因此，我们认为0.5°C作为本研究可接受的准确性的边际。然而，对于原始设计，这种精度达到了太大而无法磨损的设备的成本或难以实现的超薄设计[11］.在上述理解的基础上，这项研究旨在改善结构设计，实现这种级别的准确性，而不会影响其体积小。要达到此目标，我们首先设计并检查了基于有限元方法（FEM）的结构修改。然后，制造了验证的新结构，并通过模拟实验检查了它们的能力。

2.材料和方法

2．1.关于DHFM

基于DHFM的温度计至少需要四个嵌入式温度传感器。他们是在图1．由于温度梯度，热流产生，流过皮肤层进入温度计，如红色箭头所示。一般为皮下及皮下层DBT。假设从身体深处流入温度计的热流保持不变，傅里叶定律就适用了 和皮肤温度是由温度计内的两个皮肤温度传感器测量的。和是由另外两个传感器测量的温度。是皮肤的耐热性，具有和是温度计内部两条热路径的热阻。根据(1),则可表示为[10］ 因此，，它可以表示为在温度计制造中使用的两个同心圆柱体的高度之比。

一般来说，DBT受下丘脑的严格调节，并随生物节律缓慢变化。这些特性使DHFM测量适用。对于这种以隔热材料为基底材料的被动方法，初始响应需要时间。

2．2．基于有限元法的仿真

生物热传递涉及血液灌注和代谢过程。它可以用潘尼斯方程很好地描述[12]： 的参数，，,是当地温度、密度(kg/m^3.)、局部组织比热(J/kg·°C)和热导率(W/m·°C)。，，,是血液温度、血液灌注率(m^3./ m^3.·s)、血密度(kg/m)^3.)和血液的比热（J/kg·°C）。

右边的第二个和第三项表示血液灌注和代谢的加热效果。但是，这两种术语未考虑在该模型中，因为这种均匀分布式的热源会有所改变测量的实际值，但不会使模拟与模拟的定性关系无效。此外，因为DBT应该以Quasistatic的方式变化，所以不考虑时间变化。

因为我们假设温度计和皮肤被合适的衣服覆盖，所以忽略了热对流。然而，辐射是不可避免的;因此，温度计及其周围皮肤的边界条件可以用斯特凡-玻尔兹曼定律来描述[13]： 在哪里为环境温度，边界处的局部温度值，斯特凡-玻尔兹曼常数边界的发射率。

在模拟阶段，我们试图通过结构修改来提高温度计的精度，同时保留温度计的耐磨性。因此，考虑到绝缘子组件的高发射率，引入外围铝环(PAR)组件。在这个模拟中有两种温度计，有PAR和没有PAR，如图所示2(一个)和2 (b)．

如图所示2，我们考虑了四种高度组合，即（29.0,17.0），（15.0,9.0），（8.0,5.0）和（4.5,3.0）(，）。同样，我们认为六个半径组合，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），适用于（，)（我们还根据它们的特性对这些配置进行了标记和值)。事实上，由于半径大于50.0 mm不适合穿戴式应用，我们引入66.0 mm和55.0 mm尺寸只是为了全面了解半径和精度之间的关系。总共有24个维度组合，我们的模型都模拟了它们。在图2 (b)， PAR由铝制成，以银为代表mm，这种尺寸不会引起体积和重量的明显变化。模拟的环境温度为°C和°C。皮肤及皮下厚度为10.0 mm。

在该模型中，橡胶作为绝缘体，铝作为金属。必要的物理参数如表所示1．基于COMSOL Multiphysics 4.3a (COMSOL Inc.， Stockholm, Sweden)软件，利用MATLAB中的LiveLink软件对模型进行建模、仿真和分析。未构造网格由COMSOL生成，以适应当前的物理和几何特征。不同模型的元素数量不同(例如，标准类型模型的元素数量为57544);然而，最小元素质量(）保持大于0.1。对于三维模型，网格质量不应影响解决方案的质量，如果．

