基于仿真模型的電子體溫計審查關注點探究

劉炳銳，李烜，張曉光

天津市醫(yī)療器械審評查驗中心，天津 300191

引言

體溫是人體最重要的生命體征之一，也是衡量人體健康狀況的一項重要指標[1]。體溫測量結果是判斷人體是否出現(xiàn)失溫或發(fā)熱的關鍵依據(jù)[2]，該項指標對臨床醫(yī)生的診斷和治療工作具有重要意義。在日常生活中，測量體溫不受空間和醫(yī)學背景限制，操作較簡單，但由于操作錯誤、測量位置不正確、測量部位有汗?jié)n等原因，測量結果可能存在較大差異，進而影響臨床診療過程。

傳統(tǒng)體溫測量通常使用水銀體溫計，其雖具有測量準確、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點，但測量結果需要人工估讀，誤差較大，同時存在汞污染的潛在危害，目前國家已批準實施《關于汞的水俁公約》[3]，并要求2026年起禁止生產(chǎn)含汞體溫計。隨著科技進步和水銀體溫計數(shù)量的降低，醫(yī)用電子體溫計（以下簡稱電子體溫計）、額溫計、紅外耳溫計、變色體溫計[4]和其他無汞的玻璃體溫計等體溫測量設備已逐步占領市場。一些監(jiān)護設備同樣具有體溫測量的功能。大量研究者對不同類型體溫計的臨床應用情況進行了比較，結果表明電子體溫計具有測量精度高、測量時間短、使用方便等優(yōu)點，但在實際使用過程中，電子體溫計仍存在測溫不準確的問題[5-8]。

目前電子體溫計按照第Ⅱ類醫(yī)療器械進行管理，其根據(jù)接觸人體方式、結構組成、測量原理、測量部位、數(shù)據(jù)傳輸方式等不同，可以分為不同類型。本文主要探究的電子體溫計類型為通過間歇接觸監(jiān)控患者體溫，在結構上溫度探頭和電路不可分離（即一體式）[9]。雖然電子體溫計有諸多優(yōu)點，但也存在除設備本身導致測量不準確的因素，如田露嬌[10]從電子體溫計檢定角度，系統(tǒng)分析檢定過程中測量的不確定因素。本文主要從技術審評和質量管理體系現(xiàn)場檢查過程中，對體溫測量部位、產(chǎn)品內部導熱性、外界環(huán)境干擾（針對貼于體表測溫的產(chǎn)品）等測溫影響因素的角度進行分析，并以審評查驗工作為出發(fā)點，利用有限元仿真分析方法，根據(jù)雙通道熱量流動模型原理建立仿真模型，對體溫測量部位、產(chǎn)品內部導熱性、外界環(huán)境干擾這3個測溫影響因素進行分析，旨在為電子體溫計的技術審評和查驗工作提供參考依據(jù)。

1 方法原理

人體體表溫度和體內溫度存在明顯的差異。體溫測量的“金標準”是核心溫度，最佳位點一般認為是肺動脈溫度[11]。在大多數(shù)臨床條件下，有創(chuàng)的體內測溫并不適用，一般采用無創(chuàng)體溫計進行初診或分診[12]。劉博等[13]總結了一些國內外人體核心溫度無創(chuàng)監(jiān)測方法的研究現(xiàn)狀，并將核溫測量方法分為直接測量和間接估算兩大類，其中間接估算方法是指監(jiān)測體表溫度，通過建模估測人體核心溫度[13]，包括零熱流模型[14-15]、單通道熱量流動模型[16-17]、雙通道熱量流動模型[18]等。基于零熱流模型的核心溫度檢測裝置需要加熱器裝置和交流供電，能耗較高[19]。與零熱流模型相比，單通道熱量流動模型和雙通道熱量流動模型更適合用于仿真人體皮膚及皮下組織熱量向傳熱體傳遞的過程，其原理示意圖如圖1所示。單通道熱量流動模型中，假設系統(tǒng)無熱源且人體核心溫度（Tcore）恒定。如圖1中的熱流通路1，熱流從人體內部經(jīng)皮膚和皮下組織層（如脂肪層）流過傳熱體，直至整個系統(tǒng)傳熱達到穩(wěn)態(tài)[19]，見公式（1）。因人的體型不同、測量部位不同，RS值也隨之變化，且難以直接測量。因此，在單通道熱量流動模型中，需要提前計算對應部位的熱阻值。雙通道熱量流動模型在單通道熱量流動模型基礎上引入了熱流通路2，Tcore計算方式如公式（2）所示。雙通道熱量流動模型利用兩條熱流通路，實現(xiàn)對人體核心溫度的估算，可以避免單通道熱量流動模型中皮膚及皮膚組織熱阻的影響。本文主要基于雙通道熱量流動原理，建立仿真模型進行分析。

