一種植入式無線體溫監(jiān)測系統(tǒng)的研究

引言

在動物活體實(shí)驗(yàn)的特殊環(huán)境中，實(shí)驗(yàn)人員屬于高危易感染人群。因此，要盡量減少這些人員與實(shí)驗(yàn)動物的接觸。而體溫是臨床醫(yī)護(hù)采集病史和資料過程中最重要的客觀指標(biāo)之一，其準(zhǔn)確性直接影響到疾病的診斷和治療[1]。同樣，在活體動物實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)人員常常關(guān)注實(shí)驗(yàn)體的體溫隨著時(shí)間變化的情況。

在具有高傳染性的動物活體實(shí)驗(yàn)中，如果采用接觸式體溫測量方法，就給實(shí)驗(yàn)人員帶來極大的傳染風(fēng)險(xiǎn)。如果采用非接觸式測量方法，文獻(xiàn) [2]指出雖然紅外熱像儀具有自動化程度高，減少交叉感染機(jī)會的優(yōu)點(diǎn)，但所測量溫度平均比口腔溫度低 2.16°C±1.40°C，在準(zhǔn)確度上存在一定缺陷。同時(shí)，它也不適合對監(jiān)測對象實(shí)施實(shí)時(shí)監(jiān)測。因?yàn)楝F(xiàn)有的無線電子體溫測量裝置[3]采用體表接觸的體溫測量方式以及裝置體積等因素的限制，不適合用于動物體溫測量，同時(shí)會造成測量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。

針對上述問題，本文對一種把測溫裝置植入試驗(yàn)體的體內(nèi)，通過無線傳輸，進(jìn)行遠(yuǎn)程體溫監(jiān)測的系統(tǒng)進(jìn)行了論述和研究。該系統(tǒng)可以對實(shí)驗(yàn)體的體溫進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測和預(yù)警，是一個(gè)在高傳染環(huán)境下進(jìn)行體溫監(jiān)測的很好方案。

1 系統(tǒng)的組成與工作原理

1.1 系統(tǒng)組成本系統(tǒng)由四部分組成：溫度傳感器、體內(nèi)信號處理測溫模塊、體外信號處理模塊、計(jì)算機(jī)。其結(jié)構(gòu)框圖如圖 1所示。

1.2 系統(tǒng)工作原理

在實(shí)驗(yàn)體內(nèi)溫度測量裝置中，溫度傳感器 DS18B20將采集到的溫度信息，傳送到微處理器C8051F320，將其轉(zhuǎn)換成高速串行信號，然后由 nRF2401無線收發(fā)芯片將信號發(fā)出去。為了實(shí)現(xiàn)多對象、同時(shí)監(jiān)測的目的，在通訊上該系統(tǒng)采用了詢問應(yīng)答的通訊方式。

在實(shí)驗(yàn)體外數(shù)據(jù)接收裝置中，首先通過無線收發(fā)芯片 nRF2401接收溫度信息，接收到的數(shù)據(jù)通過中斷的方式交由微控器 C8051F320，最后通過 USB總線傳送給計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示、分析、存儲、報(bào)警。

2 體內(nèi)測溫裝置的設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)與現(xiàn)有的無線電子測溫裝置不同，它是將封裝成“膠囊”形狀的測溫裝置植入實(shí)驗(yàn)體皮下，通過無線傳輸方式進(jìn)行體溫監(jiān)測。因此，該部分的體積要盡量小，要合理安排傳感器、芯片、電源、天線的位置，盡量使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊。其系統(tǒng)組成如圖 2所示。

2.1 溫度傳感器的選擇

傳感器作為測溫裝置的關(guān)鍵組成部分，對整個(gè)系統(tǒng)測溫的準(zhǔn)確度起著重要作用。同時(shí)，也影響整個(gè)測溫裝置的體積。在本系統(tǒng)中采用 DALLAS公司生產(chǎn)的 DS18B20數(shù)字溫度傳感器。與熱敏電阻相比，它能夠直接讀出被測溫度，根據(jù)實(shí)際要求，通過簡單的編程實(shí)現(xiàn) 9～ 12位的數(shù)字值讀數(shù)方式，即具有可調(diào)的溫度分辨率，并且從 DS18B20讀出或?qū)懭胄畔⒅恍枰桓诰€。它體積小，電壓適用范圍寬( 3.0V～5.5V)，可以采用外部供電方式，也可以采用寄生電源，即從總線上獲得電源[4]，因此，DS18B20可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更簡單、更緊湊。

2.2 信號處理模塊的設(shè)計(jì)

信號處理模塊主要由微控器 C8051F320、無線收發(fā)芯片 nRF2401及外圍電路組成。溫度傳感器 DS18B20進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后數(shù)據(jù)進(jìn)入微處理器 C8051F320，編碼后由微處理器轉(zhuǎn)換成高速串行信號傳送給后端的無線收發(fā)芯片 nRF2401，將溫度信息發(fā)送出去。

微控器 C8051F320是由美國 Cygnal公司推出的一款具有全速 USB功能的混合信號 flash微控器芯片，該器件內(nèi)集成由 2304Byte RAM和 16K Byte的 flash存儲器。實(shí)際上， C8051F320是一個(gè)完整的混合信號片上的系統(tǒng)( SoC)。利用該芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)可以不需要任何外部元件(包括電阻和晶振)，因此使系統(tǒng)更加簡單、緊湊。

