基于TRIZ理论的医用人体测温仪器的发展进化分析

唐文韬 赵新军 姜宇翔

一、引言

当前，新冠病毒在全球范围内肆虐，对其诊断的一个主要参数就是测量和检测人体的温度。体温是人体基本生命体征之一，是能够反映人体健康状况的重要指标。在临床上，会将身体产生一系列温度的变化作为重要的参考，因此对体温测量的准确性直接影响到对身体健康状况的诊断、治疗和护理，这就要求温度测量仪器具有较高的准确性、安全性和时效性;本文结合TRIZ理论的技术发展演变，归纳出医用人体测温仪器的产品进化史，剖析其技术产生、工作原理和发展路径，探索人体医用测温仪器未来的发展方向，为未来产品的创新设计提供具有参考价值的建议。

二、医用人体测温仪器的诞生和发展

1593年，意大利科学家伽利略发明了世界上第一支温度计，采用一个颈部极细的玻璃长颈瓶， 瓶中装有一半带颜色的水， 把它倒过来放在碗里， 碗里也会有同样颜色的水，随着温度的变化， 瓶中所包含的空气便会收缩或膨胀， 颈中的水柱就会上升或下降。1632年，法国物理学家雷伊第一个改进伽利略的温度计，他将伽利略的装置倒转过来，将水注入玻璃泡内，而将空气留在玻璃管中，仍然用玻璃管内水柱的高低来表示温度的高低，由于这项改进使水成为了测温物质。1714年，荷兰科学家华伦海特将感温液体改为水银，制作出第一支实用的水银温度计，同时制定了华氏温标，但是因其体积较大并且使用不便，未能被医生广泛使用。直到1865年，英国阿尔伯特发明了一种特殊结构的玻璃温度计，这种温度计的结构特点是储存水银的感温泡和细管之间有狭道，当温度计接触人体，水银上升至人体实际体温处时取出，水银柱下降而狭道处断开使狭道上部分始终保持体温度数，此种温度计受到临床欢迎而普及，医用人体测温仪器就此诞生，一直沿用至今;20世纪70年代左右，随着电子信息技术的快速发展，临床除了使用传统的水银温度计外，还出现了电子温度计、红外额温仪和红外热成像仪等测量仪器。

1.水银温度计

水银温度计（见图1）的结构主要由装有水银的感温泡、玻璃毛细管和刻度标尺组成，采用热胀冷缩效应的测温原理，由于水银温度计的感温泡容积比上面细管的容积大的多，当泡里的水银受到体温影响时会产生膨胀，使管内水银柱的长度发生明显的变化，当与体温平衡时，水银柱恒定，从而达到测量目的。

2. 电子温度计

电子温度计（见图2）主要由感温头、量温棒、显示屏、开关按键以及电池等构成，电子温度计是利用温度传感器输出电信号，直接输出数字信号或者再将电流信号（模拟信号）转换成被内部集成的电路识别的数字信号，然后通过显示器（如液晶、数码管、LED矩阵等）显示以数字形式的温度，能记录、读取被测温度的最高值。电子温度计最核心的元件就是感知温度的温度传感器，常见的温度传感器主要是以下几种：热电阻传感器、热敏电阻传感器、热电偶温度传感器和集成温度传感器。

3. 红外额温计

红外额温计（见图3）的基本工作原理是一切温度高于绝对零度的物体均会依据其本身温度的高低发射一定比例的红外辐射能量，辐射能量的大小及其波长的分布与物体表面温度关系密切;所以根据此原理，红外额温计可以通过测量人体额头的红外辐射获得测量数据，额头的红外辐射通过其体温仪上的光学器件进行采集，然后将此信号转换为温度信号，最后进行额头温度补偿从而计算出人体的真实体温。

4. 红外热成像仪

红外热成像仪（见图4）是将目标物体的表面温度空间分布转变成人类视线能够感知的温度分布图，通俗的讲就是将物体发出不可见红外能量转变为可见的热图像，热图像上面的颜色代表被测物体的不同温度，通过查看热图像，就可以观察到被测目标的整体温度分布状况，研究目标的发热情况，进行下一步工作的判断;其基本原理是利用红外探测器和光学成像物镜接受被测目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元件上，从而获得红外热像图。

临床上常用的人体温度测量仪器有水银温度计、电子温度计、红外额温仪和红外热成像仪。传统的水银温度计因其价格低廉且性能稳定，是目前国内使用最为广泛的测温仪器，但是因为其消毒过程繁琐、测量安全性难以保证并且损坏后对人体和环境有一定伤害和污染，所以一些国家逐渐禁售和禁止使用水银温度计，我国也存在这种临床应用的趋势，由此使用更好的测温仪器成为研究热点，对现存的四种测温仪器参数进行对比，结果如表1所示。

三、医用人体测温仪器发展中所蕴涵的TRIZ原理

医用人体测温仪器的诞生及发展为人类医疗行业做出了巨大贡献，在其诞生和发展过程中体现出了很多TRIZ理论中的发明创造原理，技术进步使得医用测温仪器在功能上進一步完善和提高，基本满足了临床上的使用。

