構(gòu)建可靠的電池供電型臨床級無線溫度計，實現(xiàn)持續(xù)監(jiān)測

對于醫(yī)療服務(wù)提供者和患者而言，監(jiān)測患者體溫是必要的，但這種做法會造成干擾。無線溫度計能夠在臨床環(huán)境和家中，以非侵入方式定期測量體溫，這種功能會深受醫(yī)療服務(wù)提供者和患者的歡迎。然而，對于開發(fā)人員來說，相應(yīng)的解決方案往往無法滿足對高精度以及長時間低功耗無線操作的需求，因而難以確保滿意的用戶體驗。

本文將介紹臨床級溫度計的關(guān)鍵要求，并說明開發(fā)人員如何結(jié)合使用Texas Instruments的高精度數(shù)字溫度傳感器與無線微控制器，來滿足這些似乎完全矛盾的要求。

臨床級溫度計要求

在醫(yī)療保健領(lǐng)域，體溫與心率、血壓和呼吸頻率一起并列為四大主要生命體征。體溫除了可用來辨別感冒或流感等疾病以外，也是一種重要的臨床指標。體溫的微小變化，可以是判斷患者對用藥或輸血等治療有不良反應(yīng)的最早指征。因此，若要確保持續(xù)護理以及在出現(xiàn)并發(fā)癥時發(fā)出需要干預(yù)的信號，精確的體溫測量必不可少。

體溫微小變化的意義非常重要，因此臨床級溫度計必須滿足 ASTM E1112 和 ISO-80601-2-56 標準中規(guī)定的精度和校準要求。ASTM E1112 標準由 ASTM International（前身為美國檢測與材料協(xié)會）制定，要求用于臨床應(yīng)用的溫度計必須滿足以下各溫度范圍的最大誤差率要求：

• 在 37.0?C 至 39.0°C 溫度范圍內(nèi)（通常表明輕微至中度發(fā)熱），最大誤差為 ±0.1°C
• 在 35.8?C 至 36.9°C 溫度范圍內(nèi)（在某些個體中可能表明體溫過低），最大誤差為 ±0.2°C
• 在 39.1?C 至 41.0°C 溫度范圍內(nèi)（表明更嚴重的身體狀況，包括高燒或體溫過高），最大誤差為 ±0.2°C
• 在體溫低于 35.8°C 或高于 41.0°C 時，最大誤差為 ±0.3°C

盡管臨床級體溫監(jiān)測在臨床上非常重要，但它過去依賴昂貴的床邊監(jiān)護儀來提供所需的精度級別。為持續(xù)監(jiān)測體溫，醫(yī)療服務(wù)提供者不得不給患者接上電纜，而在某些環(huán)境（如新生兒病房）中，這樣做至少是不方便的，甚至是不可能的。無線溫度監(jiān)測可以是一種有效的替代方案，但開發(fā)人員一直很難創(chuàng)建能夠同時滿足諸多要求的無線設(shè)計。除了要滿足臨床級精度和低功耗電池工作的基本要求外，此類無線監(jiān)測器的設(shè)計還必須確保患者的舒適度，在持續(xù)幾小時甚至幾天的工作期間始終不會對患者造成干擾，并且確保電池壽命可保證長時間的可靠工作。對于可滿足這些要求的設(shè)計，Texas Instruments 的TMP117MAIDRVT溫度傳感器可用作關(guān)鍵的支持組件。

臨床級溫度傳感器

TMP117MAIDRVT（下文簡稱 TMP117）將模擬溫度傳感子系統(tǒng)與 I2C 串行接口、EEPROM 和控制邏輯組合在一起，還具有可編程的警報功能，能夠在溫度超出指定范圍時發(fā)出信號。在該溫度傳感子系統(tǒng)中，傳感器調(diào)節(jié)電路將雙極結(jié)型晶體管 (BJT) 硅帶隙溫度傳感器的輸出，提供給 16 位片上模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)（圖 1）。

圖 1：Texas Instruments 的 TMP117 集成了所需的全部模擬和數(shù)字元器件，能夠以最低功耗提供高精度溫度測量功能。（圖片來源：Texas Instruments）

TMP117 專為支持臨床應(yīng)用而設(shè)計，能夠完全滿足 ASTM E1112 和 ISO-80601-2-56 標準對臨床用電子溫度計的要求。該器件不僅可在 37.0°C 至 39.0°C 范圍內(nèi)滿足 ±0.1°C 最大誤差要求，而且能在 -20°C 至 50°C 范圍內(nèi)實現(xiàn)該精度水平，而無需任何校準。TMP117 在建議的 -55°C 至 150°C 整個工作范圍內(nèi)具有出色的精度性能，因此甚至可以充當 AA 類電阻溫度檢測器 (RTD) 的替代品（圖 2）。

