基于仿真模型的电子体温计审查关注点探究

刘炳锐，李烜，张晓光

天津市医疗器械审评查验中心，天津 300191

引言

体温是人体最重要的生命体征之一，也是衡量人体健康状况的一项重要指标[1]。体温测量结果是判断人体是否出现失温或发热的关键依据[2]，该项指标对临床医生的诊断和治疗工作具有重要意义。在日常生活中，测量体温不受空间和医学背景限制，操作较简单，但由于操作错误、测量位置不正确、测量部位有汗渍等原因，测量结果可能存在较大差异，进而影响临床诊疗过程。

传统体温测量通常使用水银体温计，其虽具有测量准确、稳定可靠等优点，但测量结果需要人工估读，误差较大，同时存在汞污染的潜在危害，目前国家已批准实施《关于汞的水俣公约》[3]，并要求2026年起禁止生产含汞体温计。随着科技进步和水银体温计数量的降低，医用电子体温计（以下简称电子体温计）、额温计、红外耳温计、变色体温计[4]和其他无汞的玻璃体温计等体温测量设备已逐步占领市场。一些监护设备同样具有体温测量的功能。大量研究者对不同类型体温计的临床应用情况进行了比较，结果表明电子体温计具有测量精度高、测量时间短、使用方便等优点，但在实际使用过程中，电子体温计仍存在测温不准确的问题[5-8]。

目前电子体温计按照第Ⅱ类医疗器械进行管理，其根据接触人体方式、结构组成、测量原理、测量部位、数据传输方式等不同，可以分为不同类型。本文主要探究的电子体温计类型为通过间歇接触监控患者体温，在结构上温度探头和电路不可分离（即一体式）[9]。虽然电子体温计有诸多优点，但也存在除设备本身导致测量不准确的因素，如田露娇[10]从电子体温计检定角度，系统分析检定过程中测量的不确定因素。本文主要从技术审评和质量管理体系现场检查过程中，对体温测量部位、产品内部导热性、外界环境干扰（针对贴于体表测温的产品）等测温影响因素的角度进行分析，并以审评查验工作为出发点，利用有限元仿真分析方法，根据双通道热量流动模型原理建立仿真模型，对体温测量部位、产品内部导热性、外界环境干扰这3个测温影响因素进行分析，旨在为电子体温计的技术审评和查验工作提供参考依据。

1 方法原理

人体体表温度和体内温度存在明显的差异。体温测量的“金标准”是核心温度，最佳位点一般认为是肺动脉温度[11]。在大多数临床条件下，有创的体内测温并不适用，一般采用无创体温计进行初诊或分诊[12]。刘博等[13]总结了一些国内外人体核心温度无创监测方法的研究现状，并将核温测量方法分为直接测量和间接估算两大类，其中间接估算方法是指监测体表温度，通过建模估测人体核心温度[13]，包括零热流模型[14-15]、单通道热量流动模型[16-17]、双通道热量流动模型[18]等。基于零热流模型的核心温度检测装置需要加热器装置和交流供电，能耗较高[19]。与零热流模型相比，单通道热量流动模型和双通道热量流动模型更适合用于仿真人体皮肤及皮下组织热量向传热体传递的过程，其原理示意图如图1所示。单通道热量流动模型中，假设系统无热源且人体核心温度（Tcore）恒定。如图1中的热流通路1，热流从人体内部经皮肤和皮下组织层（如脂肪层）流过传热体，直至整个系统传热达到稳态[19]，见公式（1）。因人的体型不同、测量部位不同，RS值也随之变化，且难以直接测量。因此，在单通道热量流动模型中，需要提前计算对应部位的热阻值。双通道热量流动模型在单通道热量流动模型基础上引入了热流通路2，Tcore计算方式如公式（2）所示。双通道热量流动模型利用两条热流通路，实现对人体核心温度的估算，可以避免单通道热量流动模型中皮肤及皮肤组织热阻的影响。本文主要基于双通道热量流动原理，建立仿真模型进行分析。

