基于TRIZ理論的醫用人體測溫儀器的發展進化分析

唐文韜 趙新軍 姜宇翔

一、引言

當前，新冠病毒在全球范圍內肆虐，對其診斷的一個主要參數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。在臨床上，會將身體產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確性直接影響到對身體健康狀況的診斷、治療和護理，這就要求溫度測量儀器具有較高的準確性、安全性和時效性;本文結合TRIZ理論的技術發展演變，歸納出醫用人體測溫儀器的產品進化史，剖析其技術產生、工作原理和發展路徑，探索人體醫用測溫儀器未來的發展方向，為未來產品的創新設計提供具有參考價值的建議。

二、醫用人體測溫儀器的誕生和發展

1593年，意大利科學家伽利略發明了世界上第一支溫度計，采用一個頸部極細的玻璃長頸瓶， 瓶中裝有一半帶顏色的水， 把它倒過來放在碗里， 碗里也會有同樣顏色的水，隨著溫度的變化， 瓶中所包含的空氣便會收縮或膨脹， 頸中的水柱就會上升或下降。1632年，法國物理學家雷伊第一個改進伽利略的溫度計，他將伽利略的裝置倒轉過來，將水注入玻璃泡內，而將空氣留在玻璃管中，仍然用玻璃管內水柱的高低來表示溫度的高低，由于這項改進使水成為了測溫物質。1714年，荷蘭科學家華倫海特將感溫液體改為水銀，制作出第一支實用的水銀溫度計，同時制定了華氏溫標，但是因其體積較大并且使用不便，未能被醫生廣泛使用。直到1865年，英國阿爾伯特發明了一種特殊結構的玻璃溫度計，這種溫度計的結構特點是儲存水銀的感溫泡和細管之間有狹道，當溫度計接觸人體，水銀上升至人體實際體溫處時取出，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，此種溫度計受到臨床歡迎而普及，醫用人體測溫儀器就此誕生，一直沿用至今;20世紀70年代左右，隨著電子信息技術的快速發展，臨床除了使用傳統的水銀溫度計外，還出現了電子溫度計、紅外額溫儀和紅外熱成像儀等測量儀器。

1.水銀溫度計

水銀溫度計（見圖1）的結構主要由裝有水銀的感溫泡、玻璃毛細管和刻度標尺組成，采用熱脹冷縮效應的測溫原理，由于水銀溫度計的感溫泡容積比上面細管的容積大的多，當泡里的水銀受到體溫影響時會產生膨脹，使管內水銀柱的長度發生明顯的變化，當與體溫平衡時，水銀柱恒定，從而達到測量目的。

2. 電子溫度計

電子溫度計（見圖2）主要由感溫頭、量溫棒、顯示屏、開關按鍵以及電池等構成，電子溫度計是利用溫度傳感器輸出電信號，直接輸出數字信號或者再將電流信號（模擬信號）轉換成被內部集成的電路識別的數字信號，然后通過顯示器（如液晶、數碼管、LED矩陣等）顯示以數字形式的溫度，能記錄、讀取被測溫度的最高值。電子溫度計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

紅外額溫計（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依據其本身溫度的高低發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系密切;所以根據此原理，紅外額溫計可以通過測量人體額頭的紅外輻射獲得測量數據，額頭的紅外輻射通過其體溫儀上的光學器件進行采集，然后將此信號轉換為溫度信號，最后進行額頭溫度補償從而計算出人體的真實體溫。

4. 紅外熱成像儀

紅外熱成像儀（見圖4）是將目標物體的表面溫度空間分布轉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出不可見紅外能量轉變為可見的熱圖像，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的整體溫度分布狀況，研究目標的發熱情況，進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成像物鏡接受被測目標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、電子溫度計、紅外額溫儀和紅外熱成像儀。傳統的水銀溫度計因其價格低廉且性能穩定，是目前國內使用最為廣泛的測溫儀器，但是因為其消毒過程繁瑣、測量安全性難以保證并且損壞后對人體和環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，我國也存在這種臨床應用的趨勢，由此使用更好的測溫儀器成為研究熱點，對現存的四種測溫儀器參數進行對比，結果如表1所示。

三、醫用人體測溫儀器發展中所蘊涵的TRIZ原理

醫用人體測溫儀器的誕生及發展為人類醫療行業做出了巨大貢獻，在其誕生和發展過程中體現出了很多TRIZ理論中的發明創造原理，技術進步使得醫用測溫儀器在功能上進一步完善和提高，基本滿足了臨床上的使用。