圖 2：Texas Instruments 的 TMP117 數(shù)字溫度傳感器設(shè)計符合臨床級電子溫度計的標準，在其工作溫度范圍內(nèi)的精度超出了 AA 級 RTD 的精度。（圖片來源：Texas Instruments）

TMP117 采用 2 mm x 2 mm 尺寸的 6 引腳封裝，工作電壓為 1.8 至 5.5 伏，平均電流消耗只需 3.5 微安 (μA)（轉(zhuǎn)換速率為 1 赫茲 (Hz)），而在關(guān)斷模式下只需 150 納安 (nA)。此外，開發(fā)人員可以使用該器件的單次轉(zhuǎn)換功能，最大限度地延長 TMP117 處于超低功耗關(guān)斷模式的時間。

單次模式可使器件在活動轉(zhuǎn)換階段后立即進入關(guān)斷模式。相比之下，該器件默認的連續(xù)轉(zhuǎn)換模式可使其在一段可編程時間內(nèi)，在 1.25 μA 待機模式下保持活動狀態(tài)。在單次模式下，每次溫度測量都涉及一個活動轉(zhuǎn)換階段，大約持續(xù) 15.5 毫秒 (ms)，共消耗約 135 μA 電流。

這兩種模式使開發(fā)人員能夠通過犧牲功耗換取更高的轉(zhuǎn)換速率，而平均模式讓他們能夠通過犧牲功耗換取更高的噪聲抗擾度。在平均模式下，該器件會自動執(zhí)行 8 次連續(xù)的轉(zhuǎn)換，生成平均結(jié)果。使用這種模式時，器件能夠在轉(zhuǎn)換后的數(shù)字結(jié)果中實現(xiàn)最低有效位 (LSB) 為 ±1 的可重復性，而在非平均模式下 LSB 為 ±3。

設(shè)計挑戰(zhàn)

借助單次模式和平均模式等集成功能，TMP117 可在 2 mm x 2 mm WSON（小型超薄無鉛）封裝中提供完整的數(shù)字溫度測量傳感器，并且僅采用 6 個引腳： V+ 電源、接地、串行數(shù)據(jù)、串行時鐘、串行總線地址選擇和警報功能。因此，硬件接口設(shè)計所需的工作量不會超過任何典型 I2C 串行器件所需的工作量。然而在實踐中，相對而言，這種或任何其他高精度溫度傳感器的設(shè)計挑戰(zhàn)，更多存在于為熱管理而優(yōu)化的物理布局設(shè)計中，而不是硬件接口的設(shè)計中。

板載熱管理功能：數(shù)字溫度計的一個有趣問題

對于體溫傳感器，其設(shè)計必須盡可能減少來自其他熱源的導熱路徑，同時最大化對患者的導熱率。為了盡可能減小來自其他熱源的影響，開發(fā)人員可以將傳感器安裝在遠離主板的 PC 板狹窄支臂的末端。這樣可以有效地使傳感器與主設(shè)計中的熱源相互隔熱。然而，即使有理想的隔熱機制，任何電子器件也會受到自熱效應(yīng)的影響，從而可能有損溫度傳感器的精度。而 TMP117 的低功耗特性有助于在此情況中最大限度地減小自熱效應(yīng)。隨著時間的推移，該器件的自熱反應(yīng)與其供電電壓成比例上升，但變化只有毫攝氏度水平 (mC)（圖 3）。開發(fā)人員通過使用單次模式，可以縮短器件的有源工作時間，使自熱效應(yīng)保持在個位數(shù)的 mC 水平。

圖 3：與任何半導體器件一樣，Texas Instruments 的 TMP117 數(shù)字溫度傳感器也產(chǎn)生自熱效應(yīng)，隨著供電電壓的增高而提升。不過，這些效應(yīng)保持在毫攝氏度水平。（圖片來源：Texas Instruments）

更困難的設(shè)計挑戰(zhàn)在于，如何優(yōu)化器件與患者皮膚之間的導熱路徑。為幫助提高向底層板或組件的導熱率，該器件封裝包括大型裸露導熱墊，該導熱墊并不接地，而是純粹用于提高經(jīng)由該封裝到 BJST 硅帶隙傳感器的傳熱性能。Texas Instruments 建議在器件的導熱墊下面填充固體覆銅，以優(yōu)化該器件與 PC 板之間的導熱路徑。

