在前幾篇文章中，我們已經就溫度傳感器的基本原理進行了介紹。了解患者的體溫是任何臨床診斷的關鍵第一步，也是運動員的重要關注點。除了要求超高精度外，行業正朝著緊湊型可穿戴設備的方向發展，以提供持續的溫度監測。精度高達 0.1°C 的溫度傳感器不僅符合美國材料與試驗協會 (ASTM) E1112 對醫用溫度計的要求，而且還經過優化，可使電池供電的可穿戴設備保持緊湊和舒適。

　　簡介

　　在臨床環境中監測患者生命體征通常是需要經過嚴格校準的昂貴系統所執行的工作，需要將患者束縛在臨床監護儀旁邊。無線患者監測系統可提供患者舒適性和臨床便利性，只要仍然符合嚴格的醫療標準即可。

　　在設計可穿戴式溫度監測儀時，需要在功耗、尺寸、系統性能（射頻 [RF] 和精度方面）和患者舒適度之間進行許多權衡。例如，更輕薄、更柔軟的電池提供更大的舒適性，但可能需要更精心的電源管理。

　　更小、更低成本的設計需要在隔熱和射頻性能方面做出犧牲。用于長期監測的解決方案必須充分利用電路板面積來提高精度和信號完整性，同時盡可能降低電流消耗。系統設計人員必須平衡這些要求以及患者的舒適度和體驗。

　　溫度計的合規性

　　美國材料與試驗協會 (ASTM) E1112 和國際標準化組織(ISO) 80601-2-56:2017 是間歇性電子式患者溫度計的監管標準。對于符合 ASTM E1112 標準的臨床溫度測量應用，體溫監測儀必須能夠產生 ±0.1°C 精度的讀數，還必須讀取并顯示最低 35.8°C 至 41.0°C 的溫度。至少，任何溫度監測設計都應該包括一個能夠在校準后滿足這些要求的傳感元件。

　　TI 建議對可穿戴式溫度監測儀使用 TMP117 超高精度數字溫度傳感器。該器件本身在 25°C 至 50°C 溫度范圍內的精度優于 0.1°C，無需校準即可滿足 ASTM E1112和 ISO 80601-2-56:2017 的要求。此外，TMP117 的低總電流消耗和單次觸發模式非常適合電池供電的應用。與基于電阻溫度檢測器 (RTD) 或熱敏電阻的解決方案相比，TMP117 的數字 I2C 輸出還極大地簡化了系統設計。

　　布局注意事項

　　即使采用合適的傳感元件，確保整體系統精度仍然需要仔細進行電路板布局。若要監測皮膚溫度，最佳布局應滿足以下條件：

　　?最大限度提高傳感元件和其他器件之間的隔熱能力。

　　?最大限度降低溫度傳感元件周圍的熱質量以加快響應速度。

　　?在患者和傳感元件之間提供良好的熱接觸，使傳感器和目標之間的溫度梯度最小化。

　　優化隔熱和熱質量

　　下圖顯示了一個皮膚溫度監測系統示例。TMP117 數字溫度傳感器使用窄臂從印刷電路板 (PCB) 的其余部分進行延伸，從而最大限度減少電路板其余部分的熱傳導。

　　TMP117 (U1) 位于柔性 PCB 上。使用延伸臂可將集成電路與其他器件產生的熱量隔開。

　　下圖顯示了相同雙層柔性 PCB 的疊層。使用柔性板有助于減少總體熱質量，從而改善患者監測儀的熱響應時間。在電路板頂部和底部之間省略銅填充會阻止從 TMP117 吸走熱量并增加熱質量。

　　柔性疊層示例，使厚度最小化以降低熱質量。

　　熱接觸

　　為了對患者皮膚溫度進行可靠測量，需要被監測患者與傳感器件之間實現良好的熱接觸。這種熱接觸與電路板其余部分的熱隔離相互配合，可確保報告的溫度盡可能接近患者的實際皮膚溫度。使用 TMP117，牢固的覆銅和接觸過孔可以在電路板下面提供導熱路徑，如下圖所示。焊盤與穿戴者的皮膚直接接觸，并確保該器件的主要熱源來自被監測者。

　　覆銅位于 TMP117 下面（左）；TMP117 的頂部布局（U1，右）。TMP117 下面的過孔和覆銅在患者皮膚與器件之間提供導熱路徑。

　　自發熱

　　無論選擇何種傳感元件和布局，鑒于醫用溫度計的嚴格精度要求，均需要了解器件自發熱影響。由于所選的傳感元件會發生電阻損耗，因此始終存在一定程度的自發熱。TMP117 可配置為單次觸發模式轉換，并可在連續讀取之間保持關斷模式，從而最大限度減少自發熱。TMP117 的單次觸發特性可以使用可配置數量的平均讀數來觸發各個溫度讀數。人體溫度通常不會在大約幾秒鐘內就出現變化，因此以 10 到 60 秒的間隔讀取這些讀數足以長時間監測患者體溫。此方法還具有延長系統有效電池壽命的額外好處。

　　系統功率

　　電源要求將根據整體系統設計而有所不同，但大多數無線患者監測儀需要有足夠的能量存儲，確保能維持數年的貨架期，并至少有 48 至 72 小時的有效使用壽命。紐扣電池輕而易舉就能滿足這些能量要求，但它們是完全剛性的，可能會讓患者感到不舒服。在一次性貼片中，基于紐扣電池的解決方案可能非常浪費。

　　另一種能量存儲選擇是使用薄膜柔性電池。由于這些電池的存儲容量很小，若要使用這些電池，總系統功耗必須極小。如果僅進行間歇性溫度監測，使用柔性電池供電的系統可以輕松滿足具體應用的電池要求，可確保數年的貨架期和 48 至 72 小時的有效使用時間。

　　進行系統權衡

　　雖然遵循布局建議對于滿足 ASTM E1112 和 ISO 80601-2-56 標準至關重要，但還有其他系統設計注意事項。為了使患者感到舒適，最好將非溫度監測器件和射頻區域保持在盡可能小的面積內。保持電路板的填充區域緊湊有助于減小監測儀上使患者感到僵硬的區域。

　　對于射頻通信，任何能在柔性 PCB 上工作的無線協議都是可行的。由于大多數可穿戴式患者監測儀都希望保持低功耗，因此 TI 建議使用低功耗 Bluetooth? 無線通信鏈路。如果從監測儀發送的信息只有溫度，則可以將監測儀配置為連同其配對 ID 一起廣播溫度讀數。以這種方式發送信息消除了建立和維持實際連接的必要，甚至可進一步降低系統功耗。

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