Bygg en tillförlitlig batteridriven sjukvårdsklassad trådlös termometer för kontinuerlig övervakning

Att övervaka patienternas temperatur är en nödvändig, men störande rutin för både vårdgivare och patienter. Möjligheten att periodiskt mäta kroppstemperaturen på ett icke-inkräktande vis med trådlösa termometrar kan vara en välkommen funktion för både vårdgivare och patient, inte endast på vårdanläggningar utan även i hemmet. För utvecklarna klarar dock aktuella lösningar ofta inte att uppfylla kraven på trådlös funktion med hög precision och låg effekt under längre perioder för att kunna säkerställa en tillfredsställande användarerfarenhet.

Den här artikeln beskriver kraven på sjukvårdsklassade termometrar och visar hur utvecklarna kan kombinera en digital temperatursensor med hög precision och trådlös mikrostyrenhet från Texas Instruments för att uppfylla dessa diametralt motsatta krav.

Kliniska termometerkrav

Inom sjukvården är kroppstemperatur en av fyra primära livstecken tillsammans med puls, blodtryck och andningstakt. Tillsammans med dess användning vid identifieringen av infektioner som förkylning eller influensa är kroppstemperaturen en viktig klinisk indikator. Små förändringar i kroppstemperatur kan ge den tidigaste indikeringen på negativa reaktioner på behandling som läkemedel eller blodtransfusioner. Därför anses korrekt temperaturmätning vara väsentlig för att upprätthålla fortsatt vård samt för att signalera behovet av interventioner när komplikationer uppstår.

Betydelsen av små temperaturförändringar är så stor att kliniska termometrar måste uppfylla precisions- och kalibreringskraven som specificeras i standarderna ASTM E1112 och ISO-80601-2-56. ASTM E1112 har tagits fram av ASTM International, tidigare känt som American Society for Testing and Materials och kräver att en termometer för klinisk användning måste uppvisa maximala felfrekvenser över ett temperatur intervall som specificeras som:

• ±0,1 °C maximalt fel för temperaturer i området 37,0 ˚C till 39,0 °C, vilket typiskt indikerar lätt till måttlig feber
• ±0,2 °C maximalt fel för temperaturer i området 35,8 ˚C till 36,9 °C, vilket kan indikera hypotermi hos vissa personer
• ±0,2 °C maximalt fel för temperaturer i området 39,1 ˚C till 41,0 °C, vilket indikerar allvarligare medicinska tillstånd inklusive kraftig feber eller hypertermi
• ±0,3 °C maximalt fel för temperaturer under 35,8 °C eller över 41,0 °C

Trots dess kritiska betydelse har klinisk temperaturövervakning förlitat sig på dyra sängmonitorer som krävdes tidigare för att ge önskade precisionsnivåer. För kontinuerlig övervakning måste vårdpersonalen koppla kablar till patienterna, vilket är opraktiskt i bästa fall och ibland även helt omöjligt i miljöer som neonatalavdelningar. Trådlös temperaturövervakning kan tillhandahålla ett effektivt alternativ, men utvecklarna har varit under hård press att ta fram trådlösa konstruktioner som kan uppfylla en bred kravspecifikation. Utöver grundläggande krav för klinisk precision och batteridrift med låga strömkrav måste en sådan trådlös monitor vara utformad för att säkerställa patientkomfort, inte utgöra något hinder under timmars eller dagars användning och ha batterilivslängd som säkerställer tillförlitlig drift under längre perioder. Texas Instruments TMP117MAIDRVT temperatursensor fungerar som den viktigaste komponenten för konstruktioner som kan uppfylla dessa krav.

Kliniskt klassad temperatursensor

TMP117MAIDRVT, härefter kallad TMP117, kombinerar ett analogt temperaturavkänningssystem med ett I²C-seriegränssnitt, EEPROM och styrlogik med en programmerbar varningsfunktion för att signalera temperaturavvikelser utanför ett angivet område. Inom temperaturavkänningssystemet finns en sensorkonditioneringskrets som tillhandahåller en bandgaptemperatursensor av kisel med bipolär skikttransistor (BJT) på 16-bitars analog-till-digitalomvandlaren (ADC) (figur 1).