在醫用人體測溫儀器的工作原理上，從最早的水銀溫度計工作原理分析，是將外部溫度通過玻璃傳遞給水銀，并依據水銀的熱膨脹來測量溫度;之后的電子溫度計依據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射紅外輻射能量原理來測量外部溫度。其進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，從高到低排序為輻射場、磁場、電場、化學場、熱場、聲場、機械場、重力場，溫度計由早期不易控制的熱場（水銀溫度計），改進為電場（電子溫度計），最終改進為最易控制的輻射場（紅外額溫儀和紅外熱成像），這一系列改進則是體現了TRIZ理論的機械系統替代原理，以保證醫用測溫儀器的測量結果的準確性和穩定性，同時不易受到外部環境的干擾。

在醫用人體測溫儀器的交互方式上，通常水銀溫度計在臨床上測量體溫時，是基本滿足使用要求，但是在其他特定的環境下，還存在一些問題，例如人們在使用水銀溫度計讀數時需要觀察水銀的位置與所處的刻度尺對比來完成讀數，但是在光線較暗的環境下，人們不能順利的完成讀數操作，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，所以在醫用人體測溫儀器的交互設計上還需要進行一部分改進，在之后的電子溫度計和紅外額溫儀中出現了更加人性化的交互設計，如用電子顯示屏來顯示測量數據和語音播報測量溫度功能，將測量結果反饋給測量人員，同時紅外熱成像儀在反饋測溫結果上更智能化，將人體溫度直接實時圖像展示，并根據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。在其發展過程中，設計師運用了TRIZ理論中反饋和改變顏色的原則應用在醫用人體測溫儀器的交互設計上，使得測量人員更方便地獲得測量數據。

在醫用測溫儀器的操作方面上，傳統的水銀溫度計在臨床上使用較為普遍，但其操作過程較為繁瑣，需要經過復位、消毒、測量、讀數等一系列操作，在整個測量過程中，都需要人來進行操作;由于發熱傳染病的頻發，需要對大量人員進行體溫檢測，所以水銀溫度計在使用過程中不能滿足需求，因此運用TRIZ理論中的自服務原則，發明了紅外額溫儀，減少機械性和重復性的人工介入，只需手持測溫儀對準被測對象之后便可以直接顯示測量結果，增強了測量效率。

四、醫用人體測溫儀器的未來發展方向分析

體溫測量是臨床最常見的基礎醫療工作，尤其在診斷發熱傳染病時，體溫測量結果具有重要的參考價值，因此對醫用人體測溫儀器的功能需求需要逐漸完善，為醫護人員在準確、及時的完成體溫測量的同時，以保證工作的質量和效率，并且避免醫患之間的交叉感染。依據上面的分析，并結合TRIZ的發明原理和技術進化規律，認為未來醫用人體測溫儀器的發展趨勢將會有以下幾個方向。

1.所有的技術系統都是沿著提高其理想度，向最理想系統的方向進化，醫用人體測溫儀器在臨床上應用最理想的狀態是測量精準、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，首先溫度具有機體的內部溫度、深度溫度及表層溫度之分，同時深度溫度不易測試，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。其次測量環境的不同對人體體溫的測量準確性也具有一定的影響，同時被測人員的運動狀態使得體溫測量也具有一定的誤差。隨著技術系統的不斷進化，醫用測溫儀器也會最終向理想解的方向進化，所以在未來的醫用人體測溫儀器可以不受外部環境影響，判斷被測對象的生理狀態，在醫護人員不接觸被測人員時快速準確的測量出人體的深度溫度。

2.隨著人工智能和生物醫學的不斷發展，醫用測溫儀器必將順應時代的發展，逐漸智能化，基于向超系統進化法則分析，技術系統的進化到極限時，就會將原有的技術系統與另外的一個或者多個進行組合，形成一個新的技術系統。醫用人體測溫儀器在原先的技術系統只能進行體溫測量，未來醫用測溫儀器將會往多元化和智能化方向發展，醫用測溫儀器不僅僅可以進行體溫測量，同時還具備測量血壓、心率和呼吸等多元化的功能集成，并且醫用測溫儀器還將測量、分析、報警和存儲等智能化功能集成一體，向著多功能、集成一體化的方向發展。

3.對現有測溫技術的文獻查找中發現，可埋入式無線遙測體溫計是未來醫用測溫儀器的主要發展方向之一，此項技術在國內研究較少，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，實時檢測體溫變化和其他身體機能狀況，同時將數據信息傳送到終端設備進行數據分析，隨著計算機技術的不斷發展，基于大數據的計算處理和分析可以對身體健康狀況進行智能診斷。在現階段，此類設想已經在動物體內實驗成功，相信在不久的將來，隨著芯片技術的不斷發展，能夠將芯片技術應用到人體中，從而實現體溫測量最理想的方式。

五、結論

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

參考文獻

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責編/魏曉文