基于TRIZ理論的醫(yī)用人體測溫儀器的發(fā)展進(jìn)化分析

唐文韜 趙新軍 姜宇翔

一、引言

當(dāng)前，新冠病毒在全球范圍內(nèi)肆虐，對其診斷的一個(gè)主要參數(shù)就是測量和檢測人體的溫度。體溫是人體基本生命體征之一，是能夠反映人體健康狀況的重要指標(biāo)。在臨床上，會(huì)將身體產(chǎn)生一系列溫度的變化作為重要的參考，因此對體溫測量的準(zhǔn)確性直接影響到對身體健康狀況的診斷、治療和護(hù)理，這就要求溫度測量儀器具有較高的準(zhǔn)確性、安全性和時(shí)效性;本文結(jié)合TRIZ理論的技術(shù)發(fā)展演變，歸納出醫(yī)用人體測溫儀器的產(chǎn)品進(jìn)化史，剖析其技術(shù)產(chǎn)生、工作原理和發(fā)展路徑，探索人體醫(yī)用測溫儀器未來的發(fā)展方向，為未來產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供具有參考價(jià)值的建議。

二、醫(yī)用人體測溫儀器的誕生和發(fā)展

1593年，意大利科學(xué)家伽利略發(fā)明了世界上第一支溫度計(jì)，采用一個(gè)頸部極細(xì)的玻璃長頸瓶， 瓶中裝有一半帶顏色的水， 把它倒過來放在碗里， 碗里也會(huì)有同樣顏色的水，隨著溫度的變化， 瓶中所包含的空氣便會(huì)收縮或膨脹， 頸中的水柱就會(huì)上升或下降。1632年，法國物理學(xué)家雷伊第一個(gè)改進(jìn)伽利略的溫度計(jì)，他將伽利略的裝置倒轉(zhuǎn)過來，將水注入玻璃泡內(nèi)，而將空氣留在玻璃管中，仍然用玻璃管內(nèi)水柱的高低來表示溫度的高低，由于這項(xiàng)改進(jìn)使水成為了測溫物質(zhì)。1714年，荷蘭科學(xué)家華倫海特將感溫液體改為水銀，制作出第一支實(shí)用的水銀溫度計(jì)，同時(shí)制定了華氏溫標(biāo)，但是因其體積較大并且使用不便，未能被醫(yī)生廣泛使用。直到1865年，英國阿爾伯特發(fā)明了一種特殊結(jié)構(gòu)的玻璃溫度計(jì)，這種溫度計(jì)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是儲(chǔ)存水銀的感溫泡和細(xì)管之間有狹道，當(dāng)溫度計(jì)接觸人體，水銀上升至人體實(shí)際體溫處時(shí)取出，水銀柱下降而狹道處斷開使狹道上部分始終保持體溫度數(shù)，此種溫度計(jì)受到臨床歡迎而普及，醫(yī)用人體測溫儀器就此誕生，一直沿用至今;20世紀(jì)70年代左右，隨著電子信息技術(shù)的快速發(fā)展，臨床除了使用傳統(tǒng)的水銀溫度計(jì)外，還出現(xiàn)了電子溫度計(jì)、紅外額溫儀和紅外熱成像儀等測量儀器。

1.水銀溫度計(jì)

水銀溫度計(jì)（見圖1）的結(jié)構(gòu)主要由裝有水銀的感溫泡、玻璃毛細(xì)管和刻度標(biāo)尺組成，采用熱脹冷縮效應(yīng)的測溫原理，由于水銀溫度計(jì)的感溫泡容積比上面細(xì)管的容積大的多，當(dāng)泡里的水銀受到體溫影響時(shí)會(huì)產(chǎn)生膨脹，使管內(nèi)水銀柱的長度發(fā)生明顯的變化，當(dāng)與體溫平衡時(shí)，水銀柱恒定，從而達(dá)到測量目的。

2. 電子溫度計(jì)

