人体温度数字式无线检测微机电系统的设计与研制
0 引言
目前医学上热疗法在癌症治疗方面正获得越来越多的应用,热疗法在治疗时通过加热人体局部部位从而将癌细胞消灭[1]。热疗法的关键在于加热温度的控制。在治疗人体内部的病灶时,人体内部的加热温度是很难测量的。如果可以精确测量体内温度,热疗法就能发挥最大的疗效。因此进行人体内部温度的监测技术研究有着实际的意义。
本文研究的是微机电系统对人体内部温度参数的测量技术。在医学临床应用上常常需要进行多参数的协同测量,而目前的报道多数是集中在模拟方式的多参数遥测系统,模拟系统的数据采集及数据传输方式相比数字方式需要更多的分离元件来完成,系统的体积会较大。本文提出了以单片机作为人体内部参数测量系统的数据处理核心,数字式无线测量体内温度的方法。
1 温度传感器的选择与设计
本文提出的人体温度无线检测系统温度采集部分装入到可吞服的胶囊中,检测时由患者吞服,胶囊测量体内温度后将数据发送到体外,由计算机接收并进行处理。要进行温度的检测就必须用到温度传感器。很多温度传感器都可以被用来进行人体温度监测,但是并非所有温度传感器都可以用于体内温度检测系统,所以有必要对这些温度传感器进行比较,找出适合的传感器。由于某些材料的物理特性会随着环境温度的变化发生相应的变化,所以可以利用这些特性将环境温度的变化转换成电参数的变化,从而制成各种不同的温度传感器。
1. 1 金属热电偶传感器
金属热电偶传感器是指由一对不同金属材料所组成的电极。其测量温度的原理是: 当将两种不同的金属材料做成的电极接触到一起组成闭合回路,并且两电极分别处在不同的温度环境时,则该回路中就会产生温差电动势。温差电动势取决于两种金属材料和温度差。
根据最小二乘法拟合热电偶的温度和电动势之间的关系,经过简化热电偶的温差电动势 E 可表示为:
式中: α、β 均为由构成热电偶材料所决定的常数,V / ( ℃ )2; T1为被测温度,℃; T2为参比温度,℃,通常令 T2= 0℃ 。
根据式( 1) ,若温差电动势已知,并且参比温度也确定,则被测温度就可以被精确地计算出来。热电偶的优点是热电偶时间常数小,响应时间快,热稳定性好,具有较好的互换性和线性,构造简单,制作容易,测量温度范围宽。缺点是热电偶工作时需要确定参比电极的温度值,并且参比电极测得的温度准确性对温度测量的精确度影响很大; 热电偶的电动势小,灵敏度低,需要稳定性高的直流放大器来配合使用。而进行人体内部温度监测,需要考虑利用最小系统来完成,在体内的胶囊中很难再安排参比电极和直流放大器,所以不可能采用热电偶作为温度传感器。
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