在前幾篇文章中，我們已經(jīng)就溫度傳感器的基本原理進(jìn)行了介紹。了解患者的體溫是任何臨床診斷的關(guān)鍵第一步，也是運(yùn)動員的重要關(guān)注點。除了要求超高精度外，行業(yè)正朝著緊湊型可穿戴設(shè)備的方向發(fā)展，以提供持續(xù)的溫度監(jiān)測。精度高達(dá) 0.1°C 的溫度傳感器不僅符合美國材料與試驗協(xié)會 (ASTM) E1112 對醫(yī)用溫度計的要求，而且還經(jīng)過優(yōu)化，可使電池供電的可穿戴設(shè)備保持緊湊和舒適。
簡介
在臨床環(huán)境中監(jiān)測患者生命體征通常是需要經(jīng)過嚴(yán)格校準(zhǔn)的昂貴系統(tǒng)所執(zhí)行的工作，需要將患者束縛在臨床監(jiān)護(hù)儀旁邊。無線患者監(jiān)測系統(tǒng)可提供患者舒適性和臨床便利性，只要仍然符合嚴(yán)格的醫(yī)療標(biāo)準(zhǔn)即可。
在設(shè)計可穿戴式溫度監(jiān)測儀時，需要在功耗、尺寸、系統(tǒng)性能（射頻 [RF] 和精度方面）和患者舒適度之間進(jìn)行許多權(quán)衡。例如，更輕薄、更柔軟的電池提供更大的舒適性，但可能需要更精心的電源管理。
更小、更低成本的設(shè)計需要在隔熱和射頻性能方面做出犧牲。用于長期監(jiān)測的解決方案必須充分利用電路板面積來提高精度和信號完整性，同時盡可能降低電流消耗。系統(tǒng)設(shè)計人員必須平衡這些要求以及患者的舒適度和體驗。
溫度計的合規(guī)性
美國材料與試驗協(xié)會 (ASTM) E1112 和國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO) 80601-2-56:2017 是間歇性電子式患者溫度計的監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)。對于符合 ASTM E1112 標(biāo)準(zhǔn)的臨床溫度測量應(yīng)用，體溫監(jiān)測儀必須能夠產(chǎn)生 ±0.1°C 精度的讀數(shù)，還必須讀取并顯示最低 35.8°C 至 41.0°C 的溫度。至少，任何溫度監(jiān)測設(shè)計都應(yīng)該包括一個能夠在校準(zhǔn)后滿足這些要求的傳感元件。
TI 建議對可穿戴式溫度監(jiān)測儀使用 TMP117 超高精度數(shù)字溫度傳感器。該器件本身在 25°C 至 50°C 溫度范圍內(nèi)的精度優(yōu)于 0.1°C，無需校準(zhǔn)即可滿足 ASTM E1112和 ISO 80601-2-56:2017 的要求。此外，TMP117 的低總電流消耗和單次觸發(fā)模式非常適合電池供電的應(yīng)用。與基于電阻溫度檢測器 (RTD) 或熱敏電阻的解決方案相比，TMP117 的數(shù)字 I2C 輸出還極大地簡化了系統(tǒng)設(shè)計。
布局注意事項
即使采用合適的傳感元件，確保整體系統(tǒng)精度仍然需要仔細(xì)進(jìn)行電路板布局。若要監(jiān)測皮膚溫度，最佳布局應(yīng)滿足以下條件：
?最大限度提高傳感元件和其他器件之間的隔熱能力。
?最大限度降低溫度傳感元件周圍的熱質(zhì)量以加快響應(yīng)速度。
?在患者和傳感元件之間提供良好的熱接觸，使傳感器和目標(biāo)之間的溫度梯度最小化。
優(yōu)化隔熱和熱質(zhì)量
下圖顯示了一個皮膚溫度監(jiān)測系統(tǒng)示例。TMP117 數(shù)字溫度傳感器使用窄臂從印刷電路板 (PCB) 的其余部分進(jìn)行延伸，從而最大限度減少電路板其余部分的熱傳導(dǎo)。
