人体核心温度的测量方法研究进展

刘 博 唐晓英 刘伟峰 王璐璐

（北京理工大学生命学院生物医学工程系，北京 100000）

人体核心温度的测量方法研究进展

刘 博 唐晓英#∗刘伟峰 王璐璐

（北京理工大学生命学院生物医学工程系，北京 100000）

体温是人体四大生命体征之一，成为人们判断人体健康与否的重要依据；保持恒定的体温，是保证新陈代谢和生命活动正常进行的必要条件。所以，人体温度是反映身体健康状况的晴雨表，有效地监测人体体温成为一个重要的话题。临床上所指的体温是指平均核心温度。在人们日常生活中，一般测量的是腋下、口腔和额头的温度，这些温度严格的意义上说的是体表温度，本身与核心温度存在一定的误差，况且又受周围环境、个人着装等多方面因素的干扰，所以并不能准确地代表人体核心体温。而人体核心温度才真正地和人类的新陈代谢更加关系紧密，所以急需一种高效、快捷的方法来实时地监测人体核心温度。针对该问题，分析总结国内外核心温度监测的研究现状，可以分为两大类：一是直接测量温度数据，在忽略一定误差的情况下，近似地以人体某一部位温度来代替人体核心温度；二是间接估算法，利用人体体表温度或者心率等一些生理数据，通过建模计算分析，推算出人体内部的实际温度。分析各方法的精确度，比较各方法的优缺点，并给出相应的结论。最后，预测核心温度监测方法将来的发展趋势。

核心温度；测量方法；发展趋势

引言

医学和临床上所说的体温，指的是人体内部的温度，称为人体核心温度。人体核心温度定义为人体内部胸腔、腹腔和中枢神经的温度。体温是物质代谢的产物。三大营养物质在氧化过程中释放能量，其中50%左右的能量变为体热以维持体温，并以热能的形式不断散发于体外；另有45%的能量转移到三磷酸腺苷（ATP）的高能磷酸键中，供机体利用。机体利用的最终结果仍需转化为热能散出体外，这就是产生体温的由来［1］。

正常人的体温是相对恒定的，它通过大脑和丘脑下部的体温调节中枢和神经体液的共同作用，使产热和散热保持动态平衡。在正常生理状态下，体温升高时，机体通过减少产热和增加散热来维持体温相对恒定；反之，当体温下降时，则产热增加而散热减少，使体温维持在正常水平［2］。体温是人体四大生命体征之一，成为人们判断人体健康与否的重要依据；保持恒定的体温，是保证人体新陈代谢和生命活动正常进行的必要条件。由于受外界环境和机体各种不良因素的影响，常常会造成人体体温过高或者过低，影响人体新陈代谢的正常进行，导致生命活动紊乱，甚至危害生命健康。所以，人体温度是反映身体健康状况的晴雨表，有效的监测人体体温成为一个重要的话题［3］。

在日常生活中，一般测量的是腋下、口腔和额头的温度，这些温度从严格的意义上说应该是体表温度，本身与核心温度存在一定的误差，况且又易受周围环境、个人着装等多方面因素的干扰，所以并不能准确地代表人体核心体温。而人体核心温度才真正和人的新陈代谢关系紧密，所以更希望实时监测人体核心温度。一般人体核心温度的监测方法有核磁测温、直肠测温、耳蜗测温、食道测温、肺动脉测温等。这些测温方法虽然能较接近地测出核心温度，但是存在测量不方便、需要侵入人体内部、无法测量人体动态时的温度等缺点。最近新兴起的一种测核心温度的方法为CorTemp核心体温监测系统，被测人员吞咽下形似小药丸的传感器，即可读取人体内的核心温度，并将数据发送到手持式的无线接收器监测装置，从而实时监测被测人员的核心温度［4］。除了直接测量外，还可用间接估算的方法来测量核心温度，典型的有单通道热量流动模型、双通道热量流动模型、人体双节点测量模型、人体多节点测量模型等。这些方法都是通过体表温度进行建模计算，用来估测出人体核心温度。除了利用体表温度，还有一种通过心率来估测出人体核心温度的方法［5］。

