本发明涉及体温测量技术领域，特别是涉及一种从额头温度估计体核温度的方法及其应用。
背景技术：
体温是进行新陈代谢和正常生命活动的必要条件，是反映人体健康状况的重要指标之一。人类是恒温动物，能在环境温度变化的情况下保持体温的相对稳定，健康成年人的体温范围是36.2℃-37.5℃，正常平均体温是37℃。人类某些疾病与体温有密切关系，因此体温是临床诊断和某些疾病预判的重要依据之一。人体结构比较复杂且各个部位的结构差异较大，人体的外周组织即表层，包括皮肤、皮下组织和肌肉等的温度称为体表温度(shelltemperature)机体深部(心、肺、脑和腹腔内脏等处)的温度称为体核温度(coretemperature)。在较寒冷的环境中，体核温度分布区域缩小，主要集中在头部与胸腹内脏，体表与体核之间存在明显的温度梯度，在炎热环境中，体核温度可扩展到四肢。
体表温度通常情况下受环境影响较大，因此对人的体温测量通常为腋窝、口腔、额头、直肠、腹股沟、背部肩胛区、颈部、耳鼓膜等处。根据测量位置的不同，通常采用的测量工具有水银温度计、电子体温计、红外体温计、红外热像仪等。上述体温测量方法中，由于受体外环境温湿度、空气对流等因素的影响，对体表温度的测量值不能代表体核温度。因此对体表温度直接测量值与真实体核温度存在较大差异。
人头部是一个复杂的系统，部内的中枢神经系统具有很高的代谢水平，有关文献说明头部产热量占人体总产热量10％，休息时大脑单位质量产热量高于人体其他部位平均产热量6倍。同时头部血管丰富、汗毛孔多而粗，因此也是人体高散热区，是人体散热的主体。日常生活中，额头是人体常见的体外温度测量部位之一，但早于受到环境温度的影响，通常与体核温度存在较大差异。
技术实现要素：
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种从额头温度估计体核温度的方法及其应用，克服传统额头测量方法不能准确反映体核温度的缺陷，并能够在高温及低温环境下通过额头表面温度估计体核温度，对通过额温计算体核温度及疫情防控中的非接触式红外测温具有重要意义。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明第一方面提供一种从额头温度估计体核温度的方法，包括如下步骤：
(1)对人额头组织结构进行分层，从外至内分为三层，分别为：额头皮肤组织、额头头骨、脑组织；设额头皮肤组织厚度为h1，额头头骨组织厚度为h2，以空气温度代表环境温度，脑组织内部温度为体核温度；
(2)假设额头皮肤组织、额头头骨、脑组织均为均匀组织，采用pennes模型对所述额头分层结构进行有限元建模分析，pennes模型数学表达式为：
其中，ωb(kg/m3)、c[(j/kg·k)]、k(w/m·k)分别为组织的密度、比热及热导率热导率；
(3)有限元建模分析参数：采用自由面体网格对额头组织结构分层模型进行划分，并设置边界条件：脑组织温度为37℃、空气温度范围为-40℃～50℃；
(4)设体核温度与额头温度差值为δt，环境温度为t，通过有限元分析软件，采用最小二乘法拟合建立环境温度对t与δt的对应关系：
δt＝f(t)式(2)
(5)考虑人体体温调节系统对皮肤组织血流量影响，对式(2)修正，其影响大小为g(t)，采用有限元分析方法并经人体体温调节系统修正得到环境温度对t与δt的对应关系为：
δt＝f(t) g(t)式(3)
(6)假设体核温度与舌下温度数值接近，在不同空气温度下测量n组人的额头温度和舌下温度，并计算测得的额头温度和舌下温度的差值δtn，联合式(3)得：
gn(t)＝δtn-fn(t)式(4)
(7)采用最小二乘法对gn(t)进行曲线拟合，得到g(t)，将g(t)代入式(3)中，得到通过额温估计体核温度的模型；
(8)通过额头温度估计体核温度的步骤为：测量环境温度t和额头温度t额，则体核温度为：t核＝t额 f(t) g(t)。
进一步，所述步骤(2)中，各组织的热性能参数如下：
空气：恒压热容1.004[j/(kg·k)]，密度1.29[kg/m3]，热导率0.37[w/(m·k)]；
额头皮肤组织：恒压热容3391[j/(kg·k)]，密度1109[kg/m3]，热导率0.37[w/(m·k)]；
额头头骨：恒压热容1313[j/(kg·k)]，密度1908[kg/m3]，热导率0.32[w/(m·k)]；
脑组织：恒压热容4200[j/(kg·k)]，密度1000[kg/m3]，热导率0.62[w/(m·k)]。
进一步，所述步骤(3)中，采用自由面体网格对额头组织分层模型进行划分时，网格大小为1mm，最小单元大小为0.5mm，最大单元增长率为0.5，曲率因子0.6。
