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移动和无线健康

基于红外传感器的智能系统近似测量核心体温

摘要：这里展示了实验研究两种方法，即对流和身体抵抗，以接近人体核心体温。 所提出的系统高度节能，仅消耗165mW的功率并且运行在5VDC电源上。 实施的解决方案采用工业级IR热敏传感器和AT Mega 328分线板。 通常情况下，红外传感器距离人体前额1.5〜30cm（即无创），并根据皮肤和环境温度测量原始数据，然后使用适当的近似公式转换以找出核心体温。 通过Makerplot和JAVA-JAR这两种工具，原始数据被绘制，可视化并瞬时存储在本地机器中。 当人体完全休息并在步行10分钟后进行测试。 将实现的结果与CoreTemp CM-210传感器（日本Terumo公司）进行比较，该传感器的计算结果与建议的红外传感器系统获得的BCT平均值不同，为0.7°F。 在稍作修改后，所呈现的模型可以与远程放置的物联网云服务连接，这可能有助于通过概率视图来通知和预测用户的核心体温。 还可以理解的是，这种系统可以用作可穿戴设备，并以帽子作为可连接的方式穿着。

关键词：红外传感器、核心体温、远程测量

介绍

核心体温（即BCT）是人类最重要的生命因素之一，这对保持健康因子和保持稳定状态至关重要。 人体通常将核心体温保持在特定的范围内。在正常情况下，人体试图通过各种生理规范如汗液，头晕，睡眠和皮肤湿度蒸发等来调节BCT。这种情况因案例而异。例如：（1）渔民不断接触水，明显减少体温，从而导致更多的能量燃烧，包括胃内食物或体内脂肪燃烧;（2）消防员在忙于灭火工作时，他的身体需要冷却下来从而减少汗液的代谢和排泄，以及（3）运动员的身体应该按照他的身体结构保持在标准的BCT，以使他能够通过调节葡萄糖消耗和释放来提供最佳性能，因此，通过调节葡萄糖的消耗和释放BCT的差异。在这样的示例性情况下，对于一个人来说，事先和准确的知识对他/她的BCT总是有益的，这可以进一步帮助他们挽救他/她的生活免受常见的伤害，例如：体温过低，体温过高，中暑甚至死亡。

因此，这项研究旨在开发和验证低成本，高能效，便携式的解决方案，以连续和不显眼的方式监测和测量BCT。 由于大多数可用的解决方案确实符合移动性损伤，所提议的系统开发背后的任务就变得如此简单。 为实现这一目标，围绕一种新型传感器系统设计了一项研究，该系统通过红外（即红外）传感器放置在远离前额（即非侵入性）1.5-30厘米处，将BCT数据实时传输至本地机器。 这项研究由37名志愿者在两个不同阶段的活动中进行（1）完全休息期间和（2）非正式散步后进行。

这项工作的主要目标是提出一种基于原始的一套理论的新型BCT公式，这些公式从未被测试过。 根据第二节，有几篇文献已经采用多种策略来处理BCT的估算。 尽管存在极大的可能性，但这些可用的提案中的大多数缺乏可移植性或者简单性。

耐磨性是另一个非常关键的方面，已经给出了。 这种行为滞后在当前时代普遍性的社会需求（即智能医疗）方面可能不太有说服力。 因此，需要一种具有更直观的，用户友好，实时性，耐用性和远程可测量性的新颖教学法。

bull;为了达到这样的目标，本文的贡献如下：

bull;开发和评估一种新的核心体温公式;

bull;设计一个基于红外传感器的系统，用于测量和监测不同距离的人体BCT;

bull;在本地节点中整合数据的实时聚合;

bull;在瞬时终端上可视化并存储BCT值;

bull;在基于JAVA-JAR的应用程序上映射温度波动;

bull;统计分析结果;

bull;通过暗示对象和CoreTemp CM-210传感器来验证所提议系统性能的可用性。

其余的论文组织如下。 第二部分对电子数据库的类似方面进行了详细的文献回顾。 第三部分介绍了所提出的方法和所需的硬件和软件资料。 第四节讨论了这项研究的实验设置和同化结果。 第五部分结束了论文。

相关作品

本节介绍了几项进行机体核心温度测量的相关工作。 对这些作品的评论包括一系列的任务，包括：（1）通过IEEE Xplore和Science Direct电子数据库中搜索研究文章（提到关键词：核心体温）。（2）从收集的清单中整理不相关的文章，最后（3）选择最合适的

本研究的文章。 在执行这些方法时，很少考虑一些因素，例如：（1）研究背后的关键方法，（2）传感器类型，以及（3）过多的系统实现。 最终，从审查过程中包括20篇文献，简要阐述如下。

Mackowiak [1]规定了可用于检测人体发热（即温度波动）的各种装置。[2]提出了一种非侵入性皮肤接触方法来测量核心体温。 双热通量技术和昼夜节律被用于检测核心体温[3, 4]。 一些研究人员采用微波辐射测量和鼓室测温来发现核心温度[5–8]。 在其他技术中，最简单的方法是使用热敏电阻或IR温度传感器测量皮肤温度[9]。Gagge等人使用的类似的方法， [10]以及Mendt等人[11]。 另一种是微创技术 - 温度丸用于测量核心体温[12, 13]。 虽然这种技术是独一无二的，但它缺乏很多方面，如：成本高，可溶性水或食物可能的相互作用，以及药物在胃肠道中精确定位的问题。 有时，通过利用基于时间序列的心脏数据速率和皮肤表面温度的计算模型来进行核心体温的非侵入性估计[14–16]。 通过在温度传感器的帮助下，通过测量从测试人体皮肤表面发出的热通量梯度来发现核心体温[17–20].