1 国内外研究现状

现在国内外有多种直接或者间接测量人体核心温度的方法，将其进行归纳分析，如图1所示。

图1 人体核心温度的测量方法Fig.1 The measurement of human core body temperature

每种方法都有各自的优缺点，现对这些方法进行简要介绍。

1.1 直接测量

1.1.1 核磁测温

磁共振无创测温技术是一种新兴的温度测量技术，如图2所示。鉴于低场开放式磁共振成像（MRI）系统价格上的优势，以及已经大量应用到介入式治疗中的现状，无创测温在低场MRI中具有更加广阔的应用前景。目前，磁共振无创测温技术主要有3种基本方法：测分子扩散系数D、测质子共振频率的漂移（PRF）和测纵向弛豫时间T1。其中，测D的方法已经不常用。测PRF虽然在高场MRI中能够达到较高的测量精度（＜1℃），但是这种方法的温度敏感度与场强成正比，在低场MRI中应用有很多困难。测T1的方法，温度敏感度在低场中比高场中更高，并且在脂肪中温度准确性要好于测PRF。采用测T1的方法时，利用平衡磁化强度M0与温度的关系，可以增加信号S的温度敏感度，因此普遍采用的是M0-T1的方法［6］。

图2 磁共振无创测温技术Fig.2 NMR temperature measurement technology

1.1.2 直肠、耳蜗、食道、肺动脉测温

直肠、耳蜗、食道、肺动脉测温都属于侵入式测温方法，如图3所示。通常使用高精度温度传感器，伸入人体直肠、耳蜗、食道、肺动脉中进行温度的测量。因为直肠、耳蜗、食道、肺动脉都属于人体的内部环境，所以这种方法测量的核心温度值较准确。但这几种测量方法的缺点是测量时需要侵入人体内部，人体会有不适感，且需要被测人员长时间保持静止状态，无法对运动状态的人体进行温度测量。而且，温度计探针需要做好消毒工作，防止发生交叉感染［7］。

图3 核心温度测量方法。（a）直肠测温；（b）耳蜗测温；（c）食道测温；（d）肺动脉测温Fig.3 The measurement of core body temperature.（a）rectum；（b）cochlea；（c）esophagus；（d）pulmonary

最近新出了一种胶囊式胃肠道温度测定方法，如图4所示。胶囊式胃肠道温度测定方法，是应用胶囊装一次性无线传感器测定机体胃肠道温度，作为人体核心体温的方法。被测人员吞咽下CorTemp测温传感器，这种形似小药丸的传感器可读取被测人员的身体温度，并将数据发送到手持式的无线接收器监测装置，以数字格式实时显示体温信息，并可以下载数据用于研究。传感器传输距离可达到90 m。系统配有报警装置，当受试者的体温到达设定的最低或最高数值时将发出警报声。这种监测系统可以重复使用，但通常因为卫生的问题仅使用一次。该方法测量准确率高，可以检测运动状态时的人体温度，但是服用传感胶囊的人员在短期内禁止饮水，而且传感器和接收器的成本较高，一个药丸传感器需要大概40美元，接收器更是超过2 000美元，不适合日常的检测使用［8］。

图4 胶囊式胃肠道温度测定方法［8］Fig.4 Capsule type temperature measuring method［8］

1.2 间接估算

1.2.1 体表温度估算

1.2.1.1 单通道热量流动模型

体温通常可以分为核心体温和体表体温，在热中性的条件下，核心体温要高于体表体温，热量通过血液和热传导物质传送到人体表面。对于热传导效应，温度梯度必须存在。当一个物理性质与皮肤相似的材料贴近皮肤时，可以认为热量从人体内部流到皮肤，同样的也会再流入测试材料［9］，如图5所示。