图1 单通道热量流动模型和双通道热量流动模型原理示意图

式中，T1、T2分别为皮肤和传热体上表面的温度；RS、R1分别为皮肤及皮下组织、传热体的热阻。

式中，K=R1/R2，由于两传热体材料一致，K值与两传热体高度比相等。

2 仿真分析及结果

Huang等[20]基于双通道热量流动模型原理，利用COMSOL Multiphysics软件对其设计的温度计进行了仿真分析，并予以优化，之后大量研究者利用该软件的传热模块对人体或被测部位、核心温度测量传感器进行了仿真分析[19,21-23]。本文基于上述研究，建立一个核心温度测量模型，并分别对测量部位与测温时间的关系、导热性能与测温时间的关系、外壳是否应隔热3个问题进行分析。

2.1 有限元模型建立

本文根据研究内容建立有限元模型，如图2所示，联系实际情况，建立的人体部分模型（长方体）从上至下分为皮肤层、脂肪层和骨骼层3层结构，每层长×宽×高为80 mm×48 mm×4 mm（初始值）。通过调节脂肪层的厚度，模拟人体不同的测温部位。根据双通道热量流动模型需要，在皮肤层上建立不同高度的传热体（圆柱体），直径为17 mm，两传热体高度初始值为别为4、10 mm。通过调节两传热体的高度及高度比，模拟导热性能的差异。此外从材料库中为各层组织和传热体定义材料及其属性，见表1。

图2 几何模型

表1 各层组织和传热体热属性参数[19]

为设置仿真模型生物传热物理场，本文引入基于Pennes近似的生物热方程描述生物组织内传热，其中血液密度为1000 kg/m³，动脉血液温度为310.15 K，血液比热容为4200 J/（kg·K），代谢热源为0。此后，为与外界环境接触的皮肤层表面和传热体表面均定义了表面对环境辐射和热通量的边界条件，其中环境温度初始值为299.15 K。未暴露在环境的人体组织各层表面则为热绝缘层。传热体初始温度与外界环境一致，骨骼层初始温度与核心温度一致为310.15 K，脂肪层、皮肤层在核温基础上递减并高于外界环境温度。本文利用物理场控制网格划分后，采用仿真软件进行求解计算，同时对传热体上、下底面中心的温度进行监测。该模型求解的温度分布如图3所示。

图3 温度分布

2.2 测量部位

GB/T 21416-2008[24]中虽然对电子体温计测量部位提出了要求，但并未对测量部位进行绝对的限制。目前应用较广泛的棒式电子体温计通常放置于人体的口腔、腋下、肛门等部位进行体温测量。近年来，通过凝胶等方式将产品贴于人体体表（如胸口、腋下）的电子体温计种类也越来越多。测量部位不同，其皮肤及皮下组织的厚度也存在差异，如额头脂肪组织较其他部位少，基于此，本文首先对不同厚度的脂肪层h脂进行测试，同时记录K、Tcore以及监测传热体上下表面的4个温度。如图4所示，根据公式（2）计算的K估计值（Ke）与真实值基本相等，验证了模型的准确性；同时，根据仿真统计结果，脂肪层厚度从初始值4 mm每增加2 mm，达到稳态时间相应地增加3 min，表明脂肪层厚度会影响测温时间，即测温时应根据测量部位确定测温时间。