在医用人体测温仪器的工作原理上，从最早的水银温度计工作原理分析，是将外部温度通过玻璃传递给水银，并依据水银的热膨胀来测量温度;之后的电子温度计依据温度传感器输出电信号原理来测量温度;最新的红外额温仪和红外热成像仪靠人体发射红外辐射能量原理来测量外部温度。其进化过程基于能量传递法则，在能量传递过程中，能量场的可控性是不同的，从高到低排序为辐射场、磁场、电场、化学场、热场、声场、机械场、重力场，温度计由早期不易控制的热场（水银温度计），改进为电场（电子温度计），最终改进为最易控制的辐射场（红外额温仪和红外热成像），这一系列改进则是体现了TRIZ理论的机械系统替代原理，以保证医用测温仪器的测量结果的准确性和稳定性，同时不易受到外部环境的干扰。

在医用人体测温仪器的交互方式上，通常水银温度计在临床上测量体温时，是基本满足使用要求，但是在其他特定的环境下，还存在一些问题，例如人们在使用水银温度计读数时需要观察水银的位置与所处的刻度尺对比来完成读数，但是在光线较暗的环境下，人们不能顺利的完成读数操作，或者操作人员视力较差，难以观察刻度尺从而完成不了读数，所以在医用人体测温仪器的交互设计上还需要进行一部分改进，在之后的电子温度计和红外额温仪中出现了更加人性化的交互设计，如用电子显示屏来显示测量数据和语音播报测量温度功能，将测量结果反馈给测量人员，同时红外热成像仪在反馈测温结果上更智能化，将人体温度直接实时图像展示，并根据不同的颜色来表示人体温度的高低，增加交互方式的多样性。在其发展过程中，设计师运用了TRIZ理论中反馈和改变颜色的原则应用在医用人体测温仪器的交互设计上，使得测量人员更方便地获得测量数据。

在医用测温仪器的操作方面上，传统的水银温度计在临床上使用较为普遍，但其操作过程较为繁琐，需要经过复位、消毒、测量、读数等一系列操作，在整个测量过程中，都需要人来进行操作;由于发热传染病的频发，需要对大量人员进行体温检测，所以水银温度计在使用过程中不能满足需求，因此运用TRIZ理论中的自服务原则，发明了紅外额温仪，减少机械性和重复性的人工介入，只需手持测温仪对准被测对象之后便可以直接显示测量结果，增强了测量效率。

四、医用人体测温仪器的未来发展方向分析

体温测量是临床最常见的基础医疗工作，尤其在诊断发热传染病时，体温测量结果具有重要的参考价值，因此对医用人体测温仪器的功能需求需要逐渐完善，为医护人员在准确、及时的完成体温测量的同时，以保证工作的质量和效率，并且避免医患之间的交叉感染。依据上面的分析，并结合TRIZ的发明原理和技术进化规律，认为未来医用人体测温仪器的发展趋势将会有以下几个方向。

1.所有的技术系统都是沿着提高其理想度，向最理想系统的方向进化，医用人体测温仪器在临床上应用最理想的状态是测量精准、使用安全并且测量效率高，但是人体温度变化的影响因素较多，首先温度具有机体的内部温度、深度温度及表层温度之分，同时深度温度不易测试，临床上一般用腋窝、额头、口腔、直肠等处温度来代表人体温度。其次测量环境的不同对人体体温的测量准确性也具有一定的影响，同时被测人员的运动状态使得体温测量也具有一定的误差。随着技术系统的不断进化，医用测温仪器也会最终向理想解的方向进化，所以在未来的医用人体测温仪器可以不受外部环境影响，判断被测对象的生理状态，在医护人员不接触被测人员时快速准确的测量出人体的深度温度。

2.随着人工智能和生物医学的不断发展，医用测温仪器必将顺应时代的发展，逐渐智能化，基于向超系统进化法则分析，技术系统的进化到极限时，就会将原有的技术系统与另外的一个或者多个进行组合，形成一个新的技术系统。医用人体测温仪器在原先的技术系统只能进行体温测量，未来医用测温仪器将会往多元化和智能化方向发展，医用测温仪器不仅仅可以进行体温测量，同时还具备测量血压、心率和呼吸等多元化的功能集成，并且医用测温仪器还将测量、分析、报警和存储等智能化功能集成一体，向着多功能、集成一体化的方向发展。

3.对现有测温技术的文献查找中发现，可埋入式无线遥测体温计是未来医用测温仪器的主要发展方向之一，此项技术在国内研究较少，主要通过将测温模块和信号模块集成到芯片中，将芯片注入到生物体内，实时检测体温变化和其他身体机能状况，同时将数据信息传送到终端设备进行数据分析，随着计算机技术的不断发展，基于大数据的计算处理和分析可以对身体健康状况进行智能诊断。在现阶段，此类设想已经在动物体内实验成功，相信在不久的将来，随着芯片技术的不断发展，能够将芯片技术应用到人体中，从而实现体温测量最理想的方式。

五、结论

在人工智能技术的浪潮下，医用人体测温仪器的智能化是发展的必然趋势，通过对其技术发展和演变的分析，归纳出医用人体测温仪器的工作原理和发展历程都包含了较多的TRIZ原理，但是自温度计的诞生，从水银温度计到红外热成像仪，一直都是并存的，没有一款温度计可以符合所有需求，所以医用测温仪器还需要不断发展，因此提出医用测温仪器的创新设想。随着智能制造技术的推广 ，医用测温仪的技术发展主要从以下四个方面作为参考方向：从人体外部测量进化为人体内部测量;从人体单一部位测量进化到人体全身温度测量;从短暂性测量体温进化为实时监测体温;从测温单一技术系统进化为多功能集成系统等。

参考文献

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