图5 单通道热量流动模型［9］Fig.5 Single channel heat flow model［9］

因此，可以通过多个径向高度不同的位置测得的温度值来计算核心温度（如T1、T3）。热传导定律如下：

Rs1和Rs2是两个部位的皮肤和皮下组织的热阻性，R1和R2是相应部分衬底材料的阻值。Td是人体核心温度，T1～T4是不同位置温度传感器获取的温度值［9］。

1.2.1.2 双通道热量流动模型

由于单通道热量流动模型需要提前计算获得相应部位的皮肤和皮下组织的热阻性，所以对于不同的个体，甚至是同一个体的不同部位，都需要进行重复计算。因此，基于单通道热量流动模型，衍生出了一种新方法——双通道热量流动模型［10］。

双通道热量流动模型是：在同一个以热敏电阻为材料的衬底上，选取两个不同的热量通道，使用的衬底材料为氯丁二烯橡胶［11］，如图6所示。

图6 双通道热量流动模型［11］Fig.6 Double channels heat flow model［11］

为了使实验效果更加准确，需要减少横向的热流散失，所以本实验外加了一个1.0 mm厚度的铝制外壳。因为两个选取的热路径比较接近对方，所以可以合理地假设Rs1＝Rs2。结合单通道热量流动模型的热传导定律，因此可以得出

式中，k是两个热路径的热阻性的比值，定义为k＝

值得注意的是，最初在式（2）分母的最后一项是T1-T3，将它改为T1-T2来修正横向热流带来的误差。在进行实验之前，利用理论上的改善和仿真检查了模型的形态，其结果证实了修正参数为T1-T2可以大大降低横向热流带来的误差，证明模型可以运用到实际当中。

1.2.1.3 人体双节点测量模型

这种测量模型以人体热辐射模型为基础，将人体分为核心节点和皮肤节点［12］，如图7所示。

用人体双节点测量模型，计算每一个单位间隔时间内的核心节点和皮肤节点的热量交换。皮肤节点单位时间内的热量变化dTskin可以表示为

式中，mskin表示皮肤节点的数量，cskin表示皮肤节点的特定热容量，Abody表示身体表面面积，qcond表示传导热量，qblo表示血流传导热量，qdiff表示无感汗蒸发热量，qrsw表示汗液损失热量，qconv表示对流散失热量，qrad表示辐射散失热量。

图7 人体双节点测量模型［12］Fig.7 Doublenode measurement model［12］

同理，核心节点单位时间内的热量变化dTcore可以表示为

式中，mcore表示核心节点的数量，ccore表示核心节点的特定热容量，Abody表示身体表面面积，Mtotal表示新陈代谢产生的总热量，W表示机体工作消耗的热量，qres表示呼吸消耗的热量，qcond表示传导热量，qblo表示血流传导热量［13］。

对于各个分量的计算，都有相应的模型公式。

除了具体热量的计算，人体双节点测量模型还存在着个人参数的设置，有pr1～pr7总共7个个人参数指标，每个人的参数都不尽相同。进行个人参数设置，可以使测量结果更准确、更具有实用性［14］。

1.2.1.4 人体多节点测量模型

人体多节点测量模型以人体双节点测量模型为基础，将人体划分得更加细致，包含有4个图层，分别为核心层、肌肉层、脂肪层、皮肤层。每一层都分布有若干个测量点，测量点越多则测量结果越准确［15］。

人体的外形是一项影响热辐射和热传导的重要指标。65节点测量模型将人体外形分为两种类型，如图8所示，左图为具体热辐射仿真，右图为简体热辐射仿真。具体热辐射仿真有4 396个表面用于热辐射分析，一般核心温度计算中用不到如此多的表面。简体热辐射仿真有1 542个表面用于热辐射分析，对于计算核心温度已经足够了，具有较好的准确性［16］。

