专利名称：快速准确非接触式测量动物和人体核心温度的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及温度检测装置，更具体地说，涉及根据眼睛黑体辐射测量温度的装置。
背景技术：
在美国的养牲畜业中，牲畜因疾病的年死亡数估计达数亿美元。测定牲畜的健康情况或是否有疾病的一种可靠方法是确定动物的体温。如果有感染、环境因素或毒素，牲畜的体温会升高。这些升高是兽医在诊断牲畜的疾病或疾病情况时的依据。在牲畜的日常生产中，由于时间限制以及需要约束动物身体，鉴定是否体温升高或发烧使用得并不多。这种利用温度评估的不足延迟了疾病的诊断，从而增加了抗生素的使用和动物的损失。
需要对动物的核心温度进行快速和准确的测量，特别是但不限于，食用动物，例如牲畜，绵羊和山羊，以及人和马。核心温度，即体内温度，在不物理接触身体内部的情况下一直很难测量准确。
传统上，要测量温度，要将医用温度计插入直肠或口腔，并必需放置数分钟才可得稳定的读数。这就通常需要约束动物，既费时又费力。通常，牲畜的体温是用医用水银华氏温度计或用数字温度计来测量的。水银温度计的刻度范围从94F到110F，每一度又分成5小格(没格1/5度)。温度计要求将水银摇到球泡端。然后将温度计润滑或湿润，用手将其整个长度插入直肠。温度计在直肠中停留最少3分钟才可获得准确的读数。由于大多数动物对所述过程都会反抗，此时必需将动物身体约束起来。
近年来，已经使用低热质量的温度传感器，例如小型热偶或热敏电阻，利用电子数字读出做成更快速的数字温度计。但这些装置仍要求口腔或直肠插入并约束动物，但准确测量的时间仅用1分钟。
动物温度测量的其它途径是基于检测热辐射能量，即所谓的黑体辐射。所有加热体以宽带频谱的形式发出这种能量，并且这种能量具有与温度成正比的波长分布和强度。这种辐射能量是用非接触式微波、毫米(mm)波或红外(IR)波传感器来测量的。热辐射的测量很迅速，但热辐射和温度相关的精确度，除了仪器误差之外(若有的话)，受两个因素的影响。第一个因素是可以用于测量的辐射表面和核心温度相关的精确程度如何。这在动物和人体上经常有问题，即皮肤不是体内温度的真实代表。用IR时特别有问题，此时检测辐射的体内深度非常浅，基本上和皮肤的外表温度成正比。第二个因素，表面辐射率，也影响在给定温度下身体的热辐射量。这就导致基于热辐射的温度测量会随被测量材料的颜色和物理特性而有所不同。为了试图消除这种误差源，一些IR热辐射温度计使用插入耳朵的探头。但耳朵中的辐射率会因耳道中皮肤碎屑的不同数量和类型而有所不同，这些也会限制精确度。在另一方案中，将一个插入物放在动物的耳朵中，为IR传感器提供恒定辐射率的靶。这个插入物在测量前必需放在耳中足够长的时间以达到热平衡，从成本和时间考虑都是不理想的。
通过远程(不用手)检测来测量牲畜的核心温度的可能性在过去30年来一直很受关注。以前的方法是基于(1)无源检测IR或微波能量的幅度，所述能量的辐射与大多数材料的温度成正比(按照普朗克定律)，包括人体或动物皮肤和耳朵(内部)；(2)使用植入体和/或标记物，它们采用接触型热传感器(热敏电阻，热偶等)并通常有按需读出数据的无线装置；以及(3)使用集成温度传感胶囊，它含有温度传感器和射频(VHF或UHF)发射器或发射-应答器，将温度数据从动物体内发送到外部的读出装置。这些以前的装置或方法中，由于成本、精确度差、实际应用限制或其它原因，没有一种完全令人满意。现有的无源IR辐射方法的精确度有限(+/-1度或更差)。这些方法都基于检测表面(皮肤或兽皮)温度，不适用于精确直接的动物温度测量。皮肤温度并不总能精确指示动物的核心温度。而且，有毛发覆盖的皮肤的辐射率是可变的，用IR时既不能提供精确的皮肤温度，也不能提供核心温度指示。
附图简要说明

图1是哺乳动物(例如母牛)眼睛的截面图。
图2是本发明第一实施例的方框图。
