转自科匠文化
二、文章简介：
本工作基于单热通量法，研制了一种集成多模态传感器的可穿戴柔性装置，该装置由七对环形排列的温度传感器、一个位于中心的热导率传感器、数据处理模块和无线通信模块组成。热导率传感器可以便携式测量人体皮肤的热导率并推导出热波穿透深度，从而可以准确、连续地测量不同条件下不同受试者的核心体温及其对应的皮下深度。该装置实现了24小时核心体温的连续监测和皮肤热导率的便携监测。通过类皮肤材料测试和人群测试评估了该装置的可行性和有效性。由于装置的超薄设计和温度传感器的环形分布设计，实现了装置内的单向导热。类皮肤材料测试表明，该装置在准确性和稳定性上与基于侵入式或运动限制工作原理的商业仪器相当。此外，通过热流分布系数的校准实现了皮肤热导率的精确测量，共形贴肤保证了温度测量的高响应性。使用我们的设备和腋下温度贴对同一受试者同时进行8小时的监测表明，两个设备的温度趋势大部分具有良好的一致性，并且我们的设备比腋窝温度贴表现出更高的响应性。相关研究成果发表于npj Flexible Electronics上。北京科技大学能源与环境工程学院博士研究生杜言博和邱琳教授为共同第一作者，能源与环境工程学院冯妍卉教授和邱琳教授为论文共同通讯作者。
本研究提出了一种新型的可穿戴柔性器件旨在实现对人体核心温度和皮肤热导率的连续监测。集成有温度传感器和热导率传感器的柔性器件可共形贴附于人体，配合可穿戴的数据处理模块和无线通信模块该器件实现了人体核心温度的连续监测和皮肤热导率的随身监测。采用PID控温的热板模拟不同的深层温度界面,采用PDMS模拟皮肤,其底部嵌入温度探头监测热板温度作为参考值Tcore，本设备的估测深层温度Tcore-esti与Tcore之差定义为Error, 4mm厚PDMS情况下Error可控制在±0.1℃。
图1. 用于人体皮肤多生理参数监测的柔性多模态设备的组成。（a） 设备的可穿戴场景图示，（b） 多模态传感器的详细结构和温度传感器的传热路径，（c）用于校准设备的类皮肤PDMS 测量场景，，（d） 本设备测得的类皮肤PDMS 核心温度与真实核心温度之间的比较（e） 测量四种类皮肤材料的热导率传感器的温升信号与时间的关系，（f） 设备的信号采集和处理单元以及详细的电路组件。
采用热流分配系数的迭代求解算法解决了人体皮肤热导率的便携测量技术难题。选取四种接近人体皮肤热导率的塑料样品验证热导率测量精度，结果表明基于瞬态热源法的非对称式热导率测量可将四种材料的测量误差控制在10%以内。
图2. 改进的皮肤热导率测量算法。（a）热通量分布系数A1的迭代求解算法。（b） 真实和经验皮肤热导率对核心温度测量误差的影响分析。（模拟）（c）真实探测深度和通用探测深度对核心温度测量误差的影响分析（模拟）。（d）A1插值数据集。（e） 热通量分布系数A1、类皮肤材料热导率 κ 和温升终值 ΔTend 之间的线性对应关系。
图3. 单热通量传感器抗环境干扰能力的有限元模拟。（a）基于单热通量法的核心温度测量模拟。（b）接触热阻对核心温度测量误差的影响。（c）皮肤表面对流换热对核心温度测量误差的影响。（d）环境温度对核心温度测量误差的影响。（e）皮肤组织血液灌注率对核心温度测量误差的影响。（f）皮肤灌注血液温度对核心温度测量误差的影响。
当类皮肤材料厚度从4.04mm增加至6.75mm,深层温度测量误差可控制在±0.25℃以内；当类皮肤材料热导率从0.18W/m·K(PDMS)增大至0.49W/m·K(HDPE),深层温度测量误差可控制在±0.35℃以内；恒定Tcore=36.5℃,令局部环境温度从30.4逐渐升至35.26℃,深层温度测量误差可控制±0.12℃以内；令Tcore从36.1逐渐升至44.2℃,局部环境温度从29.8渐升至38.4℃,深层温度测量误差可控制在±0.15℃以内。
使用该器件与腋下体温贴对受试者8小时同步监测表明两设备核心温度测量值的相关系数可达0.7以上(稳定场景下)。PDMS柔性基底对皮肤的共形贴附可有效降低两者之间的接触热阻, 因此本设备对场景切换的响应性优于腋下体温贴。
图5. 核心体温连续监测实验。（a）受试者佩戴柔性单热通量装置和腋下温度贴片的示意图。通过柔性单热通量装置和腋下温度贴片同时监测（b）受试者1，（c）受试者2，（d）受试者3和（e）受试者 4 的核心体温（8 小时）。
由于装置的超薄设计及七对温度传感器呈环状分布，有效满足器件内部的单向热传导，对4种具有代表性的不同厚度类皮肤材料进行核心温度测试表明，当核心温度从~32℃连续升高至~43℃时，该装置测量误差在±0.25℃以内。由于通过热流分配系数算法标定的传感器精确测量皮肤热导率，该装置对于3种热导率不同的双层类皮肤材料体核温度的测量误差在±0.4℃以内。当上层厚度薄至3 mm时，双层类皮肤材料体核温度测量误差可低至±0.2℃。由于PDMS柔性基底与人体皮肤的共形贴合，有效降低了两者之间的接触热阻。此外，PDMS隔板设计厚度仅为1mm，并采用液态PDMS封装方式完成上、下传感器的连接，降低接触热阻，大大缩短了与皮肤达到热平衡的时间，从而大大提高了连续监测核心温度的响应性。利用本装置与腋下温度贴对同一受试者同时进行8小时连续监测，对于5名不同皮肤状况的受试者，两种装置相关性极高(~0.8）。综上所述，本装置可实现连续、精准的核心温度监测，有望在伤口感染发热预警、运动员体能状态评估、医院辅助诊断等场景发挥重要作用。