圖1 單通道熱量流動模型和雙通道熱量流動模型原理示意圖

式中，T1、T2分別為皮膚和傳熱體上表面的溫度；RS、R1分別為皮膚及皮下組織、傳熱體的熱阻。

式中，K=R1/R2，由于兩傳熱體材料一致，K值與兩傳熱體高度比相等。

2 仿真分析及結果

Huang等[20]基于雙通道熱量流動模型原理，利用COMSOL Multiphysics軟件對其設計的溫度計進行了仿真分析，并予以優(yōu)化，之后大量研究者利用該軟件的傳熱模塊對人體或被測部位、核心溫度測量傳感器進行了仿真分析[19,21-23]。本文基于上述研究，建立一個核心溫度測量模型，并分別對測量部位與測溫時間的關系、導熱性能與測溫時間的關系、外殼是否應隔熱3個問題進行分析。

2.1 有限元模型建立

本文根據(jù)研究內容建立有限元模型，如圖2所示，聯(lián)系實際情況，建立的人體部分模型（長方體）從上至下分為皮膚層、脂肪層和骨骼層3層結構，每層長×寬×高為80 mm×48 mm×4 mm（初始值）。通過調節(jié)脂肪層的厚度，模擬人體不同的測溫部位。根據(jù)雙通道熱量流動模型需要，在皮膚層上建立不同高度的傳熱體（圓柱體），直徑為17 mm，兩傳熱體高度初始值為別為4、10 mm。通過調節(jié)兩傳熱體的高度及高度比，模擬導熱性能的差異。此外從材料庫中為各層組織和傳熱體定義材料及其屬性，見表1。

圖2 幾何模型

表1 各層組織和傳熱體熱屬性參數(shù)[19]

為設置仿真模型生物傳熱物理場，本文引入基于Pennes近似的生物熱方程描述生物組織內傳熱，其中血液密度為1000 kg/m3，動脈血液溫度為310.15 K，血液比熱容為4200 J/（kg·K），代謝熱源為0。此后，為與外界環(huán)境接觸的皮膚層表面和傳熱體表面均定義了表面對環(huán)境輻射和熱通量的邊界條件，其中環(huán)境溫度初始值為299.15 K。未暴露在環(huán)境的人體組織各層表面則為熱絕緣層。傳熱體初始溫度與外界環(huán)境一致，骨骼層初始溫度與核心溫度一致為310.15 K，脂肪層、皮膚層在核溫基礎上遞減并高于外界環(huán)境溫度。本文利用物理場控制網(wǎng)格劃分后，采用仿真軟件進行求解計算，同時對傳熱體上、下底面中心的溫度進行監(jiān)測。該模型求解的溫度分布如圖3所示。

圖3 溫度分布

2.2 測量部位

GB/T 21416-2008[24]中雖然對電子體溫計測量部位提出了要求，但并未對測量部位進行絕對的限制。目前應用較廣泛的棒式電子體溫計通常放置于人體的口腔、腋下、肛門等部位進行體溫測量。近年來，通過凝膠等方式將產(chǎn)品貼于人體體表（如胸口、腋下）的電子體溫計種類也越來越多。測量部位不同，其皮膚及皮下組織的厚度也存在差異，如額頭脂肪組織較其他部位少，基于此，本文首先對不同厚度的脂肪層h脂進行測試，同時記錄K、Tcore以及監(jiān)測傳熱體上下表面的4個溫度。如圖4所示，根據(jù)公式（2）計算的K估計值（Ke）與真實值基本相等，驗證了模型的準確性；同時，根據(jù)仿真統(tǒng)計結果，脂肪層厚度從初始值4 mm每增加2 mm，達到穩(wěn)態(tài)時間相應地增加3 min，表明脂肪層厚度會影響測溫時間，即測溫時應根據(jù)測量部位確定測溫時間。

圖4 不同脂肪厚度時的仿真結果

2.3 導熱膠量

在對體溫測量設備的現(xiàn)場檢查過程中發(fā)現(xiàn)某些企業(yè)會在測溫傳感器（常見為熱敏電阻）處通過涂導熱膠以加強導熱性，從而減少溫度向外界的傳遞，保證穩(wěn)定地測量溫度。然而，針對點膠這一生產(chǎn)工藝，不同企業(yè)使用的方法存在差異，且質量控制程度也存在較大差異，如部分企業(yè)通過經(jīng)驗證的設備及工藝參數(shù)進行點膠，部分企業(yè)憑經(jīng)驗和未計量的工具進行點膠。在本文的模型中，針對不同的傳熱體高度，對測溫過程進行分析。當兩個傳熱體（傳熱體1和傳熱體2）高度比值一定，即K不變時，隨著傳熱體高度增加，達到穩(wěn)態(tài)的時間也隨之非線性增加，且增加量與傳熱體高度有關。當傳熱體2高度不變時，達到穩(wěn)態(tài)時間隨傳熱體1的高度增大而增加。表明涂抹的導熱膠量影響產(chǎn)品的測溫時間。由于企業(yè)涂抹導熱膠的位置和選擇導熱膠種類存在明顯差異，對測溫時間和精度的影響也不相同，所以企業(yè)應在設計轉換過程中對膠量進行驗證，生產(chǎn)過程中應對生產(chǎn)工藝的穩(wěn)定性進行控制。