图3图解说明从眼睛发出的各种波长的相对辐射深度。
图4图解说明图1的传感器单元的又一实施例。
发明的详细说明本发明提供对电磁热辐射的快速、精确、非接触式测量，并使这些测量与动物或人的核心温度相关。本发明通过非接触式检测仅仅来自对象眼睛的热辐射，克服了以前热辐射温度计的限制。眼睛提供了许多进行这种测量的理想特性。眼睛容易看到、通常非常清洁、具有高辐射率、同物种的动物之间彼此很一致、以及其内外连续被新鲜体液冲洗，这些体液将眼睛保持在接近核心温度。这些温度测量所检测的眼睛辐射的波长可以是微波、毫米波或IR(长波长到短波长)。也可以是这些范围内多于一个波长的组合，优化成最适合于预期的应用。
所检测波长的优化准则包括(1)适宜于对眼睛大小或其选择部分的斑点的辐射进行非接触式检测，同时对所述斑点之外区域的辐射灵敏度很小；(2)能最大程度地深入到检测其辐射的眼睛中，以确保与核心温度的相关性，同时保持可接受的仪器灵敏度测量误差；(3)免除对测量的天然或人为的环境影响；以及(4)足够精确度的测量时间。
本方法使用动物眼睛的电磁(黑体)辐射来精确快速地确定温度。这种不用手的方法对早期诊断疾病很有效且效率高。这就便于迅速采用适当的处理管辖措施，并减少过量使用抗生素，从而减少肉类和奶制品中抗生素的残留量。
在本说明书的实例中，所述方法利用所测得的动物眼睛的一个或多个波长的热电磁辐射获得了精确的核心温度指示。眼睛可从动物外部看到，并能提供精确的核心温度指示，特别是当利用来自眼球内的辐射时。
图1是哺乳动物(例如母牛或人)眼睛的截面图。眼睛不停地由体液冲洗，而且在外壁内以及眼窝和眼睑区中不断有血液流动。这些都会使眼睛温度非常接近身体核心温度，并能保持外表面非常清洁。
从激光器安全指南得知，只有电磁辐射(光)的可见和近红外(400-1400nm)波长可容易地穿透水状液、角膜、虹膜、晶状体和玻璃体，并聚焦在眼球的后内壁上。同理，来自这些内部区域的辐射将穿透眼睛的前部并可用适当的传感器在外部检测。中红外(1400-3000nm)和远红外(3000nm-1mm)在眼睛前表面被吸收，虽然有一些(1.4-2.5微米)中红外(有时称为短波IR)可通过角膜区穿透较深。用来检测眼睛辐射的远红外主要是检测眼睛的暴露的外表面的辐射(由于来自内部的辐射被眼球的近表面层所吸收)。虽然这种辐射接近于核心温度，但外表面总不能与环境温度、风、雨等影响充分隔离以提供与核心温度的精确相关性。来自眼球更深部的晶状体、玻璃体和视网膜的辐射则符合准则，与核心温度有更精确的相关性。检测眼睛内部区域的辐射提供了用非接触传感器获得精确核心温度的有用基础。
图2示出按照本发明的核心温度测量装置100。传感器单元102包括检测器102以及检测动物或人眼睛101所选波长的热(普朗克)辐射所必需的辅助装置。传感器单元102还包括各种光学元件，例如透镜、反射镜、滤光器等，用来将所关注的辐射聚焦到检测器109上并对所述辐射滤光，仅使关注的波长到达检测器109。它还可包括降低检测器109的温度以提高所述检测器灵敏度的装置，它还可冷却光学透镜和滤光器以减少会被检测器109检测到的所有元件的热辐射。在图2所示实例中，传感器单元102包括IR滤光器111、半透明反射镜112、光谱滤光器113和抛物面反射器114。测量时可以使用遮光罩120，例如橡胶目镜，来减少无关的热辐射。
在图2所示实例中，传感器单元102在所关注的光谱波长范围内检测IR辐射。光学元件提供接近眼睛大小或其选择部分的灵敏孔径。传感器单元102在距所述单元前面数英寸或更远的距离处提供所述孔径。
