可穿戴溫度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念

可穿戴溫度貼片是患者溫度監(jiān)測系統(tǒng)的新興發(fā)展趨勢。設(shè)計(jì)這些貼片用于臨床環(huán)境的最大障礙之一是需要滿足嚴(yán)格的精度要求。

美國材料與試驗(yàn)協(xié)會（ASTM）規(guī)定了電子患者體溫計(jì)的精度要求，如表1所示。在最嚴(yán)格的范圍內(nèi)，這些標(biāo)準(zhǔn)允許最多±0.1oC的誤差，以確保患者的體溫的準(zhǔn)確測量。

表 1：ASTM E1112-00（2016）對溫度精度的要求

除了選擇精確的溫度傳感器之外，在臨床溫度探頭或可穿戴溫度貼片中實(shí)現(xiàn)真正的±0.1°C精度可能具有挑戰(zhàn)性，原因如下：

1.    低功耗：在這種精度等級下，即使微瓦特級別的瞬態(tài)功率消耗都會將傳感器單元加熱到超出ASTM E1112需求的精度范圍。

2.    散熱設(shè)計(jì)：作為設(shè)計(jì)人員，即使您已經(jīng)校準(zhǔn)并驗(yàn)證了系統(tǒng)的整體精度，物理沖擊或壓力變化等外部環(huán)境因素仍然可能影響傳感器或測量，從而使熱導(dǎo)路徑由于失去與皮膚的接觸而使得導(dǎo)電性降低，導(dǎo)致精度下降。

在這篇文章中，我將討論為可穿戴溫度監(jiān)測系統(tǒng)選擇傳感元件時(shí)的基本設(shè)計(jì)考慮因素，最終實(shí)現(xiàn)監(jiān)測溫度以準(zhǔn)確測量患者的體溫。

選擇傳感元件

在測量任何東西之前，您需要為溫度探頭或貼片選擇正確的傳感元件。常見的溫度監(jiān)測傳感器類型包括熱敏電阻或集成電路（IC）溫度傳感器。您選擇的傳感器必須在系統(tǒng)中可靠，并有助于為整個(gè)系統(tǒng)保持±0.1°C的一致精度。

雖然熱敏電阻在成本和功耗之間提供了可控的平衡，但它們通常需要校準(zhǔn)以實(shí)現(xiàn)醫(yī)療準(zhǔn)確性，并且因?yàn)殡娮枋艿經(jīng)_擊或濕度的變化影響而易于失效。IC溫度傳感器最近才能保證±0.1°C的精度，但其具有可提供工廠校準(zhǔn)，更低功耗和數(shù)字接口等額外優(yōu)勢，從而簡化系統(tǒng)集成。  

設(shè)計(jì)最小溫度誤差

無論您選擇何種傳感元件，在設(shè)計(jì)這種精確度的貼片時(shí)，請記住以下兩個(gè)關(guān)鍵因素：

1.    傳感器必須與患者接觸，以確保有效的熱接觸。。

2.    傳感器必須與所有其他熱源隔熱。

1.保持良好的熱接觸

使用溫度貼片或皮膚探針進(jìn)行外部測量時(shí)，請記住實(shí)際感應(yīng)元件與使用者皮膚之間的實(shí)際熱路徑。圖1顯示了一個(gè)熱傳到路徑實(shí)例; 在這個(gè)例子中，傳感器有一個(gè)非常薄的小輪廓無引線（WSON）封裝。這種IC溫度傳感器測量硅管芯的溫度。對于這樣的封裝，最好在電路板兩側(cè)的器件導(dǎo)熱墊下面放置銅填充物。連接這些焊盤與通孔為芯片和皮膚之間的傳導(dǎo)提供了最佳路徑。不要使用銅與皮膚實(shí)際接觸，因?yàn)樗锌赡茉斐筛g。相反，在墊上使用生物相容性材料涂層（例如金）或涂覆與導(dǎo)熱聚合物接觸的點(diǎn)，這將提供更可靠的熱傳導(dǎo)。

圖1：使用WSON包進(jìn)行皮膚溫度測量的熱疊加示例

可穿戴式溫度傳感貼片應(yīng)始終采用柔性或半剛性印刷電路板（PCB）設(shè)計(jì)。在半剛性設(shè)計(jì)的情況下，將傳感元件放置在PCB的彎曲側(cè)并盡可能地減小柔性板的厚度非常重要。這降低了皮膚表面和傳感器之間的熱阻，較薄的板將更容易彎曲并且更好地接觸。

對于圖2所示的溫度貼片，電路板厚度約為6.8密耳。該貼片設(shè)計(jì)為佩戴透明膠帶，以防止傳感器和接觸墊從皮膚上抬起并降低測量精度。另外，一些較新的溫度貼片設(shè)計(jì) - 例如這項(xiàng)創(chuàng)新 - 印刷電路直接貼在膠粘繃帶上，使得外形極薄而且能與患者的良好身體接觸。

圖2：使用具有強(qiáng)粘合劑覆蓋物或背襯的柔性PCB設(shè)計(jì)，以避免傳感器從皮膚上抬起。

2.與其他熱源隔熱

如果您希望皮膚成為感應(yīng)元件的真正熱源，那么您需要移除其他來源熱量。所有電子元件都會釋放出一定量的熱量 - 通常更多的電能會轉(zhuǎn)化為更多的熱量 - 所以你需要確保你的傳感器盡可能遠(yuǎn)離更高功率的元件。

圖3顯示了通過100°C功率電阻器對空氣中熱量分布的熱捕獲。對于體溫監(jiān)測系統(tǒng)來說，這種類型的發(fā)熱是不可能補(bǔ)償?shù)?，更不用說它對患者來說也很危險(xiǎn)。在設(shè)計(jì)溫度監(jiān)控解決方案時(shí)，考慮功耗密集的組件非常重要。這些部件需要放置在遠(yuǎn)離傳感單元的地方，以最大程度的減少對傳感器數(shù)據(jù)產(chǎn)生的影響。

圖3：使用IC溫度傳感器和功率電阻器對板進(jìn)行熱捕獲; 距離（D）為15.24毫米

結(jié)論

患者溫度監(jiān)測器的醫(yī)療準(zhǔn)確性帶來一些有難度的熱學(xué)挑戰(zhàn)。使用正確的傳感器，只需稍微了解如何利用系統(tǒng)的布局和設(shè)計(jì)，就可以克服這些困難。

其他資源

·   查看TMP117M，TI用于醫(yī)療應(yīng)用的超高精度±0.1°C溫度傳感器。

·   使用“高精度無線可穿戴溫度傳感器”參考設(shè)計(jì)快速啟動TMP117M開發(fā)。

·   在這些應(yīng)用筆記中閱讀溫度貼設(shè)計(jì)：

·   “可穿戴溫度傳感的布局考慮因素”

·   “焊接對高精度IC溫度傳感器的影響”

·    觀看關(guān)于TI可穿戴溫度貼片設(shè)計(jì)的“可穿戴無線多參數(shù)醫(yī)療病人監(jiān)護(hù)儀”視頻。

·    觀看可穿戴貼演示視頻，了解如何在支持SimpleLink™藍(lán)牙的皮膚溫度補(bǔ)丁中使用TMP117。