CN116327135B - 一种考虑接触热阻的异形热通量深部温度测量探头及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑接触热阻的异形热通量深部温度测量探头及方法。本发明在接触热阻的基础上，针对异形热通道结构对深部温度测量方法进行了改进，在异形通道形状突变处、隔热材料交界面和每段侧壁可分别加入额外数量的热通量传感器，与底部、顶端的温度传感器、热通量传感器共同预测深部温度。从人体深部温度待测区域产生的热通量流经由皮肤表面传递至异形热流通道内，可以使用通道中的热通量传感器对热流传递过程进行修正，将传热单元推广为任意异形形状，进一步考虑柔性、刚性材料接触热阻对热流传递的影响，使得测量方法更接近真实情况，从原理上提高深部温度测量方法的精度。

Description

一种考虑接触热阻的异形热通量深部温度测量探头及方法

技术领域

本发明涉及一种考虑接触热阻的异形热通量深部温度测量方法，属于生理信号检测和医学仪器及设备领域。

背景技术

深部温度是人们人体健康与否的重要标志，恒定的深部温度是新陈代谢和生命活动正常进行的必要条件。深部温度是胸部、主要内部器官及离开心脏血液(肺动脉)的温度，因此对汗液、着衣、心理状态等变化产生的影响不敏感，所以在众多生理信号中，深部温度被广泛用于评估健康状态的重要指标。

现有生成面向家庭可穿戴的连续深部温度测量设备非常不准确；在市面上广泛使用的无创或微创测量方法是均是利用腋温、耳温、额温去近似深部温度，误差较大且受环境温度、测量部位影响大；

声称在皮肤上连续测量深部温度的现有的家庭监测可穿戴设备非常不准确：市场上广泛出售的用来测量深部温度的；3M与Terumo均推出过基于零热通量原理测量深部温度的传感器，但需要电线等提供维持加热的能量并精确控制反馈回路，这种方式很难在可穿戴设备中实现，大部分应用场景为医院内临床或术中监测。

目前关于可穿戴深部温度测量方法的研究大部分使用的是基于皮肤温度的热流技术，利用建模方法对皮肤测量位置的温度、热流进行反演，通过对由组织深部到皮肤表面再通过单个传热单元传播到环境中的传热过程进行逆向计算，得到最终的深部温度。典型深部温度测量的热流技术包括单通道热流技术、双通道热流技术等。

热流通道的稳定与建立对深部温度的计算至关重要，目前大部分测量设备都设计为简单的圆柱式热通量通道，需要较大的传感器体积来维持热流通道的温度与稳定。但在可穿戴结构中的空间有可能会受到器件大小、内部元件热源的影响，某些条件下只能使用异形热通量通道进行深部温度测量，同时隔热结构并不能完全隔绝外部温度场的影响，会对深部温度的测量造成负面效果。同时可穿戴设备与人体界面存在柔性或刚性的界面接触，因此如何在考虑接触的基础上，针对异形热通道结构对深部温度测量方法进行改进是本发明需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中异形热通道结构对深部温度测量带来的影响，并提供一种考虑接触热阻的异形热通量深部温度测量方法。

本发明具体采用的技术方案如下：

第一方面，本发明提供了一种考虑接触热阻的异形热通量深部温度测量探头，其包括传热单元、隔热单元、温度传感器和热通量传感器；

所述传热单元为单一材质的异形结构；

所述隔热单元完全包裹传热单元的顶部端面和侧面，传热单元的底面露出隔热单元且与隔热单元底面平齐；所述隔热单元由单一材料层组成或由两种以上材料层组合而成；

所述温度传感器有两个，在传热单元的顶部端面和底部端面处各布置一个温度传感器；

所述热通量传感器包括第一热通量传感器、第二热通量传感器、第三热通量传感器三类；其中

在传热单元的顶部端面和底部端面处各布置一个第一热通量传感器，用于检测经过端面的热通量；

在传热单元的侧面与每一种隔热单元材料的交界面处各布置一个第二热通量传感器，用于检测经过交界面的热通量；

而第三热通量传感器布置于传热单元内部，至少有一个，且传热单元内每个因单元形状改变导致的热流方向突变位置以及因外部包裹的隔热材料突变导致的热流大小突变位置均布置一个第三热通量传感器。

作为上述第一方面的优选，所述传热单元的异形结构由多个规则结构单体拼接而成，且所有规则结构单体的形状为柱体、台体、圆环和球体中的一种或多种。

作为上述第一方面的优选，布置于传热单元内部的所述第三热通量传感器的布置位置与传热单元和隔热单元的形式相关，具体为：

若所述隔热单元由单一材料层组成且所述传热单元内部不存在因单元形状改变导致的热流方向突变位置，则在传热单元内部布置一个第三热通量传感器，用于检测传热单元内热流的热通量；