在实际应用中，参数值甚至规定的材料都可能不同。一般来说，绝缘体的电导率越低，精度越高，但初始响应时间越长。这里的模拟是对新设计的检验。

2.3。制造原型

根据模拟结果，我们制作了两个不同高度的原型，毫米(薄型)和 mm (standard type), as shown in Figure3.．两个原型半径相同，毫米。该原型由两部分组成:应用于皮肤测量的探头和处理电路。在模拟阶段的设计中，探头由氯丁橡胶制成的热电阻和铝2017合金制成的金属部件组成。微型数字温度传感器LM73(11-14位;4个嵌入式传感器分别为德克萨斯仪器(Texas Instruments, Dallas, TX)，并与I通信²C。

温度计的探头通过USB线连接到主处理板(Mini - to - Standard插头)。主控板主要由控制单元(ATmega164A、Atmel RISC单片机;Atmel, San Jose, CA)，一个8mb串行闪存存储的数据，和一个电池单元，为整个本地系统提供三天的能源。本地存储的数据可以通过在PC上运行的专用程序作为CSV文件进行检索。

２.４.模拟实验

仿真阶段提出的结构在应用于实际测量之前，应通过模型试验进行验证。标准实验系统[10，14用来检验温度计的性能。系统的说明如图所示4．温度计被放置在一块天然橡胶板(厚度为2.0、4.0、6.0、8.0和10.0毫米)上，这块橡胶板被放置在一个铜缸内。大桶漂浮在温控的水中。考虑到铜具有良好的导热性，将胶板与铜缸的边界视为等温边界。在探头和橡胶片之间的边界上涂上硅脂，以减少热阻。恒温水浴内的水的温度(FR-004，±0.1°C;TGK，东京，日本)被用来模仿根据这两种材料的物理相似性，天然橡胶片被用来模拟人类皮肤。

原型在三种情况下进行了测试：没有PAR（n），具有pAR（a），没有pAR，而是用海绵盖板。通过此阶段，我们希望了解新组件（即，PAR）是否会影响模拟预测的测量值。采用条件S来确认海绵测量精度的影响;据据说是在实际测量中是阻碍的，​​但据说是必不可少的[10］.

正常的范围介于36.0°C和38.0°C之间，而正常室内是20.0-30.0°C，可能影响测量值。因此，我们进一步测试了以下三种组合中的原型：组合1:摄氏度，°C。结合2:摄氏度，°C。组合三:摄氏度，°C。对于每个组合，进行3次实验，对于每个温度条件(N, A, S)给予30分钟，以建立探针内部的热平衡。这两个探针(薄型和标准型)被轮流测试，以去除之前试验中储存的热量。

3.结果

３．１．仿真的结果

在此阶段，则环境温度和印度生物技术部没有变化，这两个参数的具体组合就足以揭示物理结构与精度之间的关系[11］.

对于有PAR和没有PAR的温度计，我们考虑并建模了由4种不同高度和6种不同半径组合定义的所有24种温度计。图中总结了每个温度计的测量结果5(一个)(没有PAR)和图5（b）(PAR)。在一条插值曲线上的标记用相同高度的温度计表示测量值。

从结果中，我们可以看到尺寸的影响是不同的。对于没有PAR的温度计，通常，精度与半径成比例，但与高度成反比。当半径小于40毫米时，尺寸的变化会大大影响测量精度。此外，半径比高度更有效。半径的双重增加有利于比半尺寸的高度降低更大的准确性。

对于具有PAR的温度计，精度与高度和半径成比例。它们更容易获得大于20毫米的半径更大的准确性。此外，在这些温度计中，高度是最终的，因为通过改变相同高度的温度计的半径大于30mm的半径可以看出可以看到不同的改进。

3.2.模型试验的结果

仿真结果表明，无论是标准型还是薄型，均能达到无PAR设计难以达到的可接受误差范围(<0.5°C)。

本阶段对实验条件组合(组合1、组合2、组合3)均进行了测试，组合2与模拟阶段相同。对于这两种温度计，所有三种情况(A、N和S)分别进行了三次测试。

这些测试的结果如图所示6结果表明，在A和N条件下，定量关系符合模拟结果，即，PAR的温度计比N型的温度计具有更高的精度。在条件A中，较厚的设计以较大的体积为代价提供了良好的精度。在这种情况下，两种原型的测量结果都显示出了最好的精度。

