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[分享] 温度问题为您解决(六)可穿戴式温度传感的设计挑战

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发表于 2020-2-17 20:54 | 显示全部楼层 |阅读模式

在前几篇文章中,我们已经就温度传感器的基本原理进行了介绍。了解患者的体温是任何临床诊断的关键第一步,也是运动员的重要关注点。除了要求超高精度外,行业正朝着紧凑型可穿戴设备的方向发展,以提供持续的温度监测。精度高达 0.1°C 的温度传感器不仅符合美国材料与试验协会 (ASTM) E1112 对医用温度计的要求,而且还经过优化,可使电池供电的可穿戴设备保持紧凑和舒适。

 

简介

 

在临床环境中监测患者生命体征通常是需要经过严格校准的昂贵系统所执行的工作,需要将患者束缚在临床监护仪旁边。无线患者监测系统可提供患者舒适性和临床便利性,只要仍然符合严格的医疗标准即可。

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在设计可穿戴式温度监测仪时,需要在功耗、尺寸、系统性能(射频 [RF] 和精度方面)和患者舒适度之间进行许多权衡。例如,更轻薄、更柔软的电池提供更大的舒适性,但可能需要更精心的电源管理。

 

更小、更低成本的设计需要在隔热和射频性能方面做出牺牲。用于长期监测的解决方案必须充分利用电路板面积来提高精度和信号完整性,同时尽可能降低电流消耗。系统设计人员必须平衡这些要求以及患者的舒适度和体验。

 

温度计的合规性

 

美国材料与试验协会 (ASTM) E1112 和国际标准化组织(ISO) 80601-2-56:2017 是间歇性电子式患者温度计的监管标准。对于符合 ASTM E1112 标准的临床温度测量应用,体温监测仪必须能够产生 ±0.1°C 精度的读数,还必须读取并显示最低 35.8°C 至 41.0°C 的温度。至少,任何温度监测设计都应该包括一个能够在校准后满足这些要求的传感元件。

 

TI 建议对可穿戴式温度监测仪使用 TMP117 超高精度数字温度传感器。该器件本身在 25°C 至 50°C 温度范围内的精度优于 0.1°C,无需校准即可满足 ASTM E1112和 ISO 80601-2-56:2017 的要求。此外,TMP117 的低总电流消耗和单次触发模式非常适合电池供电的应用。与基于电阻温度检测器 (RTD) 或热敏电阻的解决方案相比,TMP117 的数字 I2C 输出还极大地简化了系统设计。

 

布局注意事项

 

即使采用合适的传感元件,确保整体系统精度仍然需要仔细进行电路板布局。若要监测皮肤温度,最佳布局应满足以下条件:

•最大限度提高传感元件和其他器件之间的隔热能力。

•最大限度降低温度传感元件周围的热质量以加快响应速度。

•在患者和传感元件之间提供良好的热接触,使传感器和目标之间的温度梯度最小化。

 

优化隔热和热质量

 

下图显示了一个皮肤温度监测系统示例。TMP117 数字温度传感器使用窄臂从印刷电路板 (PCB) 的其余部分进行延伸,从而最大限度减少电路板其余部分的热传导。

 

image-20200217205155-2.png

TMP117 (U1) 位于柔性 PCB 上。使用延伸臂可将集成电路与其他器件产生的热量隔开。

 

下图显示了相同双层柔性 PCB 的叠层。使用柔性板有助于减少总体热质量,从而改善患者监测仪的热响应时间。在电路板顶部和底部之间省略铜填充会阻止从 TMP117 吸走热量并增加热质量。

 

image-20200217205155-3.png

柔性叠层示例,使厚度最小化以降低热质量。

 

热接触

 

为了对患者皮肤温度进行可靠测量,需要被监测患者与传感器件之间实现良好的热接触。这种热接触与电路板其余部分的热隔离相互配合,可确保报告的温度尽可能接近患者的实际皮肤温度。使用 TMP117,牢固的覆铜和接触过孔可以在电路板下面提供导热路径,如下图所示。焊盘与穿戴者的皮肤直接接触,并确保该器件的主要热源来自被监测者。

 

image-20200217205155-4.png

覆铜位于 TMP117 下面(左);TMP117 的顶部布局(U1,右)。TMP117 下面的过孔和覆铜在患者皮肤与器件之间提供导热路径。

 

自发热

 

无论选择何种传感元件和布局,鉴于医用温度计的严格精度要求,均需要了解器件自发热影响。由于所选的传感元件会发生电阻损耗,因此始终存在一定程度的自发热。TMP117 可配置为单次触发模式转换,并可在连续读取之间保持关断模式,从而最大限度减少自发热。TMP117 的单次触发特性可以使用可配置数量的平均读数来触发各个温度读数。人体温度通常不会在大约几秒钟内就出现变化,因此以 10 到 60 秒的间隔读取这些读数足以长时间监测患者体温。此方法还具有延长系统有效电池寿命的额外好处。

 

系统功率

 

电源要求将根据整体系统设计而有所不同,但大多数无线患者监测仪需要有足够的能量存储,确保能维持数年的货架期,并至少有 48 至 72 小时的有效使用寿命。纽扣电池轻而易举就能满足这些能量要求,但它们是完全刚性的,可能会让患者感到不舒服。在一次性贴片中,基于纽扣电池的解决方案可能非常浪费。

 

另一种能量存储选择是使用薄膜柔性电池。由于这些电池的存储容量很小,若要使用这些电池,总系统功耗必须极小。如果仅进行间歇性温度监测,使用柔性电池供电的系统可以轻松满足具体应用的电池要求,可确保数年的货架期和 48 至 72 小时的有效使用时间。

 

进行系统权衡

 

虽然遵循布局建议对于满足 ASTM E1112 和 ISO 80601-2-56 标准至关重要,但还有其他系统设计注意事项。为了使患者感到舒适,最好将非温度监测器件和射频区域保持在尽可能小的面积内。保持电路板的填充区域紧凑有助于减小监测仪上使患者感到僵硬的区域。

 

对于射频通信,任何能在柔性 PCB 上工作的无线协议都是可行的。由于大多数可穿戴式患者监测仪都希望保持低功耗,因此 TI 建议使用低功耗 Bluetooth® 无线通信链路。如果从监测仪发送的信息只有温度,则可以将监测仪配置为连同其配对 ID 一起广播温度读数。以这种方式发送信息消除了建立和维持实际连接的必要,甚至可进一步降低系统功耗。

 

点击这里,快速定位TI模拟专栏,获得有关此主题的更多信息,或有关测量温度的一般性建议。

 

温度问题为您解决(一)温度传感基本原理

 

温度问题为您解决(二)系统温度监测

 

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一粒金砂(中级)

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发表于 2020-2-18 09:50 | 显示全部楼层

这个开发对于当下是很有现实意义的,非常感谢分享!



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纯净的硅(初级)

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发表于 2020-2-19 10:14 | 显示全部楼层

相当好



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