此外，目前的文献中，有几种产品已在全球市场上流行，包括（1）Meco IRT550红外测温仪，（2）Nio非接触式红外测温仪，（3）amiciKartreg;数字激光红外测温仪，（4）TIPL IR温度计，（5）像素红外线枪温度计，（6）Testo 810（0560 0810） - 红外线温度计，（7）Cetpar红外线温度计等。虽然这些产品很方便，但它们的平均价格超过35美元。如此巨大的代价对于欠发达国家或发展中国家来说是一项挑战。 如上所述，其中一些设备在不使用时需要充电，从而导致高功耗。而且，这些装置的检测温度范围不是标准化的。 所以这些产品是用于一体化使用的。 目前只有少数产品能够满足BCT测量的要求。 然而，在这方面，适用性和准确性可能会产生相关的问题。

在这一点上，值得注意的是，大多数情况下都不符合真实的情况。 这种现象背后的主要原因如下：（1）复杂的布线，（2）侵入性/半侵袭性，（3）皮肤接触能力，（4）卫生，（5）可循环性，（6）非实时性，以及（7）用户使用不适。 现有系统通常通过置入食道，直肠或身体其他部位，使侵入性/皮肤接触式探头来测量核心体温。 它们可能难以适用于当前需要的各种用途。 但发现基于智能传感器的系统可以忽略这些问题。 表1 介绍了本研究文献间的关键比较。

除上述之外，所提出的实验提供了数据存储，可视化和热图，这在所讨论的替代方案中从未见过。 此外，现在系统实现了一项新技术，通过该技术，BCT可以从1.5-30厘米的不同距离进行测量。 当然，经过具体的调整，它可能会为BCT测量打开梦幻般的耐磨解决方案的大门。

表格1 相关作品之间的比较

纸张方法 传感器类型 与每个实施相关的问题

1. 非侵入性触摸皮肤 直流热敏电阻（YSI-401），

BDrauml;ger^双传感器

没有系统模型/流程图/分析执行; 只测量直肠额头差异

1. 双热通量触摸 CoreTemp CM-210 由于昼夜节律的推断，结果变化
2. 微波辐射计用于生物医学传感MRBS

腔背天线天线（CBSA）

对样本的发射率较不敏感

1. 扩展卡尔曼滤波器（EKF） - 触摸 VitalSense，DS1922L，

松鼠1000S，Equivital EQ02

1. 1.4 GHz辐射测量 热电偶，GaAs MMIC-CMOS天线

没有提供系统模型/传感器系统; 据报道有13％的不准确

进行非人体实验; 深cm范围穿透组织

1. 鼓室测温 MLX90614-DCA 没有分析结果; 鼓膜组织损伤的机会

[4] 使用平稳小波变换（即SWT）的超声波和昼夜节律性

THM-003 T 接触温度测量; 不必要地出现复杂性

[1] 绝缘皮肤温度 – 针对警察，消防和救援以及救护车（即紧急服务人员）进行的实验;

在36.5°C绝缘皮肤温度以上无效

1. 用于监测昼夜节律的热通量温度记录
2. 可摄取温度药丸遥测系统

YSI 400 采用双传感器技术; 体位不断改变引起问题; 卧床休息是强制性的，而测试

Tpill 药片在胃肠内的定位; 不适合小孩或紧急情况下的患者

1. 可摄取温度药丸遥测系统

QUESTemp°32便携式监测器湿球温度

药片在胃肠内的定位; 不适合小孩或紧急情况下的患者

1. 心率波动 摄入 - 约拿温度计丸

不太准确; 使用困难; 药片在胃肠内的定位; 不适用于儿童，心脏病患者或紧急情况下的患者

1. 皮肤热通量和心率 – 复杂的方法; 不适合测量运动中的温度
2. 从心率，呼吸率和皮肤温度预测核心体温

– 使用多种可变技术; 需要皮肤触摸

1. 零热流法 CTM-205 热绝缘体放置在较大的皮肤表面上; 患者

需要休息; 需要皮肤触摸

1. 零热通量法 NICCT传感器 病人需要休息; 皮肤接触是必需的
2. 双热通量法 CTM-205 需要恒定和垂直的热流量。 皮肤接触是必需的
3. 皮肤热通量 热电偶和热敏电阻

复杂的方法; 皮肤接触是必需的

建议的方法

建议的方法

众所周知的事实是，热量是温度的起因。 因此，计算来自物体的辐射热量可能有助于从远处估计物体的温度。 在这个实验中，两种不同的方法被并行地用于估计人体的核心体温。 首先，一个新的推导是通过暗示标准对流方法得到广泛使用的牛顿冷却定律理论。 之后，最终核心体温公式是在对其进行一些补充之后设计的。 表2 介绍了本研究中使用的缩写。

核心体温近似公式

对流法这个实验通过远距离测量人体额外放射的热辐射量来近似核心体温。 据了解，额头温度远低于人体核心体温。 在这种情况下，前额的辐射传热被忽略（由于保持了解决方案的复杂性降低和增加易理

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