若所述隔热单元中存在因单元形状改变导致的热流方向突变位置，则在传热单元内部每个热流方向突变位置布置一个第三热通量传感器，用于检测传热单元内热流经过突变位置时的热通量；

若所述隔热单元由两种以上材料层组合而成，则任意相邻两种不同材料层的交界面所在平面与传热单元构成一个存在热流大小突变的相交面，在每个所述相交面中布置一个第三热通量传感器，用于检测经过所述相交面的热通量。

作为上述第一方面的优选，所述传热单元内部的第三热通量传感器的传感器平面中心均沿传热单元内部热流通道的轴线布置，且布置于热流方向突变位置的第三热通量传感器平面迎向热流方向，布置于热流大小突变位置的第三热通量传感器平面与所述相交面重合。

作为上述第一方面的优选，所述隔热单元所使用的隔热材料为玻璃纤维、石棉、岩棉、凝胶毡、真空腔中的一种或多种，且隔热材料的导热系数小于传热单元所使用的传热材料的导热系数。

作为上述第一方面的优选，所述隔热单元与皮肤接触的底部端面上设有粘贴元件，用于将探头粘贴于皮肤上。

作为上述第一方面的优选，所述隔热单元的底部端面采用柔性材料或者刚性材料，优选采用柔性材料；所述柔性材料优选采用石墨烯；所述刚性材料优选采用康宁玻璃。

作为上述第一方面的优选，所述隔热单元的侧面和顶部端面覆盖有热辐射屏蔽层。

作为上述第一方面的优选，所述屏蔽层为均匀的金属材料层，优选使用铝合金、洋白铜；所述屏蔽层的层厚优选控制在1mm以下。

第二方面，本发明提供了一种利用上述第一方面任一所述测量探头的深部温度测量方法，其具体做法为：将该测量探头的底面按压在待测部位皮肤表面，获取施加在该测量探头上的按压压力P以及该测量探头中所有温度传感器和热通量传感器的检测数据，并计算待测部位的深部温度T_c：

T_c＝(R+ΔR_c)*_HFS+T_s+m*_a

其中：R是指定按压压力下皮肤与深部温度之间的热阻R_s以及皮肤与待测部位之间的接触热阻R_c之和，为预先校准值；ΔR_c为与按压压力P相关的接触热阻R_c变化量，其通过预先校准的ΔR_c与P之间的映射关系确定；T_s是待测部位的皮肤表面温度；T_a是测量时该测量探头所处的环境温度；m是与环境温度T_a相关的修正系数，为预先校准值；U_HFS是传热单元内的热流数值，由传热单元内部所有热通量传感器检测的热通量值通过校准得到，校准公式为：式中k_i为预先校准的第i个校准系数，U_HFSi为传热单元内部第i个热通量传感器检测的热通量值，n为传热单元内部热通量传感器的总数。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明在考虑接触的基础上，针对异形热通道结构对深部温度测量方法进行了改进，在传热通道以及隔热单元部分添加适当数量的温度传感器与热流传感器，并在传感模型中额外加入了接触热阻项。从人体深部温度待测区域产生的热通量流经由皮肤表面传递至异形热流通道内，可以使用通道中的热通量传感器对热流传递过程进行修正，进一步考虑柔性、刚性材料接触热阻对热流传递的影响，使得测量方法更接近真实情况，从原理上提高深部温度测量方法的精度。因此，本发明通过改变传感模型以及添加额外的热流传感器，是对异形热通道结构下测量深部温度的一种改进方案。

附图说明

图1为本发明中用于确定生物深部温度的测量探头示意性的侧向剖视图；

图2为该探头的垂直/水平热通量示意图；

图3为该探头的立体示意图；

图中附图标记：1.传热单元；1a.第一个温度传感器；1b.第一个端面热通量传感器；2a.第二个温度传感器；2b.第二个端面热通量传感器；s1…sn.侧壁热通量传感器；h1…hn.内部热通量传感器；i1…in.隔热材料层；z1…zn.传热单元中心轴；d1.传热单元的底部端面(与皮肤表面接触的端面)；u1.传热单元的顶部端面；e1.传热单元的侧面；e2.隔热单元的侧面；u2.隔热单元的顶部端面；2.屏蔽层；3.由皮肤层传至传热单元的垂直热流；4.通过传热单元的热流。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。本发明各个实施例中的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，可以是直接连接到另一个元件或者是间接连接即存在中间元件。相反，当元件为称作“直接”与另一元件连接时，不存在中间元件。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于区分描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