Figur 1: Texas Instruments TMP117 integrerar alla analoga och digitala komponenter som krävs för att tillhandahålla temperaturmätningar med hög precision med minimal strömförbrukning. (Bildkälla: Texas Instruments)

TMP117 är byggd för att stödja kliniska tillämpningar och uppfyller ASTM E1112- och ISO-80601-2-56-kraven för elektroniska termometrar avsedda för klinisk användning. Enheten uppfyller inte endast kraven för ±0,1 °C maximalt fel i området 37,0 °C till 39,0 °C utan ger även den nivån av precision från -20 °C till 50 °C utan behov av kalibrering. Med hög precision i hela sitt rekommenderade driftområde från -55 °C till 150 °C kan TMP117 till och med fungera som ersättning för resistanstemperaturdetektorer (RTD:er) av klass AA (figur 2).

Figur 2: Texas Instruments TMP117 digitala temperatursensor är utformad för att uppfylla standarderna för kliniska elektroniska termometrar och har högre precision än en RTD med klass A i hela TMP117:s drifttemperaturområde. (Bildkälla: Texas Instruments)

TMP117 levereras i storleken 2 mm x 2 mm med 6 stift, drivs med driftspänningar mellan 1,8 och 5,5 volt och kräver så lite som 3,5 mikroampere (µA) genomsnittlig strömförbrukning vid 1 hertz (Hz) omvandlingsfrekvens eller endast 150 nanoampere (nA) i avstängt läge. Dessutom kan utvecklarna använda en funktion hos enheten som kallas engångsomvandling, för att maximera tiden som TMP117 tillbringar i avstängningsläge med ultralåg strömförbrukning.

I engångsläget kan enheten omedelbart gå till avstängningsläge efter den aktiva omvandlingsfasen. I enhetens standardläge med kontinuerlig omvandling däremot ställs enheten in på att vara aktiv i 1,25 μA standbyläge under en a programmerbar tid. I engångsläge innefattar varje temperaturmätning en aktiv omvandlingsfas som tar cirka 15,5 millisekunder (ms) och förbrukar cirka 135 μA totalt.

I de här två lägena kan utvecklarna väga effektförbrukning mot omvandlingsfrekvens medan enhetens utjämningsläge låter dem väga effektförbrukning mot ökat brusmotstånd. I utjämningsläge utför enheten automatiskt åtta påföljande omvandlingar och levererar det genomsnittliga resultatet. Med det här läget kan enheten uppnå repeterbarhet för ±1 minst signifikanta biten (LSB) i det omvandlade digitala resultatet, jämfört med ±3 LSB utan utjämning.

Designutmaningar

Med integrerade funktioner som engångsläge och utjämning tillhandahåller TMP117 en komplett digital temperaturmätningssensor i et paket på 2 mm x 2 mm WSON (mycket, mycket tunn liten profil ingen ledare) med endast sex stift: V+-tillförsel, jord, seriella data, seriell klocka, seriebussadressval och varningsfunktion. Det innebär att maskinvarugränssnittets utformning inte kräver mer ansträngning än vad som krävs för någon annan typisk I²C seriell enhet. I praktiken ligger dock konstruktionsutmaningen med den här och andra temperatursensorer med hög frekvens mindre i maskinvarugränssnittets utformning än i att utarbeta en fysisk layout som är optimerad för temperaturhantering.

Temperaturhantering på kortet: ett intressant problem för digitala termometrar

För en kroppstemperatursensor måste designen minimera termiska banor från andra värmekällor samtidigt som den termiska konduktiviteten till patienten maximeras. För att minimera effekten av andra värmekällor kan utvecklarna montera sensorn i änden av en smal arm på kortet arm som sträcker sig bort från huvudkortet. Detta ger effektiv termisk isolering från värmekällorna i huvudkonstruktionen. Även vid idealisk isolation är dock alla elektroniska enheter utsatta för självuppvärmande effekter som kan förstöra precisionen i en temperatursensor. TMP117:s låga strömförbrukning hjälper till att minimera den självuppvärmande effekten i det här fallet. Med tiden självuppvärms enheten i proportion till dess spänningstillförsel, men förändringarna mäts i milligrader C (mC) (figur 3). Med engångsläget kan utvecklarna minska den aktiva drifttiden för att hålla självuppvärmningen till ensiffriga mC-nivåer.

Figur 3: Som alla halvledarenheter uppvisar Texas Instruments TMP117 digitala temperatursensor självuppvärmande effekter som ökar med högre spänningstillförsel. Dessa effekter kvarstår dock i milligradnivåerna. (Bildkälla: Texas Instruments)

En svårare designutmaning ligger i att optimera den termiska banan mellan enheten och patientens hud. För at hjälpa till att förbättra den termiska konduktiviteten till det underliggande kortet eller enheten inkluderar paketet en stor, exponerad termisk platta som inte är ansluten till jord utan som istället är utformad för att förstärka värmeöverföringen genom paketet till BJST-kiselbandgapsensorn. Texas Instruments rekommenderar att använda solid koppar under enhetens termiska platta för att optimera den termiska banan mellan enheten och kretskortet.