进一步，所述步骤(6)和(8)中，额头温度的测量方法采用热红外方法。
进一步，所述步骤(6)和(8)中，测量装置为红外线体温计和/或红外线成像仪。采用红外线热成像仪测量时取最大值为额头温度，测量装置不限于上述两种装置。
进一步，所述步骤(6)中，舌下温度的测量装置为水银温度计，但测量装置不限于水银温度计。
本发明第二方面提供根据第一方面所述的从额头温度估计体核温度的方法在人体体核温度测量上的应用。
如上所述，本发明的从额头温度估计体核温度的方法及其应用，具有以下有益效果：
本发明基于pennes生物传热模型，建立人额头“颅内-颅骨-皮肤及软组织-空气”有限元传热模型，采用有限元分析方法分析环境温度和额头温度的对应关系，同时考虑了人体体温调节系统对皮肤及软组织血流量及温度影响，建立了体核温度的计算模型，采用该计算模型可在不同环境温度下将额头温度转换为体核温度。
本发明克服了传统额头测量方法不能准确反映体核温度的缺陷，并能够在高温及低温环境下通过额头温度估计体核温度，对通过额温计算体核温度及疫情防控中非接触式红外测温具有重要意义。
附图说明
图1显示为本发明实施例中额头组织结构分层图。
图2显示为本发明实施例中有限元分析的流程图。
图3显示为本发明实施例中环境温度对t(环境温度)与δt(体核温度和额头温度差值)的拟合曲线图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
人头部是一个复杂的系统，部内的中枢神经系统具有很高的代谢水平，有关文献说明头部产热量占人体总产热量10％，休息时大脑单位质量产热量高于人体其他部位平均产热量6倍。同时头部血管丰富、汗毛孔多而粗，因此也是人体高散热区，是人体散热的主体。额头是人体常见的体外温度测量部位之一，但早于受到环境温度的影响，通常与体核温度存在差异。
本发明基于pennes生物传热模型，建立人额头“颅内-颅骨-皮肤及软组织-空气”有限元传热模型，采用有限元分析方法分析环境温度和额头温度的对应关系，同时考虑了人体体温调节系统对皮肤及软组织血流量及温度影响，建立了体核温度的计算模型，采用该计算模型可在不同环境温度下将额头温度转换为体核温度。
本发明克服了传统额头测量方法不能准确反映体核温度的缺陷，并能够在高温及低温环境下通过额头温度估计体核温度，对通过额温计算体核温度及疫情防控中非接触式红外测温具有重要意义。
本发明从额头温度估计体核温度的方法具体如下：
(1)如图1所示，根据人体解剖结构及与环境传热关系构建一个包括空气、额头皮肤组织、额头头骨、脑组织(含脑膜)的额头分层结构。
(2)对人额头结构行析近似：额头皮肤组织厚度为h1，头骨组织厚度为h2。空气温度代表为环境温度，脑组织内部温度为体核温度。
说明：为了方便仿真，将外部空气(无边界)、额头部分颅骨外部的肉(厚度为h1)、颅骨厚度(厚度为h2)，颅骨内部(即大脑)，共四层。其中空气和大脑认为是没边界的。
(3)采用pennes模型对上述分层结构进行有限元建模：
生物组织的传热是一个复杂的过程，生物传热应用研究中，应用最广泛的是pennes热传导方程，其数学表达式为：
其中，δ2是二阶三微分算子，t、ρ、c、k分别是组织的温度、密度、比热及热导率，cb为血液比热，wb为血液灌注率，qm为组织的代谢产热率，取值为常数，tb为动脉血温，qr为外部热源供热量。
(4)假设额头皮肤组织、额头头骨、脑组织均为均匀组织，各组织的具体热性能参数如下：
表1
(5)采用有限元建模分析步骤为：
a、如图2-a所示，对额头部分建立4层结构的几何结构(从上到下分别为空气、额头皮肤组织、头骨组织、颅内脑组织)，并将每层结构认为其为均匀材料/组织。
b、网格划分是进行有限元分析和计算的前提，网格划分的质量对有限元计算的精度和计算效率都有着最为直接的影响，对于大变形的情况甚至影响到解的收敛性。
如图2-b所示，采用自由面体网格对额头模型进行划分，网格大小1mm，最小单元大小0.5mm，最大单元增长率0.5，曲率因子0.6。
c、如图2-c所示，边界条件设置：脑组织温度为体核心温度，其值为37℃；空气温度范围为-40℃～50℃；采用“稳态”方法进行研究，即认为某一时刻额头温度稳定。
(6)设体核温度与额头温度差值为δt，环境温度为t，通过有限元分析软件，采用最小二乘法拟合建立环境温度对t和δt的对应关系：
δt＝f(t)式(2)
(7)考虑人体体温调节系统对皮肤组织血流量影响，对式(2)修正，其影响大小为g(t)。采用有限元分析方法并经人体体温调节系统修正得到环境温度对δt(体核温度与额头温度差值)和t(环境温度)的对应关系为：