本发明中提供了一种考虑接触热阻的异形热通量深部温度测量探头，其核心组件包括传热单元、隔热单元、温度传感器和热通量传感器。下面对各组件之间的安装形式以及配合关系进行详细描述。

传热单元为单一材质的异形结构，可由具有高传热系数的传热材料制成。传热单元用于作为热通量通道。传热单元的异形结构可以由多个规则结构单体拼接而成，且所有规则结构单体的形状为柱体、台体、圆环和球体中的一种或多种。例如，可以通过多个柱体以横纵交错的方式连续拼接形成弯折形式的异形结构，也可以将柱体和台体进行拼接，形成横截面形状存在突变位置的异形结构。这种异形结构的热通量通道在某些存在内部元件热源，只能使用异形热通量通道进行深部温度测量的可穿戴设备中存在应用场景。但这种异形结构的热通量通道，相对于规则的圆柱式热通量通道，其深部温度的测量难度也随之增大，需要特定设计测量方法。传热单元的顶面和底面尽量保持平行，利于排除水平热量的干扰，提高结果准确性。

在该测量探头中，隔热单元完全包裹传热单元的顶部端面和侧面，传热单元的底面露出隔热单元且与隔热单元底面平齐。隔热单元可以由单一材料层组成，也可以由两种以上材料层组合而成。隔热单元所使用的隔热材料导热性应当尽量低，可以是玻璃纤维、石棉、岩棉、凝胶毡、真空腔等材料中的一种或多种，而且原则上需要保证隔热材料的导热系数小于传热单元所使用的传热材料的导热系数，以阻止水平热流，降低外部环境干扰。实验结果证明，隔热单元全部采用封闭的、抽去空气的空腔，是目前用于深部温度探头中阻止水平热流的最有效的方式。

另外，该测量探头中的温度传感器有两个，在传热单元的顶部端面和底部端面处各布置一个温度传感器。底部端面处的温度传感器可用于检测皮肤表面的温度，而顶部端面的温度传感器则可以用于辅助判断该测量探头中的隔热单元是否出现失效需要更换的情况，当顶部端面的温度传感器检测的温度接近环境温度时，表面隔热单元出现了失效情况。

该测量探头中的热通量传感器包括第一热通量传感器、第二热通量传感器、第三热通量传感器三类，三类热通量传感器的布置形式分别如下：

对于第一热通量传感器，可在传热单元的顶部端面和底部端面处各布置一个第一热通量传感器，用于检测经过端面的热通量。第一热通量传感器可以贴合所在端面布置。传热单元顶部端面和底部端面处的第一热通量传感器，用于计算经过传热单元内的热流通道从深部传递到皮肤处的热流。

对于第二热通量传感器，可在传热单元的侧面与每一种隔热单元材料的交界面处各布置一个第二热通量传感器，用于检测经过交界面的热通量。第二热通量传感器可以贴合所在交界面布置。

交界面处布置的第二热通量传感器以及传热单元两个端面布置的第一热通量传感器，可以用于辅助判断隔热单元是否出现了失效以及定位失效的位置。同时，这些热通量传感器也可以在传热单元的异形结构设计阶段用于确定最佳的结构形式。

对于第三热通量传感器，第三热通量传感器布置于传热单元内部，至少有一个，且传热单元内每个因单元形状改变导致的热流方向突变位置以及因外部包裹的隔热材料突变导致的热流大小突变位置均布置一个第三热通量传感器。

其中，布置于传热单元内部的所述第三热通量传感器的布置位置与传热单元和隔热单元的形式相关，具体为：

i)、若所述隔热单元由单一材料层组成且所述传热单元内部不存在因单元形状改变导致的热流方向突变位置，则在传热单元内部布置一个第三热通量传感器，用于检测传热单元内热流的热通量；

ii)、若所述隔热单元中存在因单元形状改变导致的热流方向突变位置，则在传热单元内部每个热流方向突变位置布置一个第三热通量传感器，用于检测传热单元内热流经过突变位置时的热通量；

iii)、若所述隔热单元由两种以上材料层组合而成，则任意相邻两种不同材料层的交界面所在平面与传热单元构成一个存在热流大小突变的相交面，在每个所述相交面中布置一个第三热通量传感器，用于检测经过所述相交面的热通量。