TMP117 (U1) 位于柔性 PCB 上。使用延伸臂可將集成電路與其他器件產(chǎn)生的熱量隔開。
下圖顯示了相同雙層柔性 PCB 的疊層。使用柔性板有助于減少總體熱質(zhì)量，從而改善患者監(jiān)測儀的熱響應(yīng)時間。在電路板頂部和底部之間省略銅填充會阻止從 TMP117 吸走熱量并增加熱質(zhì)量。
柔性疊層示例，使厚度最小化以降低熱質(zhì)量。
熱接觸
為了對患者皮膚溫度進(jìn)行可靠測量，需要被監(jiān)測患者與傳感器件之間實現(xiàn)良好的熱接觸。這種熱接觸與電路板其余部分的熱隔離相互配合，可確保報告的溫度盡可能接近患者的實際皮膚溫度。使用 TMP117，牢固的覆銅和接觸過孔可以在電路板下面提供導(dǎo)熱路徑，如下圖所示。焊盤與穿戴者的皮膚直接接觸，并確保該器件的主要熱源來自被監(jiān)測者。
覆銅位于 TMP117 下面（左）；TMP117 的頂部布局（U1，右）。TMP117 下面的過孔和覆銅在患者皮膚與器件之間提供導(dǎo)熱路徑。
自發(fā)熱
無論選擇何種傳感元件和布局，鑒于醫(yī)用溫度計的嚴(yán)格精度要求，均需要了解器件自發(fā)熱影響。由于所選的傳感元件會發(fā)生電阻損耗，因此始終存在一定程度的自發(fā)熱。TMP117 可配置為單次觸發(fā)模式轉(zhuǎn)換，并可在連續(xù)讀取之間保持關(guān)斷模式，從而最大限度減少自發(fā)熱。TMP117 的單次觸發(fā)特性可以使用可配置數(shù)量的平均讀數(shù)來觸發(fā)各個溫度讀數(shù)。人體溫度通常不會在大約幾秒鐘內(nèi)就出現(xiàn)變化，因此以 10 到 60 秒的間隔讀取這些讀數(shù)足以長時間監(jiān)測患者體溫。此方法還具有延長系統(tǒng)有效電池壽命的額外好處。
系統(tǒng)功率
電源要求將根據(jù)整體系統(tǒng)設(shè)計而有所不同，但大多數(shù)無線患者監(jiān)測儀需要有足夠的能量存儲，確保能維持?jǐn)?shù)年的貨架期，并至少有 48 至 72 小時的有效使用壽命。紐扣電池輕而易舉就能滿足這些能量要求，但它們是完全剛性的，可能會讓患者感到不舒服。在一次性貼片中，基于紐扣電池的解決方案可能非常浪費(fèi)。
另一種能量存儲選擇是使用薄膜柔性電池。由于這些電池的存儲容量很小，若要使用這些電池，總系統(tǒng)功耗必須極小。如果僅進(jìn)行間歇性溫度監(jiān)測，使用柔性電池供電的系統(tǒng)可以輕松滿足具體應(yīng)用的電池要求，可確保數(shù)年的貨架期和 48 至 72 小時的有效使用時間。
進(jìn)行系統(tǒng)權(quán)衡
雖然遵循布局建議對于滿足 ASTM E1112 和 ISO 80601-2-56 標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要，但還有其他系統(tǒng)設(shè)計注意事項。為了使患者感到舒適，最好將非溫度監(jiān)測器件和射頻區(qū)域保持在盡可能小的面積內(nèi)。保持電路板的填充區(qū)域緊湊有助于減小監(jiān)測儀上使患者感到僵硬的區(qū)域。
對于射頻通信，任何能在柔性 PCB 上工作的無線協(xié)議都是可行的。由于大多數(shù)可穿戴式患者監(jiān)測儀都希望保持低功耗，因此 TI 建議使用低功耗 Bluetooth? 無線通信鏈路。如果從監(jiān)測儀發(fā)送的信息只有溫度，則可以將監(jiān)測儀配置為連同其配對 ID 一起廣播溫度讀數(shù)。以這種方式發(fā)送信息消除了建立和維持實際連接的必要，甚至可進(jìn)一步降低系統(tǒng)功耗。
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