图8 两种人体热辐射分层［16］Fig.8 Two kinds of human body thermal stratification chart［16］

计算每一层之间的热量交换，建立相应的模型，可以较准确地根据体表温度估计出核心温度。

1.2.2 其他数据估算

除了使用体表温度估测核心温度以外，还可以使用其他生理数据来估测核心温度，这里介绍一种通过心率来估测核心温度的方法。利用一个卡尔曼滤波器（KF）的建模方法，通过含有“噪声”的非侵入性心率信号来测算人体生理学内部温度（Tcore）［17］。

从生理学知识可以知道，当人体开始做体力劳动时，肌肉需要更多的氧气，心脏相应地也会增加一定的心率。工作的增加会导致更多代谢热的产生，这些代谢热要么存储在身体内部导致Tcore上升（通常在3～4℃的变化范围内），要么散失到周围的环境中。随着工作的继续，身体将会加快血流速度，高热的血流在皮肤表面通过对流冷却或蒸发机制来散发一定的热量，而血流的增加也会额外导致心率的增加［18］。假设心率和运动产热的总量和体温调节所散失的总量有关，那么核心温度的变化量和心率的关系可以表示为

在式（5）中，心率是一个可被观测的量，Tcore是一个不能被直接观测的量，这个公式建立了二者之间的关系［19］。在每个单位时间长度，KF模型使用更新的时间值和更新的测量值来提供一个当前的Tcore和误差方差。更新的时间值使用的是上一次估计的Tcore及其已知动态预测当前值，有

测量更新阶段用一个含有“高斯白噪声”的实测值来重新定义一个预测值。最初，通过式（6）可以计算出观测值和预测值之间的测量误差，将它们映射到测量空间函数，有

通过单位时间间隔的计算，最后预测的核心温度是由式（7）得出的Tcore经过加权测量误差调整后得到最终的结果，有

计算离散KF模型的最优化卡尔曼增益是基于方差的误差u和v的比率，以及前一个时间步长方差误差。估计更新的方差误差如下：

所以，最终卡尔曼增益K的计算如下：

为了定义KF模型算法，映射矩阵G和H和噪声分量u和v都是由大量的训练数据所估计测算出的。从人体热惯性模型可知，矩阵G被定义为一个恒等矩阵，用来通过前一个时间间隔测量值来预测当前的Tcore［20］。

由大量数据得来的Tcore和HR之间的线性关系如图9所示［21］。可以看出，对Tcore和HR的训练数据使用回归函数，将会产生一个梯度项太小的映射函数。理论上，对于任何给定的HR，对应的Tcore都应该接近最优值。但是，因为在实际测量中，训练数据都是动态的，即HR和Tcore变量不容易达到一个稳定状态，对任何一个给定的HR都有许多对应的Tcore值。因此，对于低值的HR，最优Tcore值应该选用其中一个较低值；反之，当HR值高时，Tcore选用一个较高值。使用这一假设，定义一条直线H连接A点（低HR 值56 beats/min，均Tcore值-1SD 36.5℃）和 B 点（高 HR 值 190 beats/min，均Tcore值 +1SD 39.9℃）［22］。

图9 Tcore和HR之间的线性关系［19］Fig.9 A linear relationship between Tcoreand HR［19］

定义H直线的表达方程为

利用几个军事训练活动期间收集的数据和长跑运动员的运动数据，估计离散KF模型的相关参数［23］。KF模型方法的好处是它只需要一个当前状态的输入，而现今的估算模型通常需要多个输入值，包括个人的人体测量学、代谢率、服装特征和环境条件等。这种计算状态估计生理学问题的方法，说明了人工智能和动态生理监测之间潜在的合作共赢关系。

2 方法的评估与比较

上述几种测量人体核心温度的方法，由于方法的不同，所得结果的精度和准确性也各不相同。

核磁测温的最大优点就是不需要侵入人体内部，在低场 MRI中，精度为1℃，误差为±（2～3）℃，但由于机体深部的体温较为恒定和均匀，通常变化不超过3～4℃，所以其误差还是较大。而且核磁测温的测量成本高，不利于普遍推广［24］。