需要特别说明的是，对于上述i)中布置的第三热通量传感器而言，其可以平行于传热单元的底面布置，高度可以设置在传热单元的中间位置处。而对于ii)中布置的第三热通量传感器而言，本发明中会导致产生热流方向突变位置的单元形状改变，是由传热单元主体的非平滑转角所带来的。例如，当两条方柱以直角或者其他夹角连续拼接而成时，在其拼接位置会产生非平滑过度的转角，这个位置就会产生热流方向突变；同样的，再例如当圆台与圆柱拼接时，其拼接位置也会产生非平滑过度的转角，这个位置也会产生热流方向突变。这些产生热流方向突变的位置，均需要布置第三热通量传感器，由此保证异形探头的每部分都得到监测，排除异形结构对深部温度造成的干扰。另外，对于iii)中布置的第三热通量传感器而言，本发明中会导致产生热流大小突变位置的相交面，是由于传热单元外部的隔热单元材料变化所导致的，不同隔热材料具有不同的隔热系数，因此会影响传热单元内热量的向外传递，此处的第三热通量传感器沿着相交面布置即可，实际操作时可以将隔热单元中两种不同材料层的交界面进行延展，与传热单元形成相交面，然后将第三热通量传感器布置在这个相交面上。

上述第三热通量传感器的作用是检测热量通道内的热流，进而校准计算热量通道内实际的热流数值U_HFS。

考虑到第三热通量传感器的检测数据准确性，传热单元内部的第三热通量传感器的传感器平面中心均可以沿传热单元内部热流通道的轴线布置，且布置于热流方向突变位置的第三热通量传感器平面迎向热流方向，布置于热流大小突变位置的第三热通量传感器平面与前述的相交面重合。需要说明的是，第三热通量传感器平面迎向热流方向，原则上传感器平面与热流方向保持垂直最佳，但受限于制造工艺以及实际热流方向的确定难度，两者之间存在一定的偏角也是允许的。

另外，该测量探头使用时可以直接按压在待测部位的皮肤表面，并保持压力恒定进而读取内部的传感器数据。为了便于将测量探头固定在皮肤上，可以在隔热单元与皮肤接触的底部端面上设有粘贴元件，从而通过粘贴原件将探头粘贴于皮肤上，当然也可以通过绑带或者其他按压方式将其固定在皮肤上。但由于该测量探头所受的压力与皮肤与待测部位之间的接触热阻有关，因此为了后续计算待测部位的深部温度，需要得到预先测量探头所受的按压压力。该压力的测定，可以通过在测量探头于皮肤之间夹持一个压力传感器来实现，或者通过外部设备进行计量。若采用夹持压力传感器的方式，该压力传感器可以预置在测量探头的隔热单元底部端面上，也可以在使用时单独放置在隔热单元底部端面与皮肤之间。

隔热单元与皮肤接触的底部端面采用柔性材料或者刚性材料，优选采用柔性材料。隔热单元与皮肤接触的底面可以使用柔性或者刚性材料，柔性材料可以采用例如石墨烯，刚性材料可以使用例如康宁玻璃。优选的，隔热单元与皮肤接触的底部端面选用材料导热性尽量高，避免接触热阻过大，提高测量准确性。

另外，为了减少隔热单元通过热辐射向外散失的热量，隔热单元的侧面和顶部端面覆盖有热辐射屏蔽层。屏蔽层可采用均匀的金属材料层，优选使用铝合金、洋白铜。优选的，金属材料层表面进行抛光处理，此类材料热辐射率较低，能够有效减少由于热辐射影响导致的隔热体内部温度的变化。屏蔽层的层厚优选控制在1mm以下。

上述考虑接触热阻的异形热通量深部温度测量探头，可用于获取与深部温度相关的传感器数据，进而用于计算深部温度。因此基于该测量探头，本发明还提供了一种深部温度测量方法，其做法是：将该测量探头的底面按压在待测部位皮肤表面，获取施加在该测量探头上的按压压力P以及该测量探头中所有温度传感器和热通量传感器的检测数据，并计算待测部位的深部温度T_c，深部温度的计算式如下：

T_c＝(R+ΔR_c)*_HFS+T_s+m*_a

其中：R是指定按压压力下皮肤与深部温度之间的热阻R_s以及皮肤与待测部位之间的接触热阻R_c之和，为预先校准值；ΔR_c为与按压压力P相关的接触热阻R_c变化量，其通过预先校准的ΔR_c与P之间的映射关系确定；T_s是待测部位的皮肤表面温度；T_a是测量时该测量探头所处的环境温度；m是与环境温度T_a相关的修正系数，为预先校准值；U_HFS是传热单元内的热流数值，由传热单元内部所有热通量传感器检测的热通量值通过校准得到，校准公式为：式中k_i为预先校准的第i个校准系数，U_HFSi为传热单元内部第i个热通量传感器检测的热通量值，n为传热单元内部热通量传感器的总数。

