28. Приборы для измерения температуры тела человека.
Температура тела – показатель теплового состояния организма человека или другого живого организма, который отражает соотношение между выработкой тепла различных органов и тканей и теплообменом между ними и внешней средой.
Простейшим измерителем температуры биообъектов является ртутный термометр, не требующий своего подробного описания.
В простейших измерительных системах датчик температуры подключают к измерительной схеме, на выходе которой формируется напряжение, пропорциональное температуре.
Достаточной чувствительностью к изменениям температуры обладает так называемых измерительный мост, одно плечо которого образует терморезистор. В таких схемах результат измерений практически не зависит от питающего напряжения моста.
(Из лекции 5 по дисциплине ССДИиПЛВ)
Терморезистор = термистор. В качестве элементной базы для построения измерительных преобразователей температуры могут быть использованы терморезисторы, диоды, транзисторы и термомикросхемы. Эффект зависимости свойств p-n перехода от температуры, нежелательный в большинстве применений, можно с успехом использовать для измерения температуры.
В общем случае, температурная чувствительность материала измерительного преобразователя определяется функцией:
RT = R0 ∙ f(T-T0),
где R0 – сопротивление материала при T0, f – функция характеристики материала измерительного преобразователя.
Сопротивление проводников (металлов), как правило, возрастает при увеличении температуры.
Изменение сопротивления с температурой описывается следующим выражением:
RT = R0 ∙ (1 + aT + bT2 + cT3),
где RT – сопротивление при измеряемом значении температуры T; R0 – сопротивление при 0°С; a, b, c – константы. Число членов в разложении зависит от материала, интервала температур, требуемой точности. Чаще всего используются платина, никель и медь.
Для п/п терморезисторов записывается как:
RT = RT0 ∙ exp[B/(T-T0)],
где B – коэффициент, зависящий от рода п/п, T – абсолютная температура.
Для малых изменений ∆T в окрестности значений T общую зависимость R от ∆T можно линеаризовать:
RT+∆T = RT ∙ (1 + αR∙∆T),
где αR = (1/RT) ∙ (dR/dT) – температурный коэффициент сопротивления.
Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) характеризует зависимость электрического сопротивления от температуры и измеряется в кельвинах в минус первой степени (K-1). Для большинства металлов температурный коэффициент сопротивления положителен: их сопротивление растёт с ростом температуры вследствие рассеяния электронов на фононах (тепловых колебаниях кристаллической решётки). Для полупроводников без примесей он отрицателен (сопротивление с ростом температуры падает), поскольку при повышении температуры всё большее число электронов переходит в зону проводимости, соответственно увеличивается и концентрация дырок.
Качество аппаратуры для измерения температуры характеризуется минимальной измеряемой величиной [∆R/R0]MIN, которая определяет минимальное измеряемое значение изменения температуры
∆TMIN = 1/αR ∙ [∆R/R0]MIN .
Вывод: П/п терморезисторы (по сравнению с металлическими) обладают большими значениями αR, в связи с чем определяют меньшее значение ∆TMIN и имеют меньшие габариты, а, следовательно, малую тепловую инерционность. Однако они имеют существенный недостаток – нелинейную зависимость R(T). => необходимы схемы линеаризации.
При правильном подборе термодатчиков и элементов схемы выходное напряжение схемы (UВЫХ) изменяется пропорционально измеряемой температуре.
В ряде технических решений измеряемая температура сразу преобразуется в импульсные сигналы, которые могут передаваться на обработку в цифровые блоки или ПЭВМ.
В этой схеме датчик температуры RT в сочетании с конденсатором C образует RC–цепочку с зависящей от температуры постоянной времени, подключенную к мультивибратору МВ.
Выходная частота для такой схемы определяется выражением
f = [2,2CRT]-1.
Для измерения температуры внутренних полых структур (например, ЖКТ) широко применяют температурные радиокапсулы.
