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基于热流原理的深部温度传感器在膝关节热疗中的应用研究

基于热流原理的深部温度传感器在膝关节热疗中的应用研究

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作者：陶杰新疆大学

学位级别：硕士

人体膝关节处深部体温的监测对于关节患者治疗与康复十分重要。为了能够持续测量关节炎患者皮肤组织不同深部的体温。本文基于生物传热学原理和单双通道热流模型,通过对核心温度测量技术的改进,提出了膝关节深部测温的方法。根据膝关节... 详细信息

人体膝关节处深部体温的监测对于关节患者治疗与康复十分重要。为了能够持续测量关节炎患者皮肤组织不同深部的体温。本文基于生物传热学原理和单双通道热流模型,通过对核心温度测量技术的改进,提出了膝关节深部测温的方法。根据膝关节的特点将其划分为6个区域并布置12个位置的传感器探头,基于膝关节深部测温模型模拟了人体膝关节和传感器探头的传热实验。首先,通过设置膝关节核心温度38℃不变,在稳态条件下,根据传感器两侧的温度差,以及膝关节深部不同厚度处的温度,利用传热方程计算对应等厚度层皮肤组织热阻,与等温度层热阻对比分析了不同部位组织深度与热阻的关系。然后维持核心温度38℃,建立了热疗仿真模型,具体是通过设置的点热源,模拟高频热疗仪的深部热疗实验,利用所求热阻计算对应深部的温度与该位置探针显示结果对比误差在0.62℃以内,分析了误差的原因得出了热疗温度与肌体组织热阻之间的关系。最后,基于仿真实验结果建立膝关节传热理论并进行了热板实验和人体实验。热板实验中传感器热平衡时间约为7.7 min,平均误差为0.15℃,分析了人体实验的误差来源。这种基于仿真实验理论的符合人体工程学的体温传感器有可能为膝关节患者深部体温进行连续测量。由于本文的传热方程需要皮肤表面的温度值,为了确定皮肤表面温度。本文通过恒压式测温电路测电阻的方法研究设计了可穿戴式多点体温监测系统,以STM32F103C8T6芯片为核心处理器,负温度系数热敏电阻(Negative Temperature Coefficient,NTC)作为感温元器件,ADS1256芯片为温度信号调理器,选择BLE模块为无线传输单元,用LABVIEW设计上位机界面。8个NTC热敏电阻及分压电阻构成的恒压式电桥电路采集多路体温数据,24位超高精度模数转换模块配置差分输入对模拟信号进行放大、滤波以及模数转换,转换后的数据在单片机中处理和运算,最终通过无线通信的方式将数据传至上位机。采用Stein-hart方程的四阶公式对热敏电阻作线性补偿。从软件和硬件上减少环境干扰和体温分布不均的影响。分析了温传感器的温度测量误差。实验结果表明,测量系统分辨率达0.01℃,测温准确度可达±0.02℃。此设计方案,具有较高的稳定性和精确性,并且该电路结构简单、体积小、低功耗,可用于需要精密测体温场合。

关键词：双通道热流方法生物传热模型膝关节深部测温热流传感器可穿戴式温度采集系统

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