本发明的上述深部温度计算式中，通过在压力变化的情况下对接触热阻变化分离校准，并将此部分加入到热阻项中，将接触热阻对结果的干扰大大削弱。另外，该探头在传热通道中热流方向和大小可能发生突变的位置都增设了热通量传感器，并将其检测到的热流大小与校准系数相乘得到异形修正后的热流数值，能够有效排除异形和外部点热源对测量的干扰。最后，考虑到隔热材料并不能做到完全隔热，会受到环境温度变化的影响，增加了环境温度相关的修正项，排除外部干扰。

需要特别说明的是，上述确定R值的指定压力可以根据实际进行选择，R值可在校准程序中通过指定压力下获得的传感器数据进行确定。而皮肤与待测部位之间的接触热阻R_c，与测量探头所受的按压压力P有关，因此可在确定R值后变换按压压力，进而校准得到不同按压压力P下的接触热阻R_c变化量ΔR_c，建立存在映射关系的查找表，供实际应用时根据实际施加的P值查找对应的ΔR_c。待测部位的皮肤表面温度T_s可以通过传热单元底部端面处的温度传感器进行测定，环境温度T_a可以通过外部的温度检测设备进行确定。修正系数m可在校准程序中通过变换不同的环境温度并获取传感器数据进行拟合确定。U_HFS的校准公式中的校准系数k_i可在校准程序中通过固定外部热源位置然后变换不同的深部温度并获取传感器数据进行拟合确定。

由此可见，上述深部温度测量方法中，特别针对异形热通道结构，通过在传热通道以及隔热单元部分添加适当数量的温度传感器与热流传感器，并在对深部温度T_c的计算式模型中额外加入了接触热阻项，使得从人体深部温度待测区域产生的热通量流经由皮肤表面传递至异形热流通道内，可以使用通道中的热通量传感器对热流传递过程进行修正，从而考虑了接触热阻对热流传递的影响，使得测量方法更接近真实情况，从原理上提高深部温度测量方法的精度。

另外，上述深部温度测量方法，可以集成在相应的计算单元中，形成一种深部温度测量装置。该深部温度测量装置中包含前述的测量探头和计算单元，计算单元可以获取该测量探头被以按压压力P压在待测部位皮肤表面状态下内部所有温度传感器和热通量传感器的检测数据，并计算待测部位的深部温度T_c，深部温度T_c的计算式如前所示。这种计算单元可以是集成在探头上的芯片等数据处理单元，也可以是与测量探头构成数据通信连接的上位机或者云服务器等设备，对此不做限定。

下面通过实施例来展示本发明的上述考虑接触热阻的异形热通量深部温度测量探头及测量方法的具体实现方式。

实施例

如图1所示，在本发明的一个较佳实施例中，展示了用于异形热通量深部温度测量的测量探头，其主要部件包括传热单元1、隔热单元(包含隔热材料层i1、隔热材料层i2、隔热材料层i3)，第一个温度传感器1a、第二个温度传感器2a、第一个端面热通量传感器1b、第二个端面热通量传感器2b，4个内部热通量传感器记为h1、h2、h3、h4，以及3个侧壁热通量传感器记为s1、s2、s3。

其中传热单元1为异形结构，本实施例中传热单元的为一纵剖面为z字形的矩形传热通道，由三条横截面均为同尺寸矩形的方柱连续拼接而成，相邻两条方柱之间垂直。该传热单元1可以有效利用设备的横向空间，在有限的竖向空间内实现热通量的建立与深部温度的计算。传热单元1构成了异形的热流通道。

在传热单元1内部依次灌注有4个内部热通量传感器h1、h2、h3、h4的传感器平面中心均位于热流通道中央轴线上，以保证测量的热流数值尽可能接近整个通道中的热流数值。每一个内部热通量传感器所处位置分别对应了传热单元1的一个单元形状突变位置。在传热单元1的单元形状突变位置，热流通道的横截面形状或姿态发生了突变，进而导致通过此处的热流方向变化，因此需要布置内部热通量传感器。图2展示了图1中探头内的垂直、水平热通量示意图，可以看出在4个内部热通量传感器h1、h2、h3、h4的布置位置均因为单元形状突变产生了热流方向的突变。为了准确测量这些热流方向突变位置的，4个内部热通量传感器h1、h2、h3、h4的传感器平面应当尽量迎向所在位置的热流方向。另外，由于隔热单元中存在三层不同的隔热材料，即隔热材料层i1、隔热材料层i2、隔热材料层i3，因此需要在隔热材料层i1和隔热材料层i2的交界面所在平面与传热单元1构成的相交面上布置内部热通量传感器，在隔热材料层i2和隔热材料层i3的交界面所在平面与传热单元1构成的相交面上也布置内部热通量传感器，以便检测这两个存在热流大小突变的相交面处的热流值。但是在本实施例中，三层隔热材料的两个交界面刚好与传热单元1的两个形状突变位置重合，因此内部热通量传感器h1、内部热通量传感器h2实际上也起到了测量两个相交面处热流的作用，无需重复设置内部热通量传感器。