Förs den slutliga kontakten med huden rekommenderar TI att använda vior och en slutlig beläggning av ett biokompatibelt material som termiskt ledande polymer istället för att fortsätta med koppar. Koppar kan skapa korrosiva reaktioner eller andra reaktioner med huden. Den slutliga rekommenderade enheten är en enkel tvålagerkonstruktion som är utformad för att minska tillverkningskostnaderna samtidigt som den ger den nödvändiga termiska konduktiviteten mellan enheten och huden (figur 4).

Figur 4: För att säkerställa tillförlitlig värmeöverföring och snabbt svar på förändringar av hudtemperaturen använder en effektiv termisk design en lagerkonstruktion med termisk underfill eller ett luftgap, om lämpligt, samt ett par vior för att förbättra den termiska konduktiviteten mellan enheten och patientens hud. (Bildkälla: Texas Instruments)

Referenskonstruktion för trådlös digitaltermometer med låg effekt

Texas Instruments demonstrerar användningen av TMP117 med lämpliga termiska hanteringsmetoder i en heltäckande referensdesign för en trådlös klinisk termometer. I den här designen kombinerar Texas Instruments TMP117 med Texas Instruments Bluetooth-kompatibla mikrostyrenhet med låg effekt CC2640R2F. Tillsammans med en Arm^® Cortex^®-M3 32-bitarskärna som fungerar som värdprocessor integrerar CC2640R2F ett dedikerat radiofrekvenskärnsystem med sin egen dedikerade Arm Cortex-M0-kärna och RF-transceiver (figur 5).

Figur 5: Texas Instruments trådlösa mikrostyrenhet CC2640R2F kombinerar en huvudprocessor och radiofrekvenskärna vilket ger en enkretslösning för trådlös anslutning till sensorer som Texas Instruments TMP117. (Bildkälla: Texas Instruments)

Genom att utnyttja MCU:ns inbyggda egenskaper kräver konstruktionen endast ett tunnfilsbatteri på 3 volt som Molex 0132990001 och några få ytterligare passiva komponenter för att tillhandahålla en komplett batteridriven lösning. De resulterande konstruktionen kan fästas på kroppen med medicinsk tejp och ge kontinuerlig övervakning i dagar, trots den relativt begränsade kapaciteten hos flexibla tunnfilmsbatterier. Referensdesignen ger en komplett lösning med ett flexibelt kretskort med dem typ av förlängningsarm som nämndes tidigare för termisk isolering av 2 mm x 2 mm TMP117-kretsen (figur 6).

Figur 6: En trådlös termometerreferensdesign från Texas Instruments med maskinvaruscheman och layoutfiler för ett flexibelt kretskort som kan fästas med medicinsk tejp på patientens hud för kontinuerliga temperaturmätningar. TMP117 har storleken 2 mm x 2 mm. (Bildkälla: Texas Instruments)

TI tillhandahåller även en provtillämpning som demonstrerar användning av Bluetooth-marknadsföringsprotokollet för att sända temperaturvärden från enheten på huden till en mobil enhet. Bluetooth-marknadsföringsprotokollet är utformat för att förmedla korta meddelanden till intilliggande Bluetooth-enheter och tillåter utvecklarna att lägga till några byte data till standard-Bluetooth-marknadsföringspaketet.

Provprogramvaran bygger på TI-RTOS-driftmiljön och inkluderar en modul, tida_01624.c, som demonstrerar användningen av TI Bluetooth low energy (BLE)-stacken för att skicka TMP117 temperaturvärden i Bluetooth-marknadsföringspaket. Trots att arbete med en BLE-stack kan vara komplext abstraherar TI-programarkitekturen dataflödet genom stacken. För en särskild tillämpningsenhetsinstans som kallas SimplePeripheral körs tillämpningen i huvudslingan inom en uppgiftsfunktion, SimplePeripheral_taskFxn(). Efter att ha initierat tillämpningen tar pragramvaruramverkets händelsehanteringstjänster styrflödet till en kodsektion som läser av TMP117-sensorn (sensorRead()), läser in det resulterande temperaturvärdet i marknadsföringspaketets nyttolast och initierar Bluetooth-marknadsföring med det resulterande paketet (lista 1).

