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可穿戴溫度監測系統的設計理念


作者:德州儀器Brandon Fisher    時間:2019/3/26 20:21:38  來源:   

可穿戴溫度貼片是患者溫度監測系統的新興發展趨勢。設計這些貼片用于臨床環境的最大障礙之一是需要滿足嚴格的精度要求。


美國材料與試驗協會(ASTM)規定了電子患者體溫計的精度要求,如表1所示。在最嚴格的范圍內,這些標準允許最多±0.1oC的誤差,以確保患者的體溫的準確測量。

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現真正的±0.1°C精度可能具有挑戰性,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.散熱設計:作為設計人員,即使您已經校準并驗證了系統的整體精度,物理沖擊或壓力變化等外部環境因素仍然可能影響傳感器或測量,從而使熱導路徑由于失去與皮膚的接觸而使得導電性降低,導致精度下降。


在這篇文章中,我將討論為可穿戴溫度監測系統選擇傳感元件時的基本設計考慮因素,最終實現監測溫度以準確測量患者的體溫。


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中可靠,并有助于為整個系統保持±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以實現醫療準確性,并且因為電阻受到沖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,更低功耗和數字接口等額外優勢,從而簡化系統集成。  


設計最小溫度誤差

無論您選擇何種傳感元件,在設計這種精確度的貼片時,請記住以下兩個關鍵因素:

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行外部測量時,請記住實際感應元件與使用者皮膚之間的實際熱路徑。圖1顯示了一個熱傳到路徑實例; 在這個例子中,傳感器有一個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,最好在電路板兩側的器件導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提供了最佳路徑。不要使用銅與皮膚實際接觸,因為它有可能造成腐蝕。相反,在墊上使用生物相容性材料涂層(例如金)或涂覆與導熱聚合物接觸的點,這將提供更可靠的熱傳導。

圖1:使用WSON包進行皮膚溫度測量的熱疊加示例


可穿戴式溫度傳感貼片應始終采用柔性或半剛性印刷電路板(PCB)設計。在半剛性設計的情況下,將傳感元件放置在PCB的彎曲側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。該貼片設計為佩戴透明膠帶,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計 - 例如這項創新 - 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:使用具有強粘合劑覆蓋物或背襯的柔性PCB設計,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化為更多的熱量 - 所以你需要確保你的傳感器盡可能遠離更高功率的元件。


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。對于體溫監測系統來說,這種類型的發熱是不可能補償的,更不用說它對患者來說也很危險。在設計溫度監控解決方案時,考慮功耗密集的組件非常重要。這些部件需要放置在遠離傳感單元的地方,以最大程度的減少對傳感器數據產生的影響。

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


結論

患者溫度監測器的醫療準確性帶來一些有難度的熱學挑戰。使用正確的傳感器,只需稍微了解如何利用系統的布局和設計,就可以克服這些困難。

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