传感器单元102还包括辅助传感器，用来检测组件的温度以及其它所需的环境参数，以补偿它们对核心温度测量的影响。在图2所示实例中，温度传感器110获得温度测量值。识别(ID)传感器115检测为识别所测量的具体动物或人所需的数据。例如，ID传感器115可用来读出动物身上的条码标签，或者它可以检测眼睛的独特的光学特性。任选的滤光器111允许所关注的辐射的宽波长带到达检测器109，但拒绝所述范围以外的辐射。关注的宽波长带包括用于眼睛温度测量和用于动物识别的频带，也可包括用于产生可见光点使传感器102能对准所测量的眼睛的频带。它还起防尘和防水的作用，以便保护102的内部不受环境影响。滤光器113使温度传感所需的波长通过，使用多个不同波长带滤光器的装置也是本发明的一部分。
照明标志器120提供进行核心温度测量的正被检查的眼睛101区域的直观指示。换句话说，标志器120在眼睛上提供了一个可见光点，与传感器单元102的中心接收区相对应。例如，当检测器单元102较好地对准了眼睛时，标志器120可在眼睛上提供一个可见光点。标志器120使操作员可以离开动物并知道传感器单元102已对准所需方向。光点还有一个附加功能，即，吸引动物的注意力，从而便于进行测量。
辐射检测器109的输出信号发送到放大器-检测器103，放大器-检测器103放大所述信号的幅度并检测来自眼睛的辐射的幅度。所检测的信号由校准器106就发射器的温度进行归一化和校准。对活体动物测量的辐射数据被校准到直肠温度计温度。在这些最初的测试中，要约束奶牛以便将移动减至最小并且允许接触，以进行充分的测量。接种疫苗，例如接种巴斯德菌疫苗，是一种无害的手段，用于暂时将测试牲畜的温度升高到正常范围100-103F以上约5度。
温度传感器110(以及任何其它环境传感器)的输出连接到温度和环境信号调节器和控制单元104，在这里所述信号被放大、归一化并用来提供为补偿和改善使辐射数据与动物或人的核心温度相关的精确度所需的相关性数据。例如，温度的改变会影响检测器的灵敏度，也会影响到达检测器的无关热辐射的幅度。所需的校正和补偿由数据相关器和计算机107进行。如果需要，调节器和控制单元104可包括将传感器单元102维持在恒定温度的装置。也可被冷却以改善灵敏度。例如，可以使用温差电冷却器或低温液体。
识别传感器115还通过放大器-检测器105向数据相关器和计算机107提供数据，数据相关器和计算机107在显示器108上提供核心温度、识别号、时间、日期、环境温度和其它有关信息的可视数字读出。核心温度从所选波长的眼睛辐射幅度进行计算，并对以下影响(若有的话)进行校正例如环境温度、从眼睛到传感器组件102的距离、所测量的眼睛区域和动物类型、还有仪器的各种变量(如放大增益、检测器灵敏度和检测前带宽)。读出的数据还存储在计算机107中供以后再现或供传送到外部数据存储装置上供长期保存。显示器108也可显示其它信息，例如动物的直肠温度，它的饲料以及其它的标识符。
图3示出眼睛10各个区域的红外和可见光发射特性。如图所示，可见光和近红外(400-1400nm)波长光以小衰减透过角膜、水状液、虹膜、晶状体和玻璃体，聚焦到眼球后部的视网膜上。中红外和远红外(波长范围为1400nm到1.0mm)的较长波长的光，除了少数几个离散的波长带外，在角膜中衰减很大，但一些中IR波长可穿透到眼睛内部相当的距离。同理。热辐射以相应的低衰减波长从视网膜-玻璃体区通过晶状体、角膜、水状液和虹膜发射到外部。波长1000-2400nm的中IR也可透过覆盖整个眼球的巩膜，除了由角膜覆盖的部分。这样，眼睛的远红外辐射主要来自表面，而较弱的中红外和近红外辐射，特别是某些波长带，将穿透眼睛的前部，更能代表内部眼睛的温度。毫米波和更长波长的辐射将代表眼睛内部比远红外波长更深区域的温度。远红外波长可用来检测眼睛泪管区的辐射并使其与核心温度相关。