電子溫度計(jì)（見圖2）主要由感溫頭、量溫棒、顯示屏、開關(guān)按鍵以及電池等構(gòu)成，電子溫度計(jì)是利用溫度傳感器輸出電信號，直接輸出數(shù)字信號或者再將電流信號（模擬信號）轉(zhuǎn)換成被內(nèi)部集成的電路識(shí)別的數(shù)字信號，然后通過顯示器（如液晶、數(shù)碼管、LED矩陣等）顯示以數(shù)字形式的溫度，能記錄、讀取被測溫度的最高值。電子溫度計(jì)最核心的元件就是感知溫度的溫度傳感器，常見的溫度傳感器主要是以下幾種：熱電阻傳感器、熱敏電阻傳感器、熱電偶溫度傳感器和集成溫度傳感器。

3. 紅外額溫計(jì)

紅外額溫計(jì)（見圖3）的基本工作原理是一切溫度高于絕對零度的物體均會(huì)依據(jù)其本身溫度的高低發(fā)射一定比例的紅外輻射能量，輻射能量的大小及其波長的分布與物體表面溫度關(guān)系密切;所以根據(jù)此原理，紅外額溫計(jì)可以通過測量人體額頭的紅外輻射獲得測量數(shù)據(jù)，額頭的紅外輻射通過其體溫儀上的光學(xué)器件進(jìn)行采集，然后將此信號轉(zhuǎn)換為溫度信號，最后進(jìn)行額頭溫度補(bǔ)償從而計(jì)算出人體的真實(shí)體溫。

4. 紅外熱成像儀

紅外熱成像儀（見圖4）是將目標(biāo)物體的表面溫度空間分布轉(zhuǎn)變成人類視線能夠感知的溫度分布圖，通俗的講就是將物體發(fā)出不可見紅外能量轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姷臒釄D像，熱圖像上面的顏色代表被測物體的不同溫度，通過查看熱圖像，就可以觀察到被測目標(biāo)的整體溫度分布狀況，研究目標(biāo)的發(fā)熱情況，進(jìn)行下一步工作的判斷;其基本原理是利用紅外探測器和光學(xué)成像物鏡接受被測目標(biāo)的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測器的光敏元件上，從而獲得紅外熱像圖。

臨床上常用的人體溫度測量儀器有水銀溫度計(jì)、電子溫度計(jì)、紅外額溫儀和紅外熱成像儀。傳統(tǒng)的水銀溫度計(jì)因其價(jià)格低廉且性能穩(wěn)定，是目前國內(nèi)使用最為廣泛的測溫儀器，但是因?yàn)槠湎具^程繁瑣、測量安全性難以保證并且損壞后對人體和環(huán)境有一定傷害和污染，所以一些國家逐漸禁售和禁止使用水銀溫度計(jì)，我國也存在這種臨床應(yīng)用的趨勢，由此使用更好的測溫儀器成為研究熱點(diǎn)，對現(xiàn)存的四種測溫儀器參數(shù)進(jìn)行對比，結(jié)果如表1所示。

三、醫(yī)用人體測溫儀器發(fā)展中所蘊(yùn)涵的TRIZ原理

醫(yī)用人體測溫儀器的誕生及發(fā)展為人類醫(yī)療行業(yè)做出了巨大貢獻(xiàn)，在其誕生和發(fā)展過程中體現(xiàn)出了很多TRIZ理論中的發(fā)明創(chuàng)造原理，技術(shù)進(jìn)步使得醫(yī)用測溫儀器在功能上進(jìn)一步完善和提高，基本滿足了臨床上的使用。

在醫(yī)用人體測溫儀器的工作原理上，從最早的水銀溫度計(jì)工作原理分析，是將外部溫度通過玻璃傳遞給水銀，并依據(jù)水銀的熱膨脹來測量溫度;之后的電子溫度計(jì)依據(jù)溫度傳感器輸出電信號原理來測量溫度;最新的紅外額溫儀和紅外熱成像儀靠人體發(fā)射紅外輻射能量原理來測量外部溫度。其進(jìn)化過程基于能量傳遞法則，在能量傳遞過程中，能量場的可控性是不同的，從高到低排序?yàn)檩椛鋱?、磁場、電場、化學(xué)場、熱場、聲場、機(jī)械場、重力場，溫度計(jì)由早期不易控制的熱場（水銀溫度計(jì)），改進(jìn)為電場（電子溫度計(jì)），最終改進(jìn)為最易控制的輻射場（紅外額溫儀和紅外熱成像），這一系列改進(jìn)則是體現(xiàn)了TRIZ理論的機(jī)械系統(tǒng)替代原理，以保證醫(yī)用測溫儀器的測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，同時(shí)不易受到外部環(huán)境的干擾。