在本实施例的探头中，3个侧壁热通量传感器s1、s2、s3分别设置在传热单元1的侧面e1与三种隔热单元材料形成的三个交界面处。3个侧壁热通量传感器的传感器平面均贴合交界面布置。在本实施例的探头中，在传热单元1的底部端面d1和顶部端面u1分别嵌有第一个温度传感器1a、第一个端面热通量传感器1b和第二个温度传感器2a、第二个端面热通量传感器2b，每个端面上的温度传感器和端面热通量传感器的位置分别关于所在端面中轴线对称。

同时隔热单元中的隔热材料层i1、隔热材料层i2、隔热材料层i3需要完全包裹传热单元1的顶部端面u1和侧面e1。传热单元1的底面露出隔热单元且与隔热单元底面平齐。隔热单元中各个隔热材料层i1、i2、i3所使用的隔热材料可以相同，也可以不同，但相邻两层隔热材料层的隔热材料是不同的。隔热材料层中要求材料导热性尽量低，原则上需要保证隔热材料的导热系数小于传热单元1所使用的传热材料的导热系数。同时，隔热单元的内壁与传热单元尽量保持无间隙紧密接触，提高隔热性能，尽量减小水平热流的出现。

上述测量探头在使用时，可以直接按压在皮肤表面，但为了减少接触热阻，增大热交换速率，也可以使用导热性高的、柔性填充材料填充于生物体表面皮肤与深部温度探头之间，但需要保证底部端面d1与皮肤接触的底面全部覆盖有填充材料，进一步固定可通过绑带进行约束。当然必要时，也可以采用其他方式的粘贴或者固定手段，例如在隔热单元的底部端面上设置粘贴原件。

另外，若填充材料为柔性、导热性高的材料，在热接触充分的情况下接触热阻可忽略不计；但若为刚性但微观上接触为离散面积元时，热量将以导热的方式穿过未接触的界面之间的气隙层，此时接触热阻不可忽略且应在深部温度的传感模型中反应。

测量探头的底部端面被按压在待测的深部位置对应的皮肤表面时，由皮肤层传至传热单元的垂直热流3经过皮肤表面，通过皮肤界面与探头间的填充物质(若有)后进入传热单元中。因为隔热材料的导热系数小于传热单元，热流趋向于通过热阻较小的区域，因此流入通道内的热流会按照异形热流通道的路径传递，并最终建立起稳定的热流通道4。在此过程中，流经异形通道的热流会经由通道内部的四个热通量传感器h1、h2、h3、h4，被转化为各位置的热流数值，理想情况下这四个个热通量传感器得到的热流数值是一致的。但因为绝热材料不能完全阻隔，因此四者并不一定完全相等。在传热单元1的各段侧壁分别嵌入的侧壁热通量传感器s1、s2、s3，能够保证异形探头的每部分都得到监测，可以排除异形结构中因不理想隔热材料以及通道本身形状的干扰。当出现隔热材料层失效问题时，可以通过这些侧壁热通量传感器的检测数值来反映。另外，顶部的温度传感器2a也可以用来检测上方的隔热材料层是否出现损坏，当出现损坏时其温度感应值会接近环境温度。

另外，热辐射也是传热途径中的重要组成部分，本发明的探头中同样需要对热辐射进行阻隔。在本实施例中，隔热单元的隔热材料层i1、i2、i3的侧面e2和顶部端面u2均连续覆盖有热辐射屏蔽层2，可以减少温度探头内部与外界的热辐射换热。本实施例中，该屏蔽层采用金属锡层，反射系数小于0.1，可以有效的降低通过辐射途径造成的热量散失，保证以热传导方式为基础的热流通道的有效建立。同时屏蔽层厚小于1mm，可以尽量探头的体积，并有效的利用设备空间。

该测量探头的测量原理是基于热流法，下面本发明将进行详细介绍。为了描述方便起见，将皮肤处的第一个温度传感器1a获取数值记为T_s，参数R_s，R_c分别是皮肤与深部温度之间的热阻、皮肤与传感器待测部位的接触热阻，R是压力稳定情况下皮肤与深部温度之间的热阻、皮肤与传感器待测部位的接触热阻之和，ΔR_c是压力变化时皮肤与传感器待测部位的接触热阻的变化值，_HFS是经过通道内的多个热流传感器修正后的热流数值，对于从深部温度传递到皮肤处的热流，定义如下：

