Tento článek popisuje klíčové požadavky na teploměry s lékařskou přesností a ukazuje, jak lze zkombinovat vysoce přesný digitální teplotní senzor a bezdrátový mikroprocesor od společnosti Texas Instruments a dosáhnout splnění diametrálně odlišných požadavků.
Požadavky na lékařský teploměr
Ve zdravotnictví je tělesná teplota jednou ze čtyř primárních životních funkcí spolu se srdeční frekvencí, krevním tlakem a frekvencí dýchání. Tělesná teplota je důležitým ukazatelem při identifikaci nástupu infekce. Malé změny tělesné teploty indikují nežádoucí reakce na léčbu. Přesné měření teploty pomáhá včas zasáhnout v případě komplikací.
Lékařské teploměry musí splňovat požadavky na přesnost a kalibraci uvedené v normách ASTM E1112 a ISO-80601-2-56. Standard ASTM E1112 byla vytvořena společností ASTM International, dříve známou jako American Society for Testing and Materials.
Maximální odchylka v daném rozsahu teplot
- ± 0,1 ° C pro teploty v rozsahu 37,0 ° C až 39,0 ° C, obvykle znamená mírnou až střední horečku
- ± 0,2 ° C pro teploty v rozsahu 35,8 ° C až 36,9 ° C, může u některých jedinců indikovat hypotermii
- ± 0.2 ° C pro teploty v rozsahu 39,1 ° C až 41,0 ° C, indikuje závažnější zdravotní stav včetně těžké horečky nebo hypertermie
- ± 0,3 ° C pro teploty pod 35,8 ° C nebo nad 41,0 ° C
V minulosti se používaly drahé monitory nočních lůžek pro snímání teploty. Pro nepřetržité monitorování se musely k pacientům přivést kabely. To bylo pro pacienty nekomfortní a někdy i nemožné – například na novorozeneckém oddělení. Proto je vhodné použít bezdrátové monitorování teploty. Kromě přesnosti měření a provozu s nízkou spotřebou energie musí být bezdrátový monitor navržen tak, aby zajistil pohodlí pacienta. Jeho provoz musí být nenápadný a životnost baterie musí být dlouhá. Teplotní čidlo Texas Instruments TMP117MAIDRVT je klíčová komponenta, která splňuje tyto náročné požadavky.
Teplotní senzor TMP117
TMP117MAIDRVT jednoduše označovaný jako TMP117, kombinuje analogový podsystém snímání teploty se sériovým rozhraním I2C, EEPROM a řídicí programovatelnou logikou. Pro snímání teploty je použit přechod bipolárního tranzistoru (BJT) a přesné napěťové reference tzv. bandgap teplotního čidla, který se přivádí do 16-bitového analogově-digitálního převodníku (ADC) (obrázek 1).
Obrázek 1: Texas Instruments TMP117 má integrovány všechny potřebné analogové a digitální komponenty pro vysoce přesné měření teploty s minimální spotřebou energie. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)
TMP117 byl vyvinut speciálně pro lékařské aplikace a splňuje normy ASTM E1112 a ISO-80601-2.56, které definují požadavky na elektronické teploměry určené pro lékařské použití. Zařízení splňuje nejen požadavky na maximální odchylku ± 0,1 ° C v rozsahu 37,0 ° C až 39,0 ° C, ale také poskytuje tuto úroveň přesnosti v rozmezí teplot od -20 ° C do 50 ° C bez nutnosti kalibrace. S rozsahem doporučených provozních teplot od -55 ° C do 150 ° C může dokonce sloužit jako náhrada za odporové teplotní detektory třídy AA (RTD) (obrázek 2).
