不同位置对温度传感器的影响

不同位置对温度传感器的影响

郑强

广州市倍尔康医疗器械有限公司     510000

摘要：本文用三维软件建立一个医用电子体温计简易模型，采用控制单一变量的思路，将模型导入仿真软件中，模拟医用电子体温计放入人体腋窝时不同夹持状态时，来探讨温度传感器在钢帽不同位置的热传导速度，从而确定在不同夹持环境下钢帽中热传导最优的位置。

关键词：医用电子体温计；人体；温度

引言：人体温度是反映机体生理状态的重要生命体征之一，是医学领域的一项关键生理指标，衡量患者健康与否的主要标准，所以如何准确快速测量出人体体温是一个需要解决的问题。随着科学技术的发展，出现了多种不同类型的红外体温计如耳温和额温及医用电子体温计，可快速、方便地探测人体温度。而临床日常工作中，传统且应用最广泛的体温计是水银体温计，但其在临床使用中需要一定的耗时、回表和消毒等流程，使其在要求反应迅速的急诊预检分诊中造成了一定的阻碍。而且随着环保意识的增强，水银温度计的禁用和取代已成为人类社会的共识。在2020新冠疫情中，如何快速准确的测量出人体温度，变得格外突出。红外体温计在快速筛选中比较突出，但容易受环境温度的影响，造成测量不准确。而医用电子体温计测量准确，不容易受到环境温度的影响，但测量时间较长，满足不了人们的需求，因此如何提高医用电子体温计的测量速度成为一个亟待解决的问题。

1. 医用电子体温计原理

1.1体温的定义

体温，通常指人体内部的温度。正常人腋下温度为36～37度，口腔温度比腋下高0.2 ～0.4度，直肠温度又比口腔温度高0.3～0.5度。由于机体深部血液的温度不易测量，在临床检查和实验研究中，为了方便，通常测定腋窝、口腔或直肠的温度来代表体温。

1.2医用电子体温计原理

医用电子体温计的基本原理是利用某些物质的物理参数，如电阻、电压、电流等，与环境温度之间存在的确定关系，将测量的体温以数字的形式显示出来。其基本构造是由温度传感器﹑液晶显示器﹑纽扣电池﹑专用集成电路及其他电子元器件组成。能快速准确地测量人体体温。如下图2所示：

现阶段大多数电子体温计所用的测温传感器都是热敏电阻NTC，NTC热敏电阻器是一种以过渡金属氧化物为主要材料制造的半导体陶瓷元件，它具有电阻值随温度变化而变化的特性；在一定的测量功率下，电阻值随温度的上升而下降 ，如下图3：

2. 模型及场景介绍

2.1模型结构介绍

该简易模型截取医用电子体温计插入腋窝部分，其组成为一个钢帽、3个导热硅脂、3个NTC、固定件、外壳构成，具体如下图4所示：

2.2仿真原理介绍

假设人体是一个为37℃的恒定热源，不断向外传递热量，而人体本身的温度维持37℃，恒定不变。基于该假设，采用控制单一变量的思路，将简易模型导入仿真软件中，在仿真软件中设置一个37℃的稳定热源，根据不同夹持环境，调节对应区域的导热系数，而三个NTC的位置固定不变，模拟医用体温计插入腋下时的不同场景，

2.3仿真场景介绍

3. 仿真数据分析

3.1场景1仿真数据分析

场景1：场景1是模拟当医用体温计放入腋窝时候，钢帽完全被腋下包裹，此时NTC1、NTC2和NTC3被皮肤包裹。在仿真软件中，将1、2、3设置为皮肤的导热系数来模拟该场景，数据如下图：

场景1分析数据：

场景1不同位置NTC对应的温度变化曲线

场景1不同位置NTC对应的不同时间的温度值

在场景1下，通过数据分析可知顶部NTC比两侧NTC温度响应快10秒，瞬间温度高0.5℃。

3.2场景2仿真数据分析

场景2：场景2是模拟当医用体温计放入腋窝时候，钢帽未完全放入腋窝中，此时NTC2接触皮肤，NTC1和NTC3暴露在空气中。在仿真软件中，将1、3设置为空气的导热系数，将2设置为皮肤的导热系数来模拟该场景，数据如下图：

场景2分析数据：

不同位置NTC对应的温度变化曲线

不同位置NTC对应的不同时间的温度值

在场景2下，顶部NTC比两侧NTC温度响应快30秒,瞬间温度1.8~4.8℃.在只有顶部NTC被裹紧的情况下，其温度响应时序和场景A是一样的。两侧NTC温度响应慢30秒.

3.3场景3仿真数据分析

场景3：将场景1中皮肤2替换为空气，场景3模拟当医用体温计放入腋窝时候，钢帽顶部漏出腋窝，暴露在空气中的情况，这时NTC1和NTC3被皮肤包裹，NTC2暴露在空气中。在仿真软件中，将1、3设置为皮肤的导热系数，2设置为空气的导热系数来模拟该场景，数据如下图：

不同位置NTC对应的温度变化曲线

不同位置NTC对应的不同时间的温度值

在这个场景下，两侧NTC比顶部NTC1，温度响应快约10秒， 瞬间温度高0.4~1.7℃。但是顶部NTC没被裹紧的情况下，在实际生活当中，出现的概率极低， 几乎可以忽略不计。

3.4场景4仿真数据分析

场景4：场景4是模拟当医用体温计放入腋窝时候，未夹紧，导致侧面NTC暴露空气中，这时NTC1和NTC2被皮肤包裹，NTC3暴露在空气中，在仿真软件中，将1、2设置为皮肤的导热系数，3设置为空气的导热系数来模拟该场景，数据如下图：

不同位置NTC对应的温度变化曲线

不同位置NTC对应的不同时间的温度值

在这个场景下，顶部NTC比两侧NTC1温度响应快，比夹住的NTC快约10秒，没夹住的快约42秒， 瞬间温度比夹住的NTC高约0.5 ℃ ，没夹住的高约1.5 ℃ 。

结论：在模拟人操作医用体温计的不同情况，控制单一变量，通过数据分析可知，钢帽顶部是温度采集的最佳位置。顶部NTC采集到的温度数据是最快和最大的。在实际产品设计中，我们可以选择将NTC固定在钢帽顶部，这样可以提高医用电子体温计的测量速度。

参考文献：

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