因此深部温度T_c可由皮肤表面处的温度传感器与热流传感器计算得到，传感模型可构建为：

T_c＝(R_s+R_c)*_HFS+T_s＝(R+ΔR_c)*_HFS+T_s

另外，由于T_c还与环境温度有关，因此上述传感模型可进一步增加环境温度的校准项。因此，本实施例中，最终采用的基于热流法的深部温度T_c计算公式可以表示为：

T_c＝(R+ΔR_c)*_HFS+T_s+m*_a

其中：R是指定按压压力下皮肤与深部温度之间的热阻R_s以及皮肤与待测部位之间的接触热阻R_c之和，为预先校准值；ΔR_c为与按压压力P相关的接触热阻R_c变化量，其通过预先校准的ΔR_c与P之间的映射关系确定；T_s是待测部位的皮肤表面温度；T_a是测量时该测量探头所处的环境温度；m是与环境温度T_a相关的修正系数，为预先校准值；U_HFS是传热单元1内的热流数值，由传热单元1内部所有热通量传感器检测的热通量值通过校准得到。

上述测量探头在使用前，需要对传感模型中的各种参数进行校准，校准程序按以下顺序进行：

首先对R和ΔR_c进行校准。在探头在皮肤上所受按压压力P稳定的情况下，可以默认接触热阻R_c与R_s不变，两者之和记为R，此时变化核心温度对热阻整项校准，能够得到按压压力P稳定情况下R值。此后变化对探头的按压压力P，因只有接触热阻R_c与压力P相关会产生变化，将该部分分离校准，得到不同压力P条件下的ΔR_c值，可建立映射关系表，用于根据施加的按压压力P查询对应的ΔR_c值。需说明的是，本实施例中探头收到的按压压力可以通过在探头与皮肤之间放置压力传感器来实现。

然后对异形结构中热流数值U_HFS进行校准，在上述较佳实施例中异形热通量通道内添加的4个内部热流传感器h1、h2、h3、h4的检测数值分别记为U_HFS1、U_HFS2、U_HFS3、U_HFS4，那么当异形结构对热通量通道的稳定与建立没有影响时，此时通道内的热流大小应相等，即U_HFS＝U_HFS1＝U_HFS2＝U_HFS3＝U_HFS4。但当异形结构对热通量通道的稳定与建立有影响时，需要是要使用通道内的热流传感器对真实热流传感器进行校准，即

U_HFS＝a*U_HFS1+bu_HFS2+c*_HFS3+d*_HFS4

其中a、b、c、d是与异形通道几何结构有关的校准系数。假设外部热源是点热源，热量由中心向外周传递，对四者的温差进行逆向求解，可以得到对应的点热源位置，得到与此时热源位置对应的a、b、c、d校准系数，并通过校准系数对热流传感器数值进行校准。在实际的校准流程中，可以将固定外部热源后，不断变换不同的深部温度，然后获取四个内部热流传感器h1、h2、h3、h4的检测数据U_HFS1、U_HFS2、U_HFS3、U_HFS4，同时获取第一个端面热通量传感器1b和第二个端面热通量传感器2b的检测数据U_HFSd1、U_HFSu2，用于进行a、b、c、d四个校准系数的拟合。每一个拟合样本中，U_HFS为U_HFSd1、U_HFSu2的平均值。

另外，当其他条件固定时，继续校准系数m，仅变化环境温度从5℃到40℃，可以得到一组关于环境温度与公式误差的离散点，使用最小二乘法回归对修正系数m进行拟合。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。例如，通道内各个交界面处的热通量传感器、侧壁热通量传感器进行删减、调整。各元件采用的材料、探头与皮肤之间的填充材料也可以根据实际进行选型，只要能够满足相应的功能要求即可。本发明的传热单元除了Z字形状的异形通道外之外，也可以采用其他异形形式。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (15)

1.一种考虑接触热阻的异形热通量深部温度测量探头，其特征在于，包括传热单元、隔热单元、温度传感器和热通量传感器；

所述传热单元为单一材质的异形结构；

所述隔热单元完全包裹传热单元的顶部端面和侧面，传热单元的底面露出隔热单元且与隔热单元底面平齐；所述隔热单元由单一材料层组成或由两种以上材料层组合而成；

所述温度传感器有两个，在传热单元的顶部端面和底部端面处各布置一个温度传感器；

所述热通量传感器包括第一热通量传感器、第二热通量传感器、第三热通量传感器三类；其中

在传热单元的顶部端面和底部端面处各布置一个第一热通量传感器，用于检测经过端面的热通量；

在传热单元的侧面与每一种隔热单元材料的交界面处各布置一个第二热通量传感器，用于检测经过交界面的热通量；

而第三热通量传感器布置于传热单元内部，至少有一个，且传热单元内每个因单元形状改变导致的热流方向突变位置以及因外部包裹的隔热材料突变导致的热流大小突变位置均布置一个第三热通量传感器。