Obrázek 2: TMP117 je navržen tak, aby splňoval normy pro elektronické teploměry lékařské kvality. Digitální teplotní senzor Texas Instruments TMP117 poskytuje přesnost, která přesahuje teplotní rozsah třídy AA RTD. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)
TMP117 je dodáván v 6 pinovém pouzdře o rozměrech 2 x 2 mm. Pracuje s napájecím napětím mezi 1,8 až 5,5 V a má průměrnou spotřebu proudu 3.5 µA při konverzní rychlosti 1 Hz nebo pouze 150nA v režimu vypnutí. Kromě toho lze využít funkce one-shot (jednorázový odečet) a prodloužit dobu, po kterou TMP117 zůstává v režimu velmi nízké spotřeby. One-shot režim umožňuje ihned po ukončení konverze dat vstoupit do režimu vypnutí. Ve One-shot režimu každé měření teploty trvá přibližně 15. 5ms, přičemž se spotřebuje přibližně 135 μA. Naproti tomu výchozí režim stand-by spotřebovává 1,25 μA kontinuálně.
Zatímco tyto dva režimy vyvažují spotřebu energie vzhledem k míře konverze, režim průměrování vyvažuje spotřebu energie pro zvýšení odolnosti vůči šumu. V režimu průměrování se automaticky provede osm po sobě jdoucích konverzí a výsledkem je jeden průměrný výsledek. Pomocí tohoto režimu může přístroj dosáhnout převodu ± 1 nejméně významného bitu (LSB) v převedeném digitálním výsledku ve srovnání s ± 3 LSB bez použití průměrování.
Hardwarová implementace
TMP117 je kompletní digitální snímač teploty ve velmi malém pouzdře WSON s pouhými šesti piny: Napájení V+, uzemnění, sériová data, sériové hodiny, výběr sériové adresy(Select) a alarm. Nejsou kladeny žádné speciální požadavky pro hardwarovou implementaci. Platí stejné zásady jako u jakéhokoliv jiného zařízení s I2C. Při návrhu se musí klást důraz na fyzickém uspořádáni desky, aby nedocházelo ke zkreslení měření teploty tzv. teplotní management.
Teplotní management: potenciální problém v digitálním teploměru
Pro měření teploty těla musí být celý design zařízení navrhován tak, aby se minimalizovali tepelné vlivy z jiných zdrojů tepla a zároveň se zvýšila tepelná vodivost pacienta. Pro minimalizaci tepelných vlivů z jiných zdrojů lze senzor umístit na konec úzké části desky, aby byla mimo vliv hlavní desky. Toto umístění účinně tepelně izoluje senzor od zdrojů tepla z hlavní desky. I při ideální izolaci je však jakákoliv elektronická součástka vystavena účinkům samoohřívání, které by mohlo mít vliv na přesnost teplotního čidla. Nízká spotřeba energie TMP117 pomáhá v tomto případě minimalizovat účinky samoohřívání. Postupem času se ale automaticky zahřívá v poměru k jeho napájecímu napětí. Tyto změny jsou v tisícinách stupně celsia (obrázek 3). Pomocí režimu jednorázového odečtu lze zkrátit aktivní provozní dobu, a tím udržet vlastní ohřev na jednotkách tisícin stupně celsia.
Obrázek 3: Stejně jako u jiných polovodičových součástek se digitální teplotní senzor Texas Instruments TMP117 samozahřívá v závislosti na jeho napájecím napětí. Tyto účinky však zůstávají v tisícinách stupních Celsia. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)
Obtížnější konstrukční výzva spočívá v optimalizaci tepelné cesty mezi zařízením a pokožkou pacienta. Aby se zlepšila tepelná vodivost k podkladové desce, pouzdro obsahuje velkou odkrytou tepelně vodivou plochu, která se nepřipojuje k zemi, ale je přivedena na místo snímání. Tato plocha je přímo spojena uvnitř pouzdra s polovodičovým přechodem BJST. Společnost Texas Instruments doporučuje použit termickou měděnou plochu, aby se zdokonalila tepelná cesta. Pro konečný kontakt s pokožkou však TI doporučuje použít průchodky a povrch z biokompatibilního materiálu, jako je tepelně vodivý polymer než použít měď. Měď může vyvolat žíravé nebo alergické reakce s pokožkou. Doporučuje se použít dva průduchy, aby se zajistila potřebná tepelná vodivost mezi zařízením a pokožkou (obrázek 4).