Структурная электрическая схема температурной радиокапсулы
Схема представляет собой транзисторный автогенератор, частота работы которого определяется колебательным контуром с сегнетокерамическим конденсатором C1, емкость которого зависит от температуры окружающей среды. Изменение емкости C1 при изменении температуры приводит к изменению частоты работы генератора, которая регистрируется приемником, расположенным вне тела пациента.
Измерение температуры с помощью лучевой термометрии (пирометрии) основано на соотношении между температурой объекта и характеристиками испускаемого им излучения. Это свойство позволяет проводить измерение температуры тела без физического контакта с ним. Термография дает возможность измерять температуру различных участков тела с точностью до десятых долей кельвина. Важность получающейся информации объясняется тем, что температура кожи в данной точке зависит от локальных клеточных процессов и от кровообращения данного участка тела.
Неинвазивные дистанционные измерители температуры биообъектов основаны на том, что, согласно закону Планка, каждое нагретое тело излучает электромагнитные излучения в широком частотном диапазоне. Биологические ткани являются сравнительно прозрачными для волн дециметрового диапазона. Это создает предпосылки использования техники сверхвысоких частот (СВЧ) для исследования температур глубинных слоев организма, оценивая мощность излучения с помощью специально изготовленных радиоантенн.
Рассмотрим упрощенную структурную схему диагностического радиотермометра
Данный радиотермометр предназначен для измерения внутренней (глубинной) температуры тканей по их естественному тепловому излучению в микроволновом диапазоне и измерения температуры кожных покровов по их тепловому излучению в инфракрасном диапазоне.
В схему входят: антенна (аппликатор), радиодатчик, датчик температуры кожи, блок обработки информации, персональная ЭВМ (ПЭВМ).
Измерение внутренней температуры производится контактным способом, причем антенна (Ан) прикладывается к коже пациента на проекции исследуемого органа или его части.
Непосредственно за антенной установлен ключ (К), который переключается из замкнутого в разомкнутое состояние 1000 раз в секунду. При замкнутом состоянии переключателя сигнал проходит через плечи ab циркулятора (Ц) по направлению циркуляции и усиливается в радиометре (РМ). При разомкнутом состоянии ключа на плечо c циркулятора поступают шумы от нагреваемого резистора R, которые по направлению циркуляции попадают на ключ, отражаются от него и через плечи ab циркулятора также попадают на вход радиометра. В радиометре происходит усиление сигналов и сравнение их температуры при двух положениях разности температур ткани и нагреваемого резистора.
Связь между температурой резистора TR и управляющим напряжением U показывает, что величина TR(U) остается неизменной при изменениях температуры аппарата с Ta1 до Ta2 (и пропорциональных изменениях управляющего напряжения с U1 до U2).
Это позволяет использовать аппарат при изменении окружающей среды; если температура окружающей среды попадает в диапазон измеряемых температур (32…38°С), то элемент Пельтье, на котором расположен нагреваемый резистор, работает в режиме охлаждения.
Таким образом, изменение внутренней температуры тканей заменяется изменением температуры нагреваемого резистора, что упрощает построение аппаратуры. На нагреваемом резисторе установлен преобразователь «температура-напряжение» (T/U). Напряжение с выхода преобразователя поступает на усилитель (У) и, далее, на переключатель режимов К (не путать с ключом!), а затем на аналого-цифровой преобразователь (АЦП), служащий для связи с ПЭВМ.
Для измерения температуры кожи применен бесконтактный (дистанционный) метод измерений. Инфракрасный датчик температуры (Дик) состоит из оптической системы, формирующей поле обзора поверхности, механического прерывателя потока лучей, тела сравнения, нагретого до температуры опорного тела, и радиометрической части.
Благодаря действию механического прерывателя 24 раза в секунду происходит сравнение температуры кожи и тела сравнения (опорного тела). Результаты измерения поступают в виде постоянного напряжения на переключатель режимов К и, далее, на общий АЦП. В ПЭВМ осуществляются операции фиксации данных пациента, анамнеза и измерений температуры, привязанных к позиции датчиков. Данные по температуре обрабатываются и могут быть отображены на мониторе или принтере в виде термограммы или в виде поля температур.