δt＝f(t) g(t)式(3)
即：δt＝δt1 δt2
(8)在不同环境温度(即空气温度)下(tmin，tmax)下测量n组人的额头温度，测量方法采用热红外方法(红外线体温计或红外热成像仪)，其中采用红外线热成像仪测量时取实际测量的最大值为额头温度，测量装置不限于上述两种装置。
(9)假设颅内温度和舌下温度值接近，都为体核温度。采用水银温度计舌下温度，并以此温度值代表体核温度，测量装置不限于水银温度计。计算步骤(8)测得的额头温度和步骤(9)测量的舌下温度的差值，计为δtn，联合式(3)得：
gn(t)＝δtn-fn(t)式(4)
(10)采用最小二乘法拟合对gn(t)进行曲线拟合，得到g(t)，将g(t)代入式(3)中，得到通过额温估计体核温度的模型：δt＝f(t) g(t)。
(11)通过额头温度估计体核温度的步骤为：
a、测量环境温度t；
b、采用测温装置测量额头温度t额，则体核温度为：t核＝t额 f(t) g(t)。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
1.一种从额头温度估计体核温度的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)对人额头组织结构进行分层建模，额头分层结构从外至内分为三层，分别为：额头皮肤组织、额头头骨、脑组织；额头皮肤组织厚度为h1，额头头骨组织厚度为h2，以空气温度代表环境温度，脑组织内部温度为体核温度；
(2)假设额头皮肤组织、额头头骨、脑组织均为均匀组织，采用pennes模型对所述额头分层结构进行有限元建模分析，pennes模型数学表达式为：
其中，ωb(kg/m3)、c[(j/kg·k)]、k(w/m·k)分别为组织的密度、比热及热导率热导率；
(3)有限元建模分析参数：采用自由面体网格对额头组织结构分层模型进行划分，并设置边界条件：脑组织温度为37℃、空气温度范围为-40℃～50℃；
(4)设体核温度与额头温度差值为δt，环境温度为t，通过有限元分析软件，采用最小二乘法拟合建立环境温度对t与δt的对应关系：
δt＝f(t)式(2)
(5)考虑人体体温调节系统对皮肤组织血流量影响，对式(2)修正，其影响大小为g(t)，采用有限元分析方法并经人体体温调节系统修正得到环境温度对t与δt的对应关系为：
δt＝f(t) g(t)式(3)
(6)假设体核温度与舌下温度数值接近，在不同空气温度下测量n组人的额头温度和舌下温度，并计算测得的额头温度和舌下温度的差值δtn，联合式(3)得：
gn(t)＝δtn-fn(t)式(4)
(7)采用最小二乘法对gn(t)进行曲线拟合，得到g(t)，将g(t)代入式(3)中，得到通过额温估计体核温度的模型；
(8)通过额头温度估计体核温度的步骤为：测量环境温度t和额头温度t额，则体核温度为：t核＝t额 f(t) g(t)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，各组织的热性能参数如下：空气：恒压热容1.004[j/(kg·k)]，密度1.29[kg/m3]，热导率0.37[w/(m·k)]；
额头皮肤组织：恒压热容3391[j/(kg·k)]，密度1109[kg/m3]，热导率0.37[w/(m·k)]；
额头头骨：恒压热容1313[j/(kg·k)]，密度1908[kg/m3]，热导率0.32[w/(m·k)]；
脑组织：恒压热容4200[j/(kg·k)]，密度1000[kg/m3]，热导率0.62[w/(m·k)]。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(3)中，采用自由面体网格对额头组织分层模型进行划分时，网格大小为1mm，最小单元大小为0.5mm，最大单元增长率为0.5，曲率因子0.6。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(6)和(8)中，额头温度的测量方法采用热红外方法。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述步骤(6)和(8)中，测量装置为红外线体温计和/或红外线成像仪。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(6)中，舌下温度的测量装置为水银温度计。
7.根据权利要求1-6任一项所述的从额头温度估计体核温度的方法在人体体核温度测量上的应用。
技术总结