然而，對于與皮膚接觸的最終觸頭，TI 建議使用過孔和采用生物相容性材料（如導熱聚合物）的最后涂層，而不是繼續(xù)使用覆銅。這是因為銅可能會引起皮膚發(fā)生腐蝕或其他反應(yīng)。最后建議使用的組件是簡單的雙層層疊，旨在降低制造成本，同時在器件與皮膚之間提供必要的導熱率（圖 4）。

圖 4：為了確保可靠傳熱及快速響應(yīng)皮膚溫度的變化，這一有效熱設(shè)計使用了帶導熱底部填充膠或氣隙（如適用）的層疊和一對過孔，來提高器件與患者皮膚之間的導熱率。（圖片來源：Texas Instruments）

低功耗無線數(shù)字溫度計的參考設(shè)計

Texas Instruments 在無線臨床級溫度計的綜合性參考設(shè)計中，演示了如何將 TMP117 與適當?shù)臒峁芾矸椒ㄅ浜鲜褂?。在此設(shè)計中，Texas Instruments 將 TMP117 與低功耗的 Texas InstrumentsCC2640R2F藍牙微控制器一起結(jié)合使用。除了用作主處理器的 Arm?Cortex?-M3 32 位內(nèi)核外，CC2640R2F 還集成了專用的射頻 (RF) 內(nèi)核子系統(tǒng)及其自身專用的 Arm Cortex-M0 內(nèi)核和 RF 收發(fā)器（圖 5）。

圖 5：Texas Instruments 的 CC2640R2F 無線微控制器結(jié)合了主處理器和射頻 (RF) 內(nèi)核，為傳感器（如 Texas Instruments TMP117）提供單芯片無線連接解決方案。（圖片來源：Texas Instruments）

借助該 MCU 本身集成的功能，此設(shè)計只需使用一個 3 伏薄膜電池（如Molex的0132990001）和幾個額外的無源元器件，即可提供完整的電池供電解決方案。構(gòu)建的設(shè)計可通過醫(yī)用膠帶粘附在人體上，提供連續(xù)幾天的持續(xù)監(jiān)測，盡管薄膜柔性電池的容量相對有限。該參考設(shè)計提供的完整解決方案使用帶上述加長支臂的柔性 PC 板，對 2 mm x 2 mm TMP117 IC 進行隔熱（圖 6）。

圖 6：Texas Instruments 的無線溫度計參考設(shè)計提供了柔性印刷電路板的硬件原理圖和布局設(shè)計文件，該電路板可通過醫(yī)用膠帶粘附到患者的皮膚，用于持續(xù)測量體溫。在規(guī)格方面，請注意 TMP117 的尺寸是 2 mm x 2 mm。（圖片來源：Texas Instruments）

TI 還提供了一個相關(guān)的樣例應(yīng)用程序，演示如何使用藍牙廣告協(xié)議，將皮膚貼片的溫度讀數(shù)傳輸?shù)揭苿釉O(shè)備。藍牙廣告協(xié)議旨在向附近的藍牙設(shè)備提供短信息，允許開發(fā)人員向標準藍牙廣告包添加幾個字節(jié)的數(shù)據(jù)。

該樣例軟件在 TI-RTOS 工作環(huán)境中構(gòu)建，其中包括一個模塊tida_01624.c，該模塊演示了如何使用 TI 的低功耗藍牙 (BLE) 堆棧，在藍牙廣告包中傳輸 TMP117 溫度讀數(shù)。雖然使用 BLE 堆?？赡鼙容^復雜，但該 TI 軟件架構(gòu)可將通過堆棧的數(shù)據(jù)流抽象化。對于具體的應(yīng)用程序?qū)嵗?a target="_blank">SimplePeripheral，該應(yīng)用程序在任務(wù)函數(shù)SimplePeripheral_taskFxn()中的主循環(huán)內(nèi)執(zhí)行。在初始化該應(yīng)用程序后，軟件框架的事件管理服務(wù)會將控制流帶到一段代碼中，該代碼會讀取 TMP117 傳感器 (sensorRead())，將生成的溫度測量值加載到廣告包的有效載荷中，并使用生成的數(shù)據(jù)包啟動藍牙廣告（清單 1）。

復制static void SimplePeripheral_taskFxn(UArg a0, UArg a1) { // Initialize application SimplePeripheral_init(); // Application main loop for (;;) { uint32_t events; // Waits for an event to be posted associated with the calling thread.// Note that an event associated with a thread is posted when a // message is queued to the message receive queue of the thread events = Event_pend(syncEvent, Event_Id_NONE, SBP_ALL_EVENTS, ICALL_TIMEOUT_FOREVER); if (events) { ...if (events & SBP_PERIODIC_EVT) { uint16_t uiTempData; Util_startClock(&periodicClock); // Read the last converted temperature and then start the next // temperature conversion.uiTempData = sensorRead(); // Update the Auto Advertisement Data advertData[9] = (uiTempData & 0xFF00) >> 8; advertData[10] = uiTempData & 0xFF; GAPRole_SetParameter(GAPROLE_ADVERT_DATA, sizeof(advertData), advertData); // Perform periodic application task SimplePeripheral_performPeriodicTask(uiTempData); } } } }