为了更好地传输来自眼睛深部的电磁辐射数据，较短的IR波长范围(0.8到1微米)更为有利，但在体温下却相反，较长波长下辐射幅度急剧增加。要检测的波长范围由检测器109的类型以及在检测器之前使用的滤光器(例如滤光器111)来设定，从而限制落到检测器上的辐射波长范围。对于大于约1.5微米的波长，宽带热电堆检测器或一些光电二极管(例如冷却的扩展范围铟砷光电二极管检测器)提供良好的灵敏度，通常使用时可用或不用IR滤光器来限制所检测辐射的带宽。对于较短的波长，其它光电二极管(具有各种掺杂物的锗、硅、砷化镓)或光电倍增器型传感器提供极佳的灵敏度，一般可优选使用，冷却或不冷却都可。IR滤光器用来限制所检测的辐射波长范围。否则数个区域的辐射会被同时检测。表面辐射，代表眼睛的表面温度，可以比眼球深部的辐射大得多。除非对波长进行校正，(否则)这些表面辐射会导致测量所需(内部)辐射的误差，而在大多数情况下，内部辐射最能代表核心温度。远IR检测器完全对应于表面温度，一般来说，比内部辐射更易受环境影响。相反，在可见光和近IR波长下眼球的低衰减最适合于将辐射从眼睛深部发送回到视网膜区。这是所需要的，因为视网膜区最不受环境的影响，且其温度与核心温度的相关性也最好。不幸的是，在这些短波长(可见光和近红外)下普朗克辐射的强度有问题。实际上在活体动物温度下(300-310k)黑体辐射非常弱，即使用最好的检测器在可见光波长下也无法检测到。即使在1000nm，在这些温度下的辐射仍然很弱，不能迅速检测到。这问题就成为对于小型手持热辐射检测器，是否有IR波长可以用来从30cm(12英寸)或更远的距离处在可接受的短时间内(几秒钟)准确地测量内部眼球的温度(精确到0.1k)。回答是肯定的在1600-2400nm范围，特别是在以前所述的1600-1800以及2150-2350nm这两个波段之一或二者，可以使用冷却的扩展(波长)范围的铟砷光电二极管检测器或等效物。在我们发明中102的优选实施例使用了所述类型的光电检测器，它具有能通过额定波长1600-1800或2150-2350nm(或二者)的滤光器以及收集和聚焦光学元件，当检测器102位于选择的距离时，例如距待测眼睛12英寸处，这些光学元件可以建立IR检测区(具有接近角膜大小的尺寸)。这些概念和规范是我们发明的关键要素。
本发明的另一细节是一些附加装置，用来进一步减少来自眼睛不同深度的，或来自外部无关来源的辐射影响，从而提高测量的精确度。与核心温度相关性最好的所需热辐射来自眼睛的内部。但也会检测到来自眼睛的表面和近表面的其它(不希望有的)热辐射。这些辐射可能与所需内部辐射温度相同，或有较高温度，或有较低温度。在任何情况下，可以预期表面和近表面辐射会随变化的环境温度、风和雨等而有少量改变，而导致测量误差。在眼睛衰减最小的波长(这些是和检测器滤光器相同的波长)下，内部辐射仅仅具有感觉得到的强度，而表面和近表面辐射却具有宽得多的光谱，其强度在较长的波长增加。通过把用窄带滤光器检测的总辐射和用较宽频带滤光器(或不用滤光器)检测的总辐射进行比较，由内部辐射引起的分量不会改变(除了在窄带滤波器中的损耗之外)，而在用宽带滤波器时检测到的表面辐射会显著增加。知道了宽带滤波器和检测器的频谱带通特性，就可测定眼睛表面和杂散来源的辐射，并在计算机107中导出校正系数，用于内部眼睛温度测量。这个系数，和辐射检测器的放大信号以及校准系数一起，用来在计算机107中对每次测量计算出精确的核心温度。
图4示出微米和毫米波长检测器40，这是图2的传感器单元102的另一实施例。在本发明的范围内，获得眼球内部温度数据的另一可能性是在较长波长的(与最长的IR相比)微波和毫米波(mm)范围内检测辐射。对于标称的3mm(80-100GHz)范围，由于商业和政府对这部分频谱的关注，可以用适中的价格购得采用标准射频超外差(混频器-振荡器)技术的灵敏检测器。实际上，这些检测器比热电堆更灵敏，能容易地检测到这些较长波长的低电平的黑体辐射，精确度可达0.1F或更好，取决于观察(信号积累)时间和检波前带宽。虽然天线尺寸以及操作员的近场、远场限制等会在将检测区域限制在眼睛区域方面产生问题，但通过使从天线到待测眼睛的最大距离为数英寸，并且使用众所周知的天线装置来提供狭窄光束，就可克服这个问题。例如，甚至1英寸直径的抛物碟形天线，就可具有大约10度的远场光束宽度以及能包围动物或人的视网膜区的聚焦近场。
