耳溫計(jì)技術(shù)及耳溫計(jì)專利的發(fā)展趨勢

李曉彤

關(guān)鍵詞：普朗克黑體輻射;紅外測溫;耳溫計(jì);醫(yī)療;專利分析

一、紅外測溫優(yōu)勢

測量溫度方法有接觸測溫法和非接觸測溫法。接觸測溫法是常用的測溫方法，它主要應(yīng)用熱電元件、水銀膨脹材料或者光纖材料等作為溫度傳感元件。它們的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)操作簡單，結(jié)構(gòu)簡單，并且價格略低，但是接觸測溫法基于熱平衡的方式實(shí)現(xiàn)溫度測量，在測量溫度的時候常常要與被測物體進(jìn)行接觸，接觸的同時，也改變了被測物體的溫度場分布，對測溫有一定影響，除此之外，傳感器不易測量動態(tài)物體溫度，傳感器與高溫物體或者易腐蝕材料接觸也會給傳感器帶來誤差和影響。因此，接觸測溫法在使用時具有比較大的局限性。所以，在高溫測量領(lǐng)域中，非接觸測溫法發(fā)揮著不可替代的作用。

非接觸測溫方法主要以輻射測溫為主，同接觸測溫相比熱輻射測溫優(yōu)勢十分明顯，熱輻射測溫法不干擾溫度場，保證測量目標(biāo)能量不流失，響應(yīng)速度極快，可達(dá)到毫秒ms或微秒μs，可以測量高達(dá)3500℃的高溫，可測量痕量物質(zhì)的溫度，同時在極為惡劣的環(huán)境下可進(jìn)行測量。

二、耳溫計(jì)的歷史

1984年，世界上第一支耳溫計(jì)由大衛(wèi)？菲利普斯發(fā)明，大衛(wèi)通過測量人體耳道和鼓膜的熱輻射來測定人體溫度，使體溫測量更加方便快捷。后來美國研究者就把鼓膜溫度作為核心溫度的標(biāo)準(zhǔn)。近年來以此核心溫度為標(biāo)準(zhǔn)，研發(fā)了一系列紅外輻射式耳溫計(jì)，耳溫計(jì)通過其內(nèi)部核心元件紅外導(dǎo)波管，將人體主要由鼓膜發(fā)射出的紅外輻射能傳送到熱電堆熱電偶或者其他熱釋陣列元件等構(gòu)成的熱探測器，將紅外輻射能量轉(zhuǎn)換為電能后再轉(zhuǎn)換成電信號就得到人體溫度信息。1986年T.Shinozaki等團(tuán)隊(duì)第一次采用熱電堆元件構(gòu)成的探測器制造成了人體耳道式體溫計(jì)，隨后在美國問市。目前中國耳溫計(jì)前幾大制造商，歐姆龍（大連）有限公司，江蘇魚躍醫(yī)療設(shè)備股份有限公司，泰爾茂醫(yī)療產(chǎn)品（杭州）有限公司，廣州市倍爾康醫(yī)療器械有限公司和深圳市華盛昌科技實(shí)業(yè)股份有限公司等。

三、耳溫計(jì)的物理原理

耳溫計(jì)利用經(jīng)典物理學(xué)中量子力學(xué)、電動力學(xué)以及熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的普朗克黑體輻射定律，根據(jù)下面公式中熱輻射體的輻射特性與熱輻射體的溫度之間的函數(shù)關(guān)系，測量熱輻射體表觀溫度的輻射測溫儀表。

任何物質(zhì)只要它的溫度處于絕對零度（-273.15°C / -459.8°F）以上時，由于物體內(nèi)部帶電粒子的無規(guī)則熱運(yùn)動，以及不同波長的電磁波形式向外輻射能量，波長范圍包括紫外、可見和紅外光譜部分，但輻射能量的光譜主要集中于 0.8um-15um 的紅外光譜區(qū)域內(nèi)。即物體都會根據(jù)其溫度發(fā)射紅外輻射，稱為特征輻射。所有物體的紅外輻射能量的大小按其波長的分布規(guī)律與物體表面溫度存在非常密切的關(guān)系。

黑體輻射定律闡述了物體輻射能量與物體表面溫度的關(guān)系，是輻射測溫的理論依據(jù)。通常所說的黑體輻射定律一般包含三大定律，它們是：普朗克定律、維恩位移定律和斯特藩-波爾茲曼定律。