图4 不同脂肪厚度时的仿真结果

2.3 导热胶量

在对体温测量设备的现场检查过程中发现某些企业会在测温传感器（常见为热敏电阻）处通过涂导热胶以加强导热性，从而减少温度向外界的传递，保证稳定地测量温度。然而，针对点胶这一生产工艺，不同企业使用的方法存在差异，且质量控制程度也存在较大差异，如部分企业通过经验证的设备及工艺参数进行点胶，部分企业凭经验和未计量的工具进行点胶。在本文的模型中，针对不同的传热体高度，对测温过程进行分析。当两个传热体（传热体1和传热体2）高度比值一定，即K不变时，随着传热体高度增加，达到稳态的时间也随之非线性增加，且增加量与传热体高度有关。当传热体2高度不变时，达到稳态时间随传热体1的高度增大而增加。表明涂抹的导热胶量影响产品的测温时间。由于企业涂抹导热胶的位置和选择导热胶种类存在明显差异，对测温时间和精度的影响也不相同，所以企业应在设计转换过程中对胶量进行验证，生产过程中应对生产工艺的稳定性进行控制。

2.4 外界环境干扰

外界环境尤其室内环境通常低于人体温度，可能会影响体温测量结果。在对贴式电子体温计的现场检查过程中，关注到企业对产品结构的设计和外壳材料的选择有所不同。部分产品外壳较厚，可以有效隔绝热量向外的传递；而部分产品较轻薄舒适，厚度小至1 mm，材料易于传热，但同样也更容易散热。企业通常不会在恒温室内对贴式电子体温计进行研发或检验，因此讨论外界环境是否会对贴式电子体温计测量过程产生影响很有必要。本文通过在两个传热体外部加入1个长方体隔热罩（材料为闭孔泡沫材料）模拟隔热设计，其温度分布如图5所示。经仿真，有隔热罩（或无隔热罩）模型在不同环境温度条件下进入稳态时间接近，但环境温度越低，稳态时传热体上监测位置的温度越低。相同环境温度下，无隔热罩模型进入稳态的时间要比有隔热罩的模型长2 min左右。因此，如果产品外壳薄且选用隔热性能差的材料，企业需考虑测温过程中可能会受到外界环境的影响，应测试产品在不同外界温度影响下不同测量时间的结果，进而获得更为准确的测温拟合曲线。

图5 带有隔热罩模型（透明视图）的温度分布

3 讨论

当前电子体温计产品的审评依据主要为标准GB/T 21416-2008[24]及《医用电子体温计注册技术审查指导原则（2017年修订版）》[25]，检查依据主要为《医疗器械生产质量管理规范》[26]及其指导原则。随着电子体温计市场占有量和种类的增多，加强对新产品类型的审评和检查很有必要。本文根据仿真结果，对上述审评和检查依据进行细化和补充，提出医疗器械审评查验时的3个关注内容：① 在技术审评时，审评员应当充分考虑产品测量部位对体温估算的影响，不同的测量部位，其皮下组织的厚度不同，测温时间和精度不同，技术审评员应建议企业在注册申报提交的说明书、研究资料等材料中体现测量部位、具体测量方法、测量结果含义，以及测量时间的验证资料等；② 检查员在现场检查过程中应当关注产品生产工艺及关键工艺参数的验证或确认报告，如企业通过涂导热胶加强测温传感器或探头内部的导热性，应当对胶量进行设计验证，并在生产过程中进行质量控制，根据产品结构和生产工艺，审评员可结合申报产品现场检查情况，建议企业提交相应的研究资料，进而判断内部导热是否稳定；③ 审评员和检查员应关注电子体温计产品测温是否易受外界温度的影响，现场检查时，应重点关注产品的原材料选择、结构设计（如传感器的位置）、隔热设计等，必要时，企业应在注册过程中提供外界环境对精度和重复性有影响的验证资料。本文仅分析了电子体温计的审评查验时关注的内容，后续的研究中，还将针对具有人体体温测量功能的智能穿戴设备产品进行分析，进一步探讨此类产品通过医疗器械审批的要求。

4 结论

本文基于双通道热量流动模型原理，结合仿真分析方法对测量部位、内部导热性和外界环境干扰3个测温影响因素进行了分析。仿真结果和分析总结的审评查验关注点，可应用于第Ⅱ类医疗器械电子体温计产品的技术审评、现场检查等工作，为电子体温计产品有效性提供了一定的保障。