清單 1：Texas Instruments 的無線溫度計樣例應(yīng)用程序演示了 TI 藍牙堆棧框架的使用。該框架將應(yīng)用程序構(gòu)建到一個主循環(huán)中，該循環(huán)用于調(diào)用開發(fā)人員的代碼來讀取傳感器數(shù)據(jù)，在本例中是在發(fā)生事件（如定時器到期）時調(diào)用。（代碼來源：Texas Instruments）

除了基本的初始化和配置外，與 TMP117 的軟件交互也簡單直接。例如，上述應(yīng)用程序主循環(huán)中使用的sensorRead()函數(shù)只簡單地執(zhí)行用于傳輸測量結(jié)果的 I2C 事務(wù)（清單 2）。

復制static uint16_t sensorRead(void) { uint16_t temperature; uint8_t txBuffer[3]; uint8_t rxBuffer[2]; I2C_Transaction i2cTransaction; /* Point to the T ambient register and read its 2 bytes */ txBuffer[0] = TMP117_OBJ_TEMP; i2cTransaction.slaveAddress = Board_TMP_ADDR; i2cTransaction.writeBuf = txBuffer; i2cTransaction.writeCount = 1; i2cTransaction.readBuf = rxBuffer; i2cTransaction.readCount = 2; if (I2C_transfer(i2c, &i2cTransaction)) { /* Extract degrees C from the received data; see TMP117 datasheet */ temperature = (rxBuffer[0] << 8) | (rxBuffer[1]); ? ??????? /* ???????? * If the MSB is set '1', then we have a 2's complement ???????? * negative value which needs to be sign extended 7.8125 mC ???????? */ ??????? if (temperature & 0x8000) { ??????????? temperature ^= 0xFFFF; ??????????? temperature? = temperature + 1; ??????? } ??? } ??? else { ??????? Display_printf(dispHandle, 0, 0, "I2C Bus fault"); ??? } ? ??? /* Start the next conversion in one-shot mode */ ??? txBuffer[0] = TMP117_OBJ_CONFIG; ??? txBuffer[1] = 0x0C; ??? txBuffer[2] = 0x20; ??? i2cTransaction.slaveAddress = Board_TMP_ADDR; ??? i2cTransaction.writeBuf = txBuffer; ??? i2cTransaction.writeCount = 3; ??? i2cTransaction.readBuf = rxBuffer; ??? i2cTransaction.readCount = 0; ? ??? /* Wait for the I2C access for configuration.If it fails ???? * then sleep for 1 second and try again.This is a must ???? * to do before reading the device.*/ ??? while(!(I2C_transfer(i2c, &i2cTransaction))); ? ??? return(temperature); }

清單 2：在 Texas Instruments 的無線溫度計樣例應(yīng)用程序中，用于讀取 TMP117 傳感器數(shù)據(jù)的函數(shù)只需調(diào)用幾次 I2C 軟件服務(wù)。（代碼來源：Texas Instruments）

除了演示藍牙堆棧和 TI-RTOS 的使用外，樣例軟件還提供了現(xiàn)成的應(yīng)用程序，用于將溫度讀數(shù)傳輸?shù)竭\行 TI SimpleLink SDK Explorer 移動應(yīng)用程序（具有iOS和Android兩種版本）的移動設(shè)備。除了預(yù)建的應(yīng)用程序，TI 還針對每種移動平臺提供了含完整源代碼的SimpleLink SDK Explorer 應(yīng)用程序分發(fā)包，以及適用于 CC2640R2 MCU 的 TI SDK Explorer Bluetooth 插件。

總結(jié)

由于無法同時滿足測量精度高和電池壽命長的需求，一直難以設(shè)計出對用戶友好且有效的臨床級無線溫度計。Texas Instruments 的 TMP117 溫度傳感器具有低功耗和臨床級精度，因此提供了一種有效的解決方案。正如在綜合性參考設(shè)計中所演示，開發(fā)人員可以結(jié)合使用 TMP117 與 Texas Instruments 的 CC2640R2 無線藍牙微控制器，構(gòu)建適用于醫(yī)療應(yīng)用的完整無線溫度計設(shè)計。