在物理學(xué)中，普朗克黑體輻射定律（也簡稱作普朗克定律或黑體輻射定律，英文：Planck's law，Blackbody radiation law）描述，考慮一個黑體，黑體的內(nèi)壁不斷地發(fā)射和吸收電磁波（輻射波），最后達(dá)到熱平衡。設(shè)熱輻射達(dá)到平衡時的溫度為T，在任意溫度T下，從一個黑體中發(fā)射出的電磁輻射的輻射率與頻率彼此之間的關(guān)系。

電磁波波長與頻率的關(guān)系為

普朗克定律的能量密度頻譜表達(dá)形式：

單位頻率在單位體積內(nèi)的能量，單位是焦耳/（立方米·赫茲）。對于一個黑體的輻射場，此時的能量密度可由氣體的熱力學(xué)參數(shù)決定。

其中T為黑體的溫度，h為普朗克常數(shù)，1為輻射率，e為自然對數(shù)的底數(shù)，k為玻爾茲曼常數(shù)。

四、耳溫計(jì)的應(yīng)用領(lǐng)域

耳溫計(jì)由光學(xué)系統(tǒng)（探頭）、探測器和信號處理單元及輸出顯示單元四部分組成。使用時，將紅外耳溫計(jì)探頭插入人體耳道，通過測量鼓膜及耳道熱輻射測量耳道溫度，使用耳道溫度表征人體溫度。在醫(yī)療上也可以根據(jù)人體溫度分布的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，推定人體其他部位溫度，如口腔、腋下、直腸以及一些黏膜組織溫度等。耳溫計(jì)主要應(yīng)用在醫(yī)療和生活中。近些年來，耳溫計(jì)在臨床醫(yī)療領(lǐng)域中運(yùn)用廣泛，而且近乎滲透到每個科室，比如兒科臨床醫(yī)療，呼吸科老年人住院體溫測量，精神障礙患者日常體溫測量，危重癥患者體溫測量等，這些都基于非接觸測量自身的使用方便，快速準(zhǔn)確的特點(diǎn)。

然而在生活生產(chǎn)中，耳溫計(jì)也體現(xiàn)出獨(dú)當(dāng)一面的功能作用，比如，日常生活中，孕婦、嬰孩、兒童以及老年人體溫測試時，耳溫計(jì)使用方便又安全。比如，疫情防控下，非接觸紅外測溫就可以很好規(guī)避了接觸帶來的防疫風(fēng)險，保證了人與人之間的安全距離和又避免了交叉感染。

五、耳溫計(jì)專利的發(fā)展趨勢

數(shù)據(jù)源自incopat數(shù)據(jù)庫，檢索策略為：tiabc=（耳溫計(jì)or耳溫+ or Radiation pyrome-try）or tiabc=（（耳溫 and 測）or （Radiation pyrometry） ）or ic=G01J5 or cpc= G01J5，檢索范圍：全球，公開日在2000年以后的專利，分別得出全球公開-申請趨勢圖，全球申請人排名圖，技術(shù)全球分布圖，技術(shù)中國省市分布和中國申請人構(gòu)成。

從全球耳溫計(jì)專利技術(shù)分布上看，耳溫計(jì)在醫(yī)療領(lǐng)域技術(shù)改進(jìn)占比最大，其次是紅外測溫方面的技術(shù)更新和突破，同時隨著物聯(lián)網(wǎng)和智能醫(yī)療技術(shù)的革新，耳溫計(jì)在計(jì)算存儲、圖像以及數(shù)據(jù)處理方面也有一些技術(shù)的改進(jìn)。

六、總結(jié)

從全球?qū)＠靠矗S著2010年芯片解放年，互聯(lián)網(wǎng)概念和智能醫(yī)療的趨勢，耳溫計(jì)的技術(shù)和應(yīng)用突飛猛進(jìn)，直至受2020年疫情影響，耳溫計(jì)的需求量極度增大。但是申請量和技術(shù)排名靠前的中國企業(yè)較少，同時，中國高校和科研單位的耳溫計(jì)專利申請量有望提高。

希望我們國家在電子芯片創(chuàng)新和發(fā)展的帶動下，耳溫計(jì)技術(shù)有新的飛躍和提高，同時，希望高校和科研單位注重專利申請和知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)，也注重?zé)彷椛錅y溫技術(shù)多方面的研究和改進(jìn)。在新的環(huán)境下，耳溫計(jì)產(chǎn)品能與未來智能化、大數(shù)據(jù)、健康醫(yī)療、社區(qū)醫(yī)療等方面的多元化創(chuàng)新和突破。

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