在N条件下，标准型和瘦型的误差范围分别约为0.5和0.3°C。而在a条件下，两种类型的跨度都在0.2°C左右。这表明PAR对环境环境的影响有抵抗作用。

4。讨论

4．1.实际使用

正如我们已经介绍的，该方法适用于测量在缓慢方式变化的DBT。对于麻醉或中暑等极端情况，时间会延迟。在一个模拟中，其结果在这里没有显示，标准类型用于监测DBT的突变速度为0.2°C/分钟，持续10分钟。温度表4分钟左右可指示变化，20分钟后稳定。在这种情况下，读数在10分钟左右就会稳定的瘦型可能适合跟踪变化。

如果温度计施加到上躯干，例如胸部，则温度计可以不时接触衣服。物理薄层和低导电率几乎不会改变温度计的电阻。但是，相对高的发射率（0.75-0.90）[13可能是有影响力的。假设温度计与0.5 mm厚的棉衣接触1小时，进行了瞬态模拟研究。结果表明，在大约半小时后，传感器的测量值变化(下降)0.1°C，然后测量值逐渐趋于稳定。在实践中，温度计和衣服之间的接触通常是不稳定的。考虑到尺寸变化缓慢而微妙，我们认为在一般情况下，衣服的影响是很小的。

4．2．仿真

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。有了PAR，环境环境的影响可能会显著减轻，因为这种温度计被设计成穿着合适的衣服穿在躯干上，这将保护温度计不受气流协同运动的影响。这也是模拟边界条件中忽略对流的原因。

在模拟阶段，只有一对和，并将定量结论推广到其他条件。这种扩展是合理的，因为这两个因素影响个别温度计的读数;然而，这种定性关系仍然有效。

通过比较使用PAR和不使用PAR的结果，可以看到不同的尺寸效应(高度和半径)模式。此外，同样尺寸的温度计的精度也得到了提高。

在以前对基于dhf的温度计的研究中[11]半径是决定性的，因为更大的半径意味着覆盖皮肤的更大区域；因此，边界上的热量可以被周围皮肤的热大大补偿。换句话说，情况将近似于DHFM的理论假设。然而，随着PAR，半径的影响变小，WH。ich意味着由于放射性散热减少，皮肤需要的热量减少。

在模拟阶段，测试了多种尺寸（高度和半径），但只有22.0 毫米半径和15.0和9.0 在制造阶段，采用了mm高度；这一限制是为了只保留紧凑的可穿戴尺寸。半径增加到30以上 mm的性能稍有改善，但会给安装带来困难和阻碍感。

4．3．模拟实验

这里只研究了环境温度和DBT的3种组合。对于环境温度，较低的值由于辐射导致精度较低，而相对较高的DBT则有助于得到更准确的结果[11］.因此，组合1和组合3可用于在中等环境下确认错误的跨度。

在实验阶段，采用条件S来验证海绵对测量精度的影响。它对测量精度的积极影响可能是由于隔热效应屏蔽了温度计和周围皮肤表面与周围环境。但在实际测量中存在一定的阻碍，可能不适合穿戴使用。

如前所述，在模型试验阶段，对不同厚度的橡胶板进行了测试。正如我们所预料的，板材越厚，测量误差越大。在厚度增加到8.0 mm之前，两个原型能够准确测量DBT(水温)。当薄板厚度增加到10.0 mm时，两种温度计的误差都大于0.5°C。其主要原因可能是传感器读数的突然下降．这可能表明，由于橡胶板的导热系数较低，实验系统无法向橡胶板表面传递足够的热量[12]与皮肤相比，从这个角度来看，基于DHFM的温度计仍然可以监测10℃左右的温度 皮肤下mm。此外，测量额头或胃窝等部位，皮肤层薄，下面有骨骼[15]时，可扩大测量深度。模拟或实验这些位置的深度测量将是有趣的。

对于这种依赖于人体热源的温度计来说，对环境变化影响的抵抗力是至关重要的。从这些实验的结果来看，误差范围随用这个PAR大大缩短了。

这种方法的理论表明这里可以用两条热路的长度来表示。实际上，可以通过实验进行优化。

在本研究的测量中，我们也试图调整,用从今以后。对于这两个原型来说是不同的标准型为1.3，薄型为1.1。对于所有的测量，精度都有不同程度的提高。S条件下的标准型达到了±0.1°C的精度水平。在未来在活的有机体内通过实验验证了温度计的准确性，调整精度似乎有助于获得最好的准确性。