可以以小型集成电路的形式来实现天线-检测器-混频器装置41。天线部分拾取所选波长的眼睛辐射，混频器部分将所述辐射信号和来自振荡器52的信号混频，检测器部分将辐射信号转换成较低频率，由放大器53放大。天线尺寸和振荡器频率都是待检测的所需辐射波长的函数。
对于所有波长(IR、毫米和微米)，在两个或多个波长带检测眼球辐射就可以减少在给定温度测量时环境温度和背景辐射的影响。例如，可以对第一波长的信号和第二波长的信号加以比较。为了这种实现方案，可以修改图2的传感器单元102(或图4的天线-混频器-检测器41)，以便容纳不止一个辐射信号通路或检测器。使用多个滤光器和检测器就可做到这一点。或者，可以只用一个检测器，并用轮子或某种其它电磁的或机电的或磁光的装置向检测器提供一系列的滤光器。
虽然在此说明了本发明的各种实施例，但本发明的范围并不限于这些实施例，且另外的实施例也不必包括图2所示的全部特征。其它实施方案也可属于本发明的范围之内。
权利要求
1.一种用于测量作为测量对象的动物或人的核心温度的装置，所述装置包括传感器单元，所述传感器单元具有滤光器，所述滤光器用于仅仅允许检测所选波长的热辐射，并且所述传感器单元还具有检测器，所述检测器用于检测来自所述对象的眼球的所选波长的热辐射并产生对应于所述辐射的信号；放大器单元，用于放大来自所述传感器单元的所述信号并用于产生放大信号；数据处理单元，用于将所述放大信号转换成代表温度的数据；以及显示器，用于显示所述温度数据和识别码。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述传感器单元检测红外辐射。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述传感器单元检测毫米波长辐射。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述传感器单元检测微米波长辐射。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述传感器单元检测多于一个波长。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述传感器单元具有用于单一波长的单一光通路。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述传感器单元具有用于检测一个以上波长的一条以上光通路。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于还包括校准单元，用于将校准数据发送到所述数据处理单元。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于还包括温度计，用于测量所述装置附近的环境温度。
10.如权利要求1所述的装置，其特征在于还包括遮光罩，用于保护所述传感器单元不受与来自所述眼睛的辐射无关的热辐射的影响。
11.如权利要求1所述的装置，其特征在于还包括照明标志器，用于发射对应于所述传感器单元接收区的可见光束。
12.如权利要求1所述的装置，其特征在于还包括标识传感器，用于检测与所述对象关联的标识码。
13.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述滤光器传递从1000到2500nm的波长。
14.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述滤光器传递从1600到1800nm的波长。
15.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述滤光器传递从2150到2350nm的波长。
