耳溫計技術及耳溫計專利的發展趨勢

李曉彤

關鍵詞：普朗克黑體輻射;紅外測溫;耳溫計;醫療;專利分析

一、紅外測溫優勢

測量溫度方法有接觸測溫法和非接觸測溫法。接觸測溫法是常用的測溫方法，它主要應用熱電元件、水銀膨脹材料或者光纖材料等作為溫度傳感元件。它們的優點是結操作簡單，結構簡單，并且價格略低，但是接觸測溫法基于熱平衡的方式實現溫度測量，在測量溫度的時候常常要與被測物體進行接觸，接觸的同時，也改變了被測物體的溫度場分布，對測溫有一定影響，除此之外，傳感器不易測量動態物體溫度，傳感器與高溫物體或者易腐蝕材料接觸也會給傳感器帶來誤差和影響。因此，接觸測溫法在使用時具有比較大的局限性。所以，在高溫測量領域中，非接觸測溫法發揮著不可替代的作用。

非接觸測溫方法主要以輻射測溫為主，同接觸測溫相比熱輻射測溫優勢十分明顯，熱輻射測溫法不干擾溫度場，保證測量目標能量不流失，響應速度極快，可達到毫秒ms或微秒μs，可以測量高達3500℃的高溫，可測量痕量物質的溫度，同時在極為惡劣的環境下可進行測量。

二、耳溫計的歷史

1984年，世界上第一支耳溫計由大衛？菲利普斯發明，大衛通過測量人體耳道和鼓膜的熱輻射來測定人體溫度，使體溫測量更加方便快捷。后來美國研究者就把鼓膜溫度作為核心溫度的標準。近年來以此核心溫度為標準，研發了一系列紅外輻射式耳溫計，耳溫計通過其內部核心元件紅外導波管，將人體主要由鼓膜發射出的紅外輻射能傳送到熱電堆熱電偶或者其他熱釋陣列元件等構成的熱探測器，將紅外輻射能量轉換為電能后再轉換成電信號就得到人體溫度信息。1986年T.Shinozaki等團隊第一次采用熱電堆元件構成的探測器制造成了人體耳道式體溫計，隨后在美國問市。目前中國耳溫計前幾大制造商，歐姆龍（大連）有限公司，江蘇魚躍醫療設備股份有限公司，泰爾茂醫療產品（杭州）有限公司，廣州市倍爾康醫療器械有限公司和深圳市華盛昌科技實業股份有限公司等。

三、耳溫計的物理原理

耳溫計利用經典物理學中量子力學、電動力學以及熱力學統計物理學的普朗克黑體輻射定律，根據下面公式中熱輻射體的輻射特性與熱輻射體的溫度之間的函數關系，測量熱輻射體表觀溫度的輻射測溫儀表。

任何物質只要它的溫度處于絕對零度（-273.15°C / -459.8°F）以上時，由于物體內部帶電粒子的無規則熱運動，以及不同波長的電磁波形式向外輻射能量，波長范圍包括紫外、可見和紅外光譜部分，但輻射能量的光譜主要集中于 0.8um-15um 的紅外光譜區域內。即物體都會根據其溫度發射紅外輻射，稱為特征輻射。所有物體的紅外輻射能量的大小按其波長的分布規律與物體表面溫度存在非常密切的關系。

黑體輻射定律闡述了物體輻射能量與物體表面溫度的關系，是輻射測溫的理論依據。通常所說的黑體輻射定律一般包含三大定律，它們是：普朗克定律、維恩位移定律和斯特藩-波爾茲曼定律。

在物理學中，普朗克黑體輻射定律（也簡稱作普朗克定律或黑體輻射定律，英文：Planck's law，Blackbody radiation law）描述，考慮一個黑體，黑體的內壁不斷地發射和吸收電磁波（輻射波），最后達到熱平衡。設熱輻射達到平衡時的溫度為T，在任意溫度T下，從一個黑體中發射出的電磁輻射的輻射率與頻率彼此之間的關系。

電磁波波長與頻率的關系為

普朗克定律的能量密度頻譜表達形式：

單位頻率在單位體積內的能量，單位是焦耳/（立方米·赫茲）。對于一個黑體的輻射場，此時的能量密度可由氣體的熱力學參數決定。

其中T為黑體的溫度，h為普朗克常數，1為輻射率，e為自然對數的底數，k為玻爾茲曼常數。

四、耳溫計的應用領域

耳溫計由光學系統（探頭）、探測器和信號處理單元及輸出顯示單元四部分組成。使用時，將紅外耳溫計探頭插入人體耳道，通過測量鼓膜及耳道熱輻射測量耳道溫度，使用耳道溫度表征人體溫度。在醫療上也可以根據人體溫度分布的統計規律，推定人體其他部位溫度，如口腔、腋下、直腸以及一些黏膜組織溫度等。耳溫計主要應用在醫療和生活中。近些年來，耳溫計在臨床醫療領域中運用廣泛，而且近乎滲透到每個科室，比如兒科臨床醫療，呼吸科老年人住院體溫測量，精神障礙患者日常體溫測量，危重癥患者體溫測量等，這些都基于非接觸測量自身的使用方便，快速準確的特點。

然而在生活生產中，耳溫計也體現出獨當一面的功能作用，比如，日常生活中，孕婦、嬰孩、兒童以及老年人體溫測試時，耳溫計使用方便又安全。比如，疫情防控下，非接觸紅外測溫就可以很好規避了接觸帶來的防疫風險，保證了人與人之間的安全距離和又避免了交叉感染。

五、耳溫計專利的發展趨勢

數據源自incopat數據庫，檢索策略為：tiabc=（耳溫計or耳溫+ or Radiation pyrome-try）or tiabc=（（耳溫 and 測）or （Radiation pyrometry） ）or ic=G01J5 or cpc= G01J5，檢索范圍：全球，公開日在2000年以后的專利，分別得出全球公開-申請趨勢圖，全球申請人排名圖，技術全球分布圖，技術中國省市分布和中國申請人構成。

從全球耳溫計專利技術分布上看，耳溫計在醫療領域技術改進占比最大，其次是紅外測溫方面的技術更新和突破，同時隨著物聯網和智能醫療技術的革新，耳溫計在計算存儲、圖像以及數據處理方面也有一些技術的改進。

六、總結

從全球專利量看，隨著2010年芯片解放年，互聯網概念和智能醫療的趨勢，耳溫計的技術和應用突飛猛進，直至受2020年疫情影響，耳溫計的需求量極度增大。但是申請量和技術排名靠前的中國企業較少，同時，中國高校和科研單位的耳溫計專利申請量有望提高。

希望我們國家在電子芯片創新和發展的帶動下，耳溫計技術有新的飛躍和提高，同時，希望高校和科研單位注重專利申請和知識產權保護，也注重熱輻射測溫技術多方面的研究和改進。在新的環境下，耳溫計產品能與未來智能化、大數據、健康醫療、社區醫療等方面的多元化創新和突破。

參考文獻：

[1]《量子力學》宋鶴山 大連理工大學出版社.

[2]《費曼物理學講義》【美】費恩曼 萊頓 桑茲著 鄭永令 華宏鳴 吳子儀等譯 上海科學技術出版社.

[3]《熱力學.統計物理》汪志誠 高等教育出版社.

[4]《紅外熱成像測溫原理與技術》楊立 楊楨 科學出版社.

[5]《專利產業分析報告》楊鐵軍 知識產權出版社.