Obrázek 4: Pro zajištění spolehlivého přenosu tepla a rychlé reakce na změny teploty kůže je nutné dodržet doporučený tepelný design. Pokud je to možné použít dvojici průchodů pro zvýšení tepelné vodivosti mezi zařízením a pokožkou pacienta. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)
Referenční design pro bezdrátový digitální teploměr s nízkou spotřebou
Společnost Texas Instruments ukazuje použití TMP117 s upraveným tepelným managementem v referenčním designu bezdrátového teploměru s lékařskou kvalitou. Referenční design se skládá z TMP117 a výkonného mikrokontroléru CC2640R2F s Bluetooth. Arm Cortex-M3 je 32- bitové jádro sloužící jako hostitelský procesor. CC2640R2F má radiofrekvenční (RF) subsystém s vlastním jádrem Arm Cortex-M0 a RF transceiverem (obrázek 5).
Obrázek 5: Bezdrátový mikrokontrolér Texas Instruments CC2640R2F kombinuje hlavní procesor a radiofrekvenční (RF) jádro. Jedná se o jednočipové řešení pro bezdrátové připojení k senzoru, jako je Texas Instruments TMP117. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)
Referenční design potřebuje pouze tenkovrstvou 3V baterii, jako je 0132990001 od společnosti Molex a několik dalších pasivních komponentů, které jsou nutné pro spolehlivý chod bateriových zařízení. Výsledný design lze připevnit přímo k tělu lékařskou lepicí páskou a zajistit nepřetržitý monitoring po celé dny, a to navzdory relativně omezené kapacitě flexibilní baterie. Referenční design poskytuje kompletní řešení díky použití pružné desky plošných spojů s prodlouženým ramenem, kde je umístěn senzor TMP117 IC o velikosti 2 mm x 2 mm (obrázek 6).
Obrázek 6: Referenční design bezdrátového teploměru Texas Instruments obsahuje schémata a layout soubory pro pružnou PCB desku, která se může připojit lékařskou lepicí páskou k pokožce pacienta pro nepřetržité měření teploty. Mějte na paměti, že TMP117 měří pouze 2 mm x 2 mm. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)
TI také poskytuje vzorovou aplikaci pro použití advertising protokolu Bluetooth, který se využívá pro přenos naměřených hodnot teploty z „náplasti na kůži“ do mobilního zařízení. Advertising protokol je navržen tak, aby bylo možné posílat krátké zprávy do Bluetooth zařízení, které jsou v dosahu. Umožňuje přidat několik bajtů dat do standardního paketu Bluetooth.
Ukázkový software je postaven na operačním prostředí TI-RTOS a obsahuje modul tida_01624.c, který demonstruje použití Bluetooth low energy (BLE) stacku pro přenos teplotních údajů TMP117 v rámci advertising paketů Bluetooth. Ačkoli práce s BLE stackem může být složitá, architektura TI softwaru je vymyšlena tak, že celý tok dat prochází přes stack. Pro konkrétní instanci aplikačního zařízení, nazvanou SimplePeripheral, se daný kód provede v rámci hlavní smyčky obsažené ve funkci SimplePeripheral_taskFxn (). Po inicializaci aplikace se softwarový Framework stará o „flow control“, který čte data ze snímače TMP117 pomocí (sensorRead ()). Načte výsledné hodnoty teploty do advertising paketu a pošle je přes Bluetooth (Výpis 1).
static void SimplePeripheral_taskFxn (UArg a0, UArg a1)
{
// Inicializace aplikace
SimplePeripheral_init ();
// Hlavní smyčka aplikace
pro (;;)
{
události uint32_t;
// Čeká na událost, která má být přiřazena k volajícímu vláknu.
// Všimněte si, že událost spojená s podprocesem je zaúčtována, když a
// zpráva je zařazena do fronty zprávy
events = Event_pend (syncEvent, Event_Id_NONE, SBP_ALL_EVENTS,
ICALL_TIMEOUT_FOREVER);
pokud (události)
{
.
.