16.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述滤光器传递从1600到1800nm和从2150到2350nm的波长。
17.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述传感器单元用于检测来自第一带宽和第二带宽的热辐射，其中，所述第一带宽比所述第二带宽要宽，并且所述数据处理单元还用于将来自所述第一带宽的信号的检测幅度与来自所述第二带宽的信号的检测幅度进行比较，并且根据所述比较结果对所述温度数据进行补偿。
18.一种测量作为测量对象的动物或人的核心温度的方法，所述方法包括以下步骤对来自所述对象的眼球的热辐射进行滤光，使得仅仅所选波长通过所述滤光器；检测已滤光的热辐射；产生对应于所述辐射的辐射信号；在数据处理单元接收所述辐射信号；将所述辐射信号转换成代表温度的数据；以及显示所述温度和识别码。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于所述检测辐射的步骤是通过检测适合于眼球特定深度的波长进行的。
20.如权利要求18所述的方法，其特征在于所述检测辐射的步骤是通过利用所述检测器的聚焦和孔径限制特性来控制检测器的有效检测区域进行的。
21.如权利要求18所述的方法，其特征在于还包括根据来自直肠温度计测量的数据校准所述温度测量的步骤。
22.如权利要求18所述的方法，其特征在于还包括测量环境温度并用所述环境温度测量结果补偿所述温度测量的步骤。
23.如权利要求18所述的方法，其特征在于所述检测辐射的步骤是通过检测多频谱热辐射数据进行的。
24.如权利要求18所述的方法，其特征在于所述检测识别数据的步骤是通过从附着在或插入到待测量对象中的标签上读出数据进行的。
25.如权利要求18所述的方法，其特征在于还包括存储所述识别数据和所述核心温度数据的步骤。
26.如权利要求18所述的方法，其特征在于所述检测热辐射的步骤是利用传感器单元进行的并且还包括在所述检测步骤期间将所述传感器单元维持在恒定温度的步骤。
27.如权利要求18所述的方法，其特征在于所述检测热辐射的步骤是利用传感器单元进行的并且还包括在所述检测步骤期间冷却所述传感器单元的步骤。
28.如权利要求18所述的方法，其特征在于还包括检测与所述对象关联的识别数据的步骤。
29.如权利要求18所述的方法，其特征在于还包括照明对应于所述检测步骤中所述检测区域的眼睛区域的步骤。
30.如权利要求18所述的方法，其特征在于所述滤光步骤传递从1000到2500nm的波长。
31.如权利要求18所述的方法，其特征在于所述滤光步骤传递从1600到1800nm的波长。
32.如权利要求18所述的方法，其特征在于所述滤光步骤传递从2150到2350nm的波长。
33.如权利要求18所述的方法，其特征在于所述滤光步骤传递从1600到1800nm和从2150到2350nm的波长。
34.一种测量作为测量对象的动物或人的核心温度的方法，所述方法包括以下步骤检测来自所述对象的眼球的热辐射；产生对应于所述辐射的辐射信号；照明所述眼睛上对应于所述检测步骤中所述检测区的区域；检测与所述对象关联的识别码在数据处理单元接收所述辐射信号和所述识别码；将所述辐射信号转换成代表温度的数据；以及显示所述温度和识别数据。
全文摘要
用于测量动物或人的核心温度的方法和装置。在一个或多个根据各种因素(包括所述波长到达眼球内部的能力)选择的波长检测来自眼球的辐射。照明标志器把光点照射到眼球上，使得光点对应于正检测其辐射的区域。
文档编号G01J5/04GK1643355SQ03806646
公开日2005年7月20日 申请日期2003年1月27日 优先权日2002年1月25日
发明者莱尔德·W·劳伦斯, 詹姆斯·D·金, 杰克·C·劳伦斯 申请人:莱尔德·W·劳伦斯, 詹姆斯·D·金, 杰克·C·劳伦斯