2.4 外界環(huán)境干擾

外界環(huán)境尤其室內環(huán)境通常低于人體溫度，可能會影響體溫測量結果。在對貼式電子體溫計的現(xiàn)場檢查過程中，關注到企業(yè)對產(chǎn)品結構的設計和外殼材料的選擇有所不同。部分產(chǎn)品外殼較厚，可以有效隔絕熱量向外的傳遞；而部分產(chǎn)品較輕薄舒適，厚度小至1 mm，材料易于傳熱，但同樣也更容易散熱。企業(yè)通常不會在恒溫室內對貼式電子體溫計進行研發(fā)或檢驗，因此討論外界環(huán)境是否會對貼式電子體溫計測量過程產(chǎn)生影響很有必要。本文通過在兩個傳熱體外部加入1個長方體隔熱罩（材料為閉孔泡沫材料）模擬隔熱設計，其溫度分布如圖5所示。經(jīng)仿真，有隔熱罩（或無隔熱罩）模型在不同環(huán)境溫度條件下進入穩(wěn)態(tài)時間接近，但環(huán)境溫度越低，穩(wěn)態(tài)時傳熱體上監(jiān)測位置的溫度越低。相同環(huán)境溫度下，無隔熱罩模型進入穩(wěn)態(tài)的時間要比有隔熱罩的模型長2 min左右。因此，如果產(chǎn)品外殼薄且選用隔熱性能差的材料，企業(yè)需考慮測溫過程中可能會受到外界環(huán)境的影響，應測試產(chǎn)品在不同外界溫度影響下不同測量時間的結果，進而獲得更為準確的測溫擬合曲線。

圖5 帶有隔熱罩模型（透明視圖）的溫度分布

3 討論

當前電子體溫計產(chǎn)品的審評依據(jù)主要為標準GB/T 21416-2008[24]及《醫(yī)用電子體溫計注冊技術審查指導原則（2017年修訂版）》[25]，檢查依據(jù)主要為《醫(yī)療器械生產(chǎn)質量管理規(guī)范》[26]及其指導原則。隨著電子體溫計市場占有量和種類的增多，加強對新產(chǎn)品類型的審評和檢查很有必要。本文根據(jù)仿真結果，對上述審評和檢查依據(jù)進行細化和補充，提出醫(yī)療器械審評查驗時的3個關注內容：① 在技術審評時，審評員應當充分考慮產(chǎn)品測量部位對體溫估算的影響，不同的測量部位，其皮下組織的厚度不同，測溫時間和精度不同，技術審評員應建議企業(yè)在注冊申報提交的說明書、研究資料等材料中體現(xiàn)測量部位、具體測量方法、測量結果含義，以及測量時間的驗證資料等；② 檢查員在現(xiàn)場檢查過程中應當關注產(chǎn)品生產(chǎn)工藝及關鍵工藝參數(shù)的驗證或確認報告，如企業(yè)通過涂導熱膠加強測溫傳感器或探頭內部的導熱性，應當對膠量進行設計驗證，并在生產(chǎn)過程中進行質量控制，根據(jù)產(chǎn)品結構和生產(chǎn)工藝，審評員可結合申報產(chǎn)品現(xiàn)場檢查情況，建議企業(yè)提交相應的研究資料，進而判斷內部導熱是否穩(wěn)定；③ 審評員和檢查員應關注電子體溫計產(chǎn)品測溫是否易受外界溫度的影響，現(xiàn)場檢查時，應重點關注產(chǎn)品的原材料選擇、結構設計（如傳感器的位置）、隔熱設計等，必要時，企業(yè)應在注冊過程中提供外界環(huán)境對精度和重復性有影響的驗證資料。本文僅分析了電子體溫計的審評查驗時關注的內容，后續(xù)的研究中，還將針對具有人體體溫測量功能的智能穿戴設備產(chǎn)品進行分析，進一步探討此類產(chǎn)品通過醫(yī)療器械審批的要求。

4 結論

本文基于雙通道熱量流動模型原理，結合仿真分析方法對測量部位、內部導熱性和外界環(huán)境干擾3個測溫影響因素進行了分析。仿真結果和分析總結的審評查驗關注點，可應用于第Ⅱ類醫(yī)療器械電子體溫計產(chǎn)品的技術審評、現(xiàn)場檢查等工作，為電子體溫計產(chǎn)品有效性提供了一定的保障。