無線收發(fā)芯片 nRF2401和藍(lán)牙一樣，都是工作在 2.4GHz自由頻段，能夠在全球無線市場暢通無阻。nRF2401支持多點(diǎn)通信，最高傳輸速率超過 1M bit/S，而且比藍(lán)牙具有更高的傳輸速度。特別是它采用了 SoC方法設(shè)計(jì)，芯片體積小只有 5mm×5mm×1mm，只需少量外圍元件便可組成射頻收發(fā)電路，有利于使得整個(gè)系統(tǒng)降低體積。理論上 nRF2401具有高達(dá) 1Mbps的束吞吐量，理想情況為 400kbps，在 ShockBurstTM收發(fā)模式下，使用片內(nèi)的先入先出堆棧區(qū)，微處理器以低速與 nRF2401的緩沖區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，隨后 nRF2401以高速發(fā)射數(shù)據(jù)，這樣可以降低能耗 [5,6]。因此，使用低速的微控器也能得到很高的數(shù)據(jù)發(fā)射速度。同時(shí)，發(fā)射功率、工作頻率等工作參數(shù)可通過軟件設(shè)置完成。電壓范圍 1.9V～3.6V，-5Bm輸出功率時(shí)的典型峰值電流微 10.5mA，芯片能耗非常低，可提高裝置的使用壽命。

2.3 測溫裝置封裝處理

為了提高體溫測量的準(zhǔn)確度，在整個(gè)測溫裝置封裝上選擇熱傳導(dǎo)快的材料。同時(shí)，為避免該裝置植入實(shí)驗(yàn)體體內(nèi)后與機(jī)體組織產(chǎn)生排斥反映，要對封裝表面進(jìn)行“生物修飾”處理，如用聚乙二醇等材料。最終形成“膠囊“形狀的測溫裝置。

3 體外數(shù)據(jù)接收裝置設(shè)計(jì)

體外數(shù)據(jù)接收裝置的作用是處理、儲存體內(nèi)測溫裝置傳送出來的信息，并顯示每個(gè)被監(jiān)測對象的體溫?cái)?shù)據(jù)。通過程序設(shè)計(jì)，它可將各個(gè)被監(jiān)測對象的體溫分別以表格或以圖形的形式在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示。當(dāng)體溫高于設(shè)定的門限值時(shí)，可以自動報(bào)警。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 3所示。

無線收發(fā)芯片 nRF2401將接收到的溫度信息，傳送給微控器 C8051F320，由微控器 C8051F320將溫度信息還原，最后通過 USB總線技術(shù)將溫度信息傳送給計(jì)算機(jī)[7]。

3.2 通訊方式設(shè)置

為了區(qū)分不同的被監(jiān)測對象，通過軟件為每個(gè)體內(nèi)測溫裝置中的無線收發(fā)芯片 nRF2401設(shè)置一個(gè)地址，它只有收到芯片地址時(shí)才會發(fā)送數(shù)據(jù)。體內(nèi)測溫裝置的無線收發(fā)芯片 nRF2401首先被設(shè)置為接收模式，體外測溫裝置的無線收發(fā)芯片 nRF2401被置為發(fā)射模式，并發(fā)出詢問信號，該詢問信號為地址碼。若體內(nèi)測溫裝置 nRF2401收到正確的地址碼，則通過程序改變其工作模式，變?yōu)榘l(fā)射模式，然后將溫度信息發(fā)射出去，此時(shí)體外接收裝置 nRF2401已處于接收模式;若無效體內(nèi)測溫裝置繼續(xù)處于接收模式。這樣就實(shí)現(xiàn)了一臺電腦對多個(gè)對象同時(shí)監(jiān)測的目的。其程序流程如圖 4和圖 5所示。

置體內(nèi)測溫裝置 nRF2401接置體外數(shù)據(jù)接收裝置 nRF2401收模式發(fā)射模式

3.3 傳輸協(xié)議設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)通信，必須根據(jù)無線傳輸?shù)囊话阋蠛筒捎玫臒o線傳輸收發(fā)模塊芯片的特殊要求來設(shè)計(jì)一套傳輸協(xié)議。由于異步傳輸效率低，一幀只能傳輸一個(gè)字節(jié)，所以采用同步幀格式。首先必須發(fā)送一個(gè)到兩個(gè)字節(jié)的 1和 0相間隔的位同步碼，用來識別一幀有效數(shù)據(jù)和無效數(shù)據(jù)。接下來就是一個(gè)同步幀碼，一般是一個(gè)下降沿開始，再下來就是用戶要上傳的狀態(tài)信息以及數(shù)據(jù)信息。最后，就是為了保證無線傳輸?shù)目煽啃院透咝员仨氂袡z錯(cuò)糾錯(cuò)碼。采用通訊中廣泛適用的 CRC循環(huán)糾錯(cuò)碼，以實(shí)現(xiàn)糾錯(cuò)的目的。

5 結(jié)論

在現(xiàn)有溫度監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，本文對一種新型的植入式溫度監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)，對在具有高傳染風(fēng)險(xiǎn)環(huán)境下的體溫監(jiān)測，特別是在活體動物實(shí)驗(yàn)中有很大的實(shí)用性和研究價(jià)值，同時(shí)為多生理參數(shù)監(jiān)測搭建了基礎(chǔ)平臺。在整個(gè)設(shè)計(jì)上，針對如何減少“膠囊”式溫度檢測裝置的體積，元器件間的干擾還需要進(jìn)一步要研究，并進(jìn)一步研究該系統(tǒng)用于人體體溫監(jiān)測的可行性。