在醫(yī)用人體測溫儀器的交互方式上，通常水銀溫度計(jì)在臨床上測量體溫時(shí)，是基本滿足使用要求，但是在其他特定的環(huán)境下，還存在一些問題，例如人們在使用水銀溫度計(jì)讀數(shù)時(shí)需要觀察水銀的位置與所處的刻度尺對比來完成讀數(shù)，但是在光線較暗的環(huán)境下，人們不能順利的完成讀數(shù)操作，或者操作人員視力較差，難以觀察刻度尺從而完成不了讀數(shù)，所以在醫(yī)用人體測溫儀器的交互設(shè)計(jì)上還需要進(jìn)行一部分改進(jìn)，在之后的電子溫度計(jì)和紅外額溫儀中出現(xiàn)了更加人性化的交互設(shè)計(jì)，如用電子顯示屏來顯示測量數(shù)據(jù)和語音播報(bào)測量溫度功能，將測量結(jié)果反饋給測量人員，同時(shí)紅外熱成像儀在反饋測溫結(jié)果上更智能化，將人體溫度直接實(shí)時(shí)圖像展示，并根據(jù)不同的顏色來表示人體溫度的高低，增加交互方式的多樣性。在其發(fā)展過程中，設(shè)計(jì)師運(yùn)用了TRIZ理論中反饋和改變顏色的原則應(yīng)用在醫(yī)用人體測溫儀器的交互設(shè)計(jì)上，使得測量人員更方便地獲得測量數(shù)據(jù)。

在醫(yī)用測溫儀器的操作方面上，傳統(tǒng)的水銀溫度計(jì)在臨床上使用較為普遍，但其操作過程較為繁瑣，需要經(jīng)過復(fù)位、消毒、測量、讀數(shù)等一系列操作，在整個(gè)測量過程中，都需要人來進(jìn)行操作;由于發(fā)熱傳染病的頻發(fā)，需要對大量人員進(jìn)行體溫檢測，所以水銀溫度計(jì)在使用過程中不能滿足需求，因此運(yùn)用TRIZ理論中的自服務(wù)原則，發(fā)明了紅外額溫儀，減少機(jī)械性和重復(fù)性的人工介入，只需手持測溫儀對準(zhǔn)被測對象之后便可以直接顯示測量結(jié)果，增強(qiáng)了測量效率。

四、醫(yī)用人體測溫儀器的未來發(fā)展方向分析

體溫測量是臨床最常見的基礎(chǔ)醫(yī)療工作，尤其在診斷發(fā)熱傳染病時(shí)，體溫測量結(jié)果具有重要的參考價(jià)值，因此對醫(yī)用人體測溫儀器的功能需求需要逐漸完善，為醫(yī)護(hù)人員在準(zhǔn)確、及時(shí)的完成體溫測量的同時(shí)，以保證工作的質(zhì)量和效率，并且避免醫(yī)患之間的交叉感染。依據(jù)上面的分析，并結(jié)合TRIZ的發(fā)明原理和技術(shù)進(jìn)化規(guī)律，認(rèn)為未來醫(yī)用人體測溫儀器的發(fā)展趨勢將會(huì)有以下幾個(gè)方向。