5.结论

这是一种基于DHFM的新型无创DBT温度计性能的初步研究。基于有限元的仿真研究将这一理论推向了实践阶段，提出了一种新的组件，PAR，以提高精度和稳定性。

然后通过模拟实验实施和验证设计。对于两种设计，测量误差被减轻到小于0.5°C的水平。随着仿真预测的，标准型为15毫米的高度具有更好的精度，而不是薄型。即便如此在活的有机体内我们认为，这种温度计可以作为一种热产生的非侵入式DBT温度计的替代品，并适合于可穿戴的方式。

利益冲突

作者声明，本论文的发表不存在利益冲突。

致谢

本研究由日本文部科学省Keihanna科学城保健项目和日本立寺科学技术基金会资助。作者希望感谢吉田正木教授在整个实验阶段的支持。

参考文献

1. p . Kyriacou生物医学传感器，势头出版社，伦敦，英国，2010。
2. R. H. Fox和A. J. Solman，“一种从完整的皮肤表面监测人体深层体温的新技术，”生理学杂志第212卷第2期2，第8-10页，1971年。视图:谷歌学者
3. T. Tamura, T. Nemoto, T. Togawa，“用于监测灌注血液温度的零热流传感器”，生物医学工程学报，第11卷，第644-646页，1979年。视图:谷歌学者
4. L. P. J. Teunissen, J. Klewer, A. De Haan, J. J. De Koning，和H. A. M. Daanen，“零热流的无创连续核心温度测量”，生理测量，第32卷，第2期5, pp. 559 - 570,2011。视图:出版商的网站|谷歌学者
5. M. Yamakage和A. namiki，“使用零热流法监测”深温监测“杂志的麻醉，第17卷，第2期，第108-115页，2003年。视图:出版商的网站|谷歌学者
6. D. S. Moran，A. Shitzer和K. B. Pandolf“一种评估热应力的生理应变指数”，美国生理学杂志-调节综合和比较生理学号，第275卷。第1页，r129 - r134,1998。视图:谷歌学者
7. M. D. Coyne, C. M. Kesick, T. J. Doherty, M. A. Kolka, and L. A. Stephenson，“核心温度在月经周期中的昼夜节律变化:无创监测方法”，美国生理调节综合和比较生理学杂志第279卷第2期4，页。R1316-R1320, 2000。视图:谷歌学者
8. B. Bjorvatn和S. Pallesen，《昼夜节律睡眠障碍的实用方法》，睡眠医学评论，第13卷，第2期1，第47-60页，2009。视图:出版商的网站|谷歌学者
9. H.-C。冈加，M. Sandsund, R. E. Reinertsen, F. Sattler, J. Koch，“一种持续测定人体热应变的非侵入性设备，”热生物学杂志第33卷第3期5，页297-307,2008。视图:出版商的网站|谷歌学者
10. K-I.Kitamura，X.Zhu，W.Chen和T.Nemoto，“无加热器无创测量深部体温的新方法的开发，”医学工程与物理学，第32卷，第2期1, pp. 1 - 6, 2010。视图:出版商的网站|谷歌学者
11. M. Huang, T. Tamura, W. Chen, S. Kanaya，“基于双热通量方法的深部体温计测量精度的结构和热物理效应评估”，热生物学杂志， vol. 47, pp. 26-31, 2015。视图:出版商的网站|谷歌学者
12. H. H. Pennes，“静止状态下人类前臂组织和动脉血液温度的分析”，应用生理学杂志， vol. 1, no. 12，第93-122页，1948。视图:谷歌学者
13. F.P.Cenropera，D.P.Dewitt，T.L.Bergman和A. S. Lavine，热质传递基础， John Wiley & Sons出版社，2006年第6版。
14. T. Nemoto和T. Togawa， "改进的深部体温计探测器"医学、生物工程和计算机第26卷第2期4，页456-459,1988。视图:出版商的网站|谷歌学者
15. R. Y. Ha, K. Nojima, W. P. Adams Jr, S. A. Brown，《面部皮肤厚度分析:定义相对厚度指数》，整形及重建外科第115卷第1期6，页1769-1773,2005。视图:出版商的网站|谷歌学者

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