直肠、耳蜗、食道、肺动脉测温都属于侵入式测温方法，所以其测量精度取决于温度传感器的精度，通常精度可达0.007 8℃，误差为±（0.2～0.3）℃［25］。但是，其缺点也是它的侵入性，人体会有不适感，且需要被测人员长时间地保持静止状态，无法对运动状态的人体进行温度测量。而且，温度计探针需要做好消毒工作，防止发生交叉感染。

单/双通道热量流动模型经大量实验验证，在单向方差分析上两种温度测量方法的均值是不同的。单通道热量流动模型的误差为±0.27℃，双通道热量流动模型的误差为±0.16℃。单/双通道热量流动模型的优点是都不需要侵入人体内部，操作简单，成本低廉；其缺点是对测量硬件要求较高，需要选取合适的热敏电阻作为衬底材料。

人体双、多节点测量模型通过采集的52个实际实验来评估模型的性能，由7名测试者佩戴着传感器在10天不同的情况下进行实验测试，测得的数据平均误差为±0.07℃。人体双、多节点测量模型的优点是都不需要侵入人体内部，操作简单，成本低廉；其缺点是需要多项输入数据，对个人体质因素要求较高。

心率估测核心温度模型的性能通过25个受试者在20～40℃的环境中参与各种实验室运动来测试评估。总的来说，KF模型估算的核心温度均方根误差为（0.30±0.13）℃，在85%的时间内误差保持在±0.5℃［26］。这种方法的缺点是测试结果受环境干扰较大，需要在特定的环境下进行测试，而且没有考虑个人自身的体质因素。

3 发展趋势

随着科学技术在医学领域的不断发展与进步，现在人体生理数据的采集与检测更加地朝着便携化、小型化、方便化的方向发展。人体核心温度作为一项重要的人体生理数据，也越来越受到人们的重视。现在医疗领域更加倾向于非侵入式的数据采集方法，因为这样能最大程度地保证病人的舒适感与安全感。所以，如何利用非侵入式的方法测算人体核心温度成为一大热点，现在主流的方法有体表温度估测法、心率估测法。相信以后将会发展得更加多元化，出现其他一些生理数据来估测人体核心温度。同时，现在的检测设备越来越小型化、便携化，以后将成为人们日常生活中方便携带和使用的家庭式检测设备。

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Review on Human Core Body Temperature Measurement Method

Liu Bo Tang Xiaoying#∗Liu Weifeng Wang Lulu
（School of Life Science，Beijing Institute of Technology University，Beijing100081，China）

Temperature is one of the four vital signs of human health.To maintain a constant body temperature is the necessary condition to keep metabolism and normal life activities.The body temperature is a barometer for health.How to monitor the body temperature effectively is becoming an important topic recently.The temperature in clinical refers to the average core temperature.In our daily life，we usually measure the temperature of alar，mouth and forehead.However，the measured temperature is the body surface temperature in a strict way.Influenced by the surrounding environment and personal factors，there is an error between body surface temperature and body core temperature.In order to solve the problem，this paper analyzed the monitoring and research status of core body temperature at home and abroad and divided the methods into two parts.The first part is to measure temperature data directly，replace the core body temperature by the body surface temperature within a certain error range.The second part is to estimate temperature data indirectly，use the body surface temperature or some physiological data such as heart rate to set up a modeling and calculate the actual temperature inside the human body.Then the paper analyzed the accuracy of each method and compared the advantages and disadvantages of each method.At the last，the paper analyzed the development tendency of the core body temperature monitoring method in the future.

core body temperature；measurement method；development tendency

R318 文献标志码：A 文章编号：0258-8021（2017）05-0608-07

10.3969 /j.issn.0258-8021.2017.05.014

2016-11-29，录用日期：2017-05-25

国家自然科学基金（81471743）

#中国生物医学工程学会高级会员（Senior member，Chinese Society of Biomedical Engineering）

∗通信作者（Corresponding author），E-mail：xiaoying@bit.edu.cn