.
pokud (události & SBP_PERIODIC_EVT)
{
uint16_t uiTempData;
Util_startClock (& periodicClock);
// Přečtěte poslední převedenou teplotu a pak spusťte další
// konverze teploty.
uiTempData = sensorRead ();
// Aktualizovat data automatické inzerce
advertData [9] = (uiTempData & 0xFF00) >> 8;
advertData [10] = uiTempData & 0xFF;
GAPRole_SetParameter (GAPROLE_ADVERT_DATA, sizeof (advertData), advertData);
// Proveďte periodický úkol aplikace
SimplePeripheral_performPeriodicTask (uiTempData);
}
}
}
}
Výpis 1: Ukázková aplikace bezdrátového teploměru Texas Instruments demonstruje použití TI Bluetooth stacku a frameworku. Framework v hlavní smyčce vyvolá kód pro čtení čidla. V tomto případě, když dojde k vypršení časovače. (Zdroj kódu: Texas Instruments)
Kromě základní inicializace a konfigurace je práce s TMP117 jednoduchá. Například funkce sensorRead () použitá v hlavní aplikační smyčce jednoduše provádí transakce I2C potřebné pro přenos výsledků měření (Výpis 2).
statický uint16_t sensorRead (void)
{
uint16_t teplota;
uint8_t txBuffer [3];
uint8_t rxBuffer [2];
I2C_Transaction i2cTransaction;
/ * Přejděte do registru T ambient a přečtěte si 2 bajty * /
txBuffer [0] = TMP117_OBJ_TEMP;
i2cTransaction.slaveAddress = Board_TMP_ADDR;
i2cTransaction.writeBuf = txBuffer;
i2cTransakce.
writeCount = 1;
i2cTransaction.readBuf = rxBuffer;
i2cTransaction.readCount = 2;
if (I2C_transfer (i2c, & i2cTransaction)) {
/ * Vyjměte stupně C z přijatých dat; viz datový list TMP117 * /
teplota = (rxBuffer [0] << 8) | (rxBuffer [1]);
/ *
* Pokud je MSB nastaven na '1', pak máme 2 doplněk
* záporná hodnota, která musí být prodloužena o 7,8125 mC
* /
if (teplota & 0x8000) {
teplota ^ = 0xFFFF;
teplota = teplota + 1;
}
}
jinak {
Display_printf (dispHandle, 0, 0, "I2C Bus error");
}
/ * Spuštění další konverze v režimu jednorázového záznamu * /
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;
/ * Počkejte na přístup I2C pro konfiguraci. Pokud se to nezdaří
* pak spát 1 sekundu a zkuste to znovu. To je nutnost
* před čtením zařízení. * /
zatímco (! (I2C_transfer (i2c, & i2cTransaction))));
návrat (teplota);
}
Výpis 2: Funkce pro čtení senzoru TMP117 vyžaduje pouze několik volání funkcí I2C. (Zdroj kódu: Texas Instruments)
Kromě ukázkového použití Bluetooth stacku a TI-RTOS, je k dispozici aplikace, která je schopna přenášet naměřené hodnoty teploty do mobilního zařízení, kde je se spuštěna mobilní aplikace TI SimpleLink SDK Explorer (dostupná ve verzích iOS i Android). Aplikace SimpleLink SDK Explorer app distributions je dodávána s plným zdrojovým kódem pro každou mobilní platformu, stejně jako plugin TI SDK Explorer Bluetooth pro CC2640R2 MCU.
Závěr
Návrh uživatelsky přívětivého a efektivního lékařského bezdrátového teploměru není snadné, jelikož je nutné splnit požadavky na přesnost měření a na dlouhou životnost baterie. Díky nízké spotřebě energie a vysoké přesnosti měření je ideální volbou senzor TMP117 od Texas Instruments. V referenčním designu lze vidět použití TMP117 s bezdrátovým mikrokontrolérem Texas Instruments CC2640R2.
Článek vyšel v originále „Build a Reliable Battery-Powered Clinical-Grade Wireless Thermometer for Continuous Monitoring" na webu DigiKey.com, autorem je Stephen Evanczuk.