1.所有的技術(shù)系統(tǒng)都是沿著提高其理想度，向最理想系統(tǒng)的方向進(jìn)化，醫(yī)用人體測溫儀器在臨床上應(yīng)用最理想的狀態(tài)是測量精準(zhǔn)、使用安全并且測量效率高，但是人體溫度變化的影響因素較多，首先溫度具有機(jī)體的內(nèi)部溫度、深度溫度及表層溫度之分，同時(shí)深度溫度不易測試，臨床上一般用腋窩、額頭、口腔、直腸等處溫度來代表人體溫度。其次測量環(huán)境的不同對人體體溫的測量準(zhǔn)確性也具有一定的影響，同時(shí)被測人員的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)使得體溫測量也具有一定的誤差。隨著技術(shù)系統(tǒng)的不斷進(jìn)化，醫(yī)用測溫儀器也會(huì)最終向理想解的方向進(jìn)化，所以在未來的醫(yī)用人體測溫儀器可以不受外部環(huán)境影響，判斷被測對象的生理狀態(tài)，在醫(yī)護(hù)人員不接觸被測人員時(shí)快速準(zhǔn)確的測量出人體的深度溫度。

2.隨著人工智能和生物醫(yī)學(xué)的不斷發(fā)展，醫(yī)用測溫儀器必將順應(yīng)時(shí)代的發(fā)展，逐漸智能化，基于向超系統(tǒng)進(jìn)化法則分析，技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)化到極限時(shí)，就會(huì)將原有的技術(shù)系統(tǒng)與另外的一個(gè)或者多個(gè)進(jìn)行組合，形成一個(gè)新的技術(shù)系統(tǒng)。醫(yī)用人體測溫儀器在原先的技術(shù)系統(tǒng)只能進(jìn)行體溫測量，未來醫(yī)用測溫儀器將會(huì)往多元化和智能化方向發(fā)展，醫(yī)用測溫儀器不僅僅可以進(jìn)行體溫測量，同時(shí)還具備測量血壓、心率和呼吸等多元化的功能集成，并且醫(yī)用測溫儀器還將測量、分析、報(bào)警和存儲(chǔ)等智能化功能集成一體，向著多功能、集成一體化的方向發(fā)展。

3.對現(xiàn)有測溫技術(shù)的文獻(xiàn)查找中發(fā)現(xiàn)，可埋入式無線遙測體溫計(jì)是未來醫(yī)用測溫儀器的主要發(fā)展方向之一，此項(xiàng)技術(shù)在國內(nèi)研究較少，主要通過將測溫模塊和信號模塊集成到芯片中，將芯片注入到生物體內(nèi)，實(shí)時(shí)檢測體溫變化和其他身體機(jī)能狀況，同時(shí)將數(shù)據(jù)信息傳送到終端設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，基于大數(shù)據(jù)的計(jì)算處理和分析可以對身體健康狀況進(jìn)行智能診斷。在現(xiàn)階段，此類設(shè)想已經(jīng)在動(dòng)物體內(nèi)實(shí)驗(yàn)成功，相信在不久的將來，隨著芯片技術(shù)的不斷發(fā)展，能夠?qū)⑿酒夹g(shù)應(yīng)用到人體中，從而實(shí)現(xiàn)體溫測量最理想的方式。

五、結(jié)論

在人工智能技術(shù)的浪潮下，醫(yī)用人體測溫儀器的智能化是發(fā)展的必然趨勢，通過對其技術(shù)發(fā)展和演變的分析，歸納出醫(yī)用人體測溫儀器的工作原理和發(fā)展歷程都包含了較多的TRIZ原理，但是自溫度計(jì)的誕生，從水銀溫度計(jì)到紅外熱成像儀，一直都是并存的，沒有一款溫度計(jì)可以符合所有需求，所以醫(yī)用測溫儀器還需要不斷發(fā)展，因此提出醫(yī)用測溫儀器的創(chuàng)新設(shè)想。隨著智能制造技術(shù)的推廣 ，醫(yī)用測溫儀的技術(shù)發(fā)展主要從以下四個(gè)方面作為參考方向：從人體外部測量進(jìn)化為人體內(nèi)部測量;從人體單一部位測量進(jìn)化到人體全身溫度測量;從短暫性測量體溫進(jìn)化為實(shí)時(shí)監(jiān)測體溫;從測溫單一技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化為多功能集成系統(tǒng)等。

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責(zé)編/魏曉文