Copy static void SimplePeripheral_taskFxn(UArg a0, UArg a1) { // Initialize application SimplePeripheral_init(); // Application main loop for (;;) { uint32_t events; // Waits for an event to be posted associated with the calling thread.
// Note that an event associated with a thread is posted when a // message is queued to the message receive queue of the thread events = Event_pend(syncEvent, Event_Id_NONE, SBP_ALL_EVENTS, ICALL_TIMEOUT_FOREVER); if (events) { .
.
.
if (events & SBP_PERIODIC_EVT) { uint16_t uiTempData; Util_startClock(&periodicClock); // Read the last converted temperature and then start the next // temperature conversion.
uiTempData = sensorRead(); // Update the Auto Advertisement Data advertData[9] = (uiTempData & 0xFF00) >> 8; advertData[10] = uiTempData & 0xFF; GAPRole_SetParameter(GAPROLE_ADVERT_DATA, sizeof(advertData), advertData); // Perform periodic application task SimplePeripheral_performPeriodicTask(uiTempData); } } } } 

Lista 1: Texas Instruments trådlösa termometerprovtillämpning demonstrerar användningen av TI Bluetooth-stackens ramverk. Ramverket bygger in tillämpningen i en huvudslinga som hämtar utvecklarens kod för att läsa av sensorer, i det här fallet när händelser sker, som att en timer går ut. (Kodkälla: Texas Instruments)

Utöver grundläggande initiering och konfiguration är programvaruinteraktionerna med TMP117 enkla. Till exempel utför sensorRead()-funktionen som används i huvudtillämpningsslingan som beskrivs ovan endast de I²C-transaktioner som krävs för att överföra mätresultaten (lista 2).

Copy static uint16_t sensorRead(void) { uint16_t temperature; uint8_t txBuffer[3]; uint8_t rxBuffer[2]; I2C_Transaction i2cTransaction; /* Point to the T ambient register and read its 2 bytes */ txBuffer[0] = TMP117_OBJ_TEMP; i2cTransaction.slaveAddress = Board_TMP_ADDR; i2cTransaction.writeBuf = txBuffer; i2cTransaction.writeCount = 1; i2cTransaction.readBuf = rxBuffer; i2cTransaction.readCount = 2; if (I2C_transfer(i2c, &i2cTransaction)) { /* Extract degrees C from the received data; see TMP117 datasheet */ temperature = (rxBuffer[0] << 8) | (rxBuffer[1]); /* * If the MSB is set '1', then we have a 2's complement * negative value which needs to be sign extended 7.8125 mC */ if (temperature & 0x8000) { temperature ^= 0xFFFF; temperature = temperature + 1; } } else { Display_printf(dispHandle, 0, 0, "I2C Bus fault"); } /* Start the next conversion in one-shot mode */ 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; /* Wait for the I2C access for configuration. Om det misslyckas * vänta i 1 sekund och försök igen. Detta är obligatoriskt * innan enheten läses av. */ while(!(I2C_transfer(i2c, &i2cTransaction))); return(temperature); } 

Lista 2: I Texas Instruments trådlösa termometerprovtillämpning kräver funktionen för att läsa av TMP117-sensorn endast några få anrop till I²C-programtjänsterna. (Kodkälla: Texas Instruments)

Utöver att demonstrera användningen av Bluetooth-stacken och TI-RTOS tillhandahåller provprogramvaran en färdig tillämpning som kan överföra temperaturvärden till en mobil enhet som kör mobilappen TI SimpleLink SDK som finns i både iOS- och Android-version. Tillsammans med de förbyggda apparna tillhandahåller TI SimpleLink SDK Explorer-appdistributioner med fullständig källkod för varje mobilplattform samt TI SDK Explorer Bluetooth-insticksprogrammet för CC2640R2 MCU.

Slutsatser

Konstruktionen av användarvänliga och effektiva kliniska trådlösa termometrar har hämmats av behovet av både hög mätnoggrannhet och lång batterilivslängd. Med sin låga strömförbrukning och noggrannhet i klinisk klass erbjuder Texas Instruments TMP117-temperatursensor en effektiv lösning. Som visats i en omfattande referensdesign kan utvecklarna använda TMP117 tillsammans med Texas Instruments CC2640R2 trådlösa Bluetooth-mikrostyrenhet för att skapa en fullständig trådlös termometerdesign som är lämplig för vårdtillämpningar.