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如何设计一个精准、热高效的可穿戴体温检测系统?

发布时间:2020-04-10 来源:德州仪器 责任编辑:wenwei

【导读】可穿戴温度贴片是患者体温监测系统中的新兴发展趋势。在设计这些用于临床环境的贴片时,最大的障碍之一是满足严格的准确性要求。
 
美国测试与材料学会(ASTM)规定了患者电子体温计的精度要求,如表1所示。在最严格的范围内,这些标准允许的最大误差为±0.1℃,以确保精确测量患者体温。
 
如何设计一个精准、热高效的可穿戴体温检测系统?
表1:ASTM E1112-00(2016)温度精度要求
 
除了选择精确的温度传感器之外,在临床温度探头或可穿戴温度贴片中实现真正±0.1℃的准确性可能具有挑战性,原因如下:
 
低功耗:以此精度水平,即使是微瓦(µW)量级的瞬态功耗也足以加热超出ASTM E1112要求范围的传感元件。
 
散热设计:作为设计师,即使您已校准并验证系统的整体精度,仍然可能由外部环境因素影响传感器或测量结果,例如物理震动或压力变化,从而使热路径由于失去与皮肤的接触而使得传导性降低,从而导致精度降低。
 
在本篇文章中,我将讨论可穿戴温度检测系统框图。
 
参考系统框架图
 
如何设计一个精准、热高效的可穿戴体温检测系统?
图1:可穿戴温度贴片的参考系统框图
 
在多数情况下,一次性温度贴片系统由纽扣电池、连接的MCU和温度传感器组成。但是,在可充电转化中,系统还包括一个电池充电器,如图1所示。可穿戴式贴片的电池具有可弯曲性,这样贴片就可以紧紧贴着患者的皮肤。
 
设计的主要挑战之一是要确保高测量精度,同时又要保持使患者感到舒适的较小外形。使用高度集成的器件可实现纤薄的温度贴片轮廓,从而提高患者舒适度。为了满足关键要求,系统中的重要设备可以选择TMP117、CC2640R2F和BQ21061(用于可充电型号),其说明如下所示。
 
TMP117是一款高精度数字温度传感器。它旨在满足ASTM E1112和ISO 80601对电子体温计的要求。TMP117可在-20°C至50°C的温度范围内无需校准即可提供16位温度结果,分辨率为0.0078°C,精度高达±0.1°C。
 
SimpleLink™低功耗蓝牙®CC2640R2F是一款兼容Bluetooth 4.2和Bluetooth 5低功耗应用的无线微控制器(MCU)。主动工作模式下射频和MCU低电流及低功耗模式电流消耗可为能量收集应用或需要小型电池的应用提供良好的使用寿命。CC2640R2F还集成了DC/DC转换器,以简化电池供电设计。
 
BQ21061是一款高集成的电池充电管理集成IC,可应用在最常见的可穿戴、便携式和小型医疗设备用于系统电源的稳压输出电压轨、LDO以及按钮控制器。该BQ21061 IC将线性充电器与PowerPath集成起来,可为小型电池快速精确地充电,同时为系统提供稳定电压。该按钮式控制器有助于实现可穿戴贴片的运输模式特点。
 
在过去的文章《可穿戴温度监测系统的设计理念》中,我们讨论了如何选择感测元件,包括热敏电阻或集成电路温度传感器,以及在设计最小温度时遇到的挑战,如传感器与病人的热接触、与其他热源的隔离等等。这些都是可穿戴式温度监测系统的更重要的方面。
 
结论
 
患者体温监测器的医疗精度带来了一些困难的热量挑战。使用正确的传感器,您只需稍微了解如何利用系统的放置和布局即可克服这些困难。
 
 
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