2.如权利要求1所述的考虑接触热阻的异形热通量深部温度测量探头，其特征在于，所述传热单元的异形结构由多个规则结构单体拼接而成，且所有规则结构单体的形状为柱体、台体、圆环和球体中的一种或多种。

3.如权利要求1所述的考虑接触热阻的异形热通量深部温度测量探头，其特征在于，布置于传热单元内部的所述第三热通量传感器的布置位置与传热单元和隔热单元的形式相关，具体为：

若所述隔热单元由单一材料层组成且所述传热单元内部不存在因单元形状改变导致的热流方向突变位置，则在传热单元内部布置一个第三热通量传感器，用于检测传热单元内热流的热通量；

若所述隔热单元中存在因单元形状改变导致的热流方向突变位置，则在传热单元内部每个热流方向突变位置布置一个第三热通量传感器，用于检测传热单元内热流经过突变位置时的热通量；

若所述隔热单元由两种以上材料层组合而成，则任意相邻两种不同材料层的交界面所在平面与传热单元构成一个存在热流大小突变的相交面，在每个所述相交面中布置一个第三热通量传感器，用于检测经过所述相交面的热通量。

4.如权利要求3所述的考虑接触热阻的异形热通量深部温度测量探头，其特征在于，所述传热单元内部的第三热通量传感器的传感器平面中心均沿传热单元内部热流通道的轴线布置，且布置于热流方向突变位置的第三热通量传感器平面迎向热流方向，布置于热流大小突变位置的第三热通量传感器平面与所述相交面重合。

5.根据权利要求1所述的考虑接触热阻的异形热通量深部温度测量探头，其特征在于，所述隔热单元所使用的隔热材料为玻璃纤维、石棉、岩棉、凝胶毡、真空腔中的一种或多种，且隔热材料的导热系数小于传热单元所使用的传热材料的导热系数。

6.如权利要求1所述的考虑接触热阻的异形热通量深部温度测量探头，其特征在于，所述隔热单元与皮肤接触的底部端面上设有粘贴元件，用于将探头粘贴于皮肤上。

7.如权利要求1所述的考虑接触热阻的异形热通量深部温度测量探头，其特征在于，所述隔热单元的底部端面采用柔性材料。

8.如权利要求7所述的考虑接触热阻的异形热通量深部温度测量探头，其特征在于，所述柔性材料采用石墨烯。

9.如权利要求1所述的考虑接触热阻的异形热通量深部温度测量探头，其特征在于，所述隔热单元的底部端面采用刚性材料。

10.如权利要求9所述的考虑接触热阻的异形热通量深部温度测量探头，其特征在于，所述隔热单元的底部端面采用康宁玻璃。

11.根据权利要求1所述的考虑接触热阻的异形热通量深部温度测量探头，其特征在于，所述隔热单元的侧面和顶部端面覆盖有热辐射屏蔽层。

12.根据权利要求11所述的考虑接触热阻的异形热通量深部温度测量探头，其特征在于，所述屏蔽层为均匀的金属材料层。

13.根据权利要求12所述的考虑接触热阻的异形热通量深部温度测量探头，其特征在于，所述屏蔽层使用铝合金、洋白铜。

14.根据权利要求12所述的考虑接触热阻的异形热通量深部温度测量探头，其特征在于，所述屏蔽层的层厚控制在1mm以下。

15.一种利用如权利要求1~13任一所述测量探头的深部温度测量方法，其特征在于，将该测量探头的底面按压在待测部位皮肤表面，获取施加在该测量探头上的按压压力P以及该测量探头中所有温度传感器和热通量传感器的检测数据，并计算待测部位的深部温度：

其中：是指定按压压力下皮肤与深部温度之间的热阻以及皮肤与待测部位之间的接触热阻之和，为预先校准值；为与按压压力P相关的接触热阻变化量，其通过预先校准的与P之间的映射关系确定；是待测部位的皮肤表面温度；是测量时该测量探头所处的环境温度；m是与环境温度相关的修正系数，为预先校准值；是传热单元内的热流数值，由传热单元内部所有热通量传感器检测的热通量值通过校准得到，校准公式为：，式中为预先校准的第i个校准系数，为传热单元内部第i个热通量传感器检测的热通量值，为传热单元内部热通量传感器的总数。