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可穿戴温度监测系统的设计理念


作者:德州仪器Brandon Fisher    时间:2019/3/26 20:21:38  来源:   

可穿戴温度贴片是患者温度监测系统的新兴发展趋势。设计这些贴片用于临床环境的最大障碍之一是需要满足严格的精度要求。


美国材料与试验协会(ASTM)规定了电子患者体温计的精度要求,如表1所示。在最严格的范围内,这些标准允许最多±0.1oC的误差,以确保患者的体温的准确测量。

表 1:ASTM E1112-00(2016)对温度精度的要求


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的±0.1°C精度可能具有挑战性,原因如下:

1.低功耗:在这种精度等级下,即使微瓦特级别的瞬态功率消耗都会将传感器单元加热到超出ASTM E1112需求的精度范围。

2.散热设计:作为设计人员,即使您已经校准并验证了系统的整体精度,物理冲击或压力变化等外部环境因素仍然可能影响传感器或测量,从而使热导路径由于失去与皮肤的接触而使得导电性降低,导致精度下降。


在这篇文章中,我将讨论为可穿戴温度监测系统选择传感元件时的基本设计考虑因素,最终实现监测温度以准确测量患者的体温。


选择传感元件

在测量任何东西之前,您需要为温度探头或贴片选择正确的传感元件。常见的温度监测传感器类型包括热敏电阻或集成电路(IC)温度传感器。您选择的传感器必须在系统中可靠,并有助于为整个系统保持±0.1°C的一致精度。


虽然热敏电阻在成本和功耗之间提供了可控的平衡,但它们通常需要校准以实现医疗准确性,并且因为电阻受到冲击或湿度的变化影响而易于失效。IC温度传感器最近才能保证±0.1°C的精度,但其具有可提供工厂校准,更低功耗和数字接口等额外优势,从而简化系统集成。  


设计最小温度误差

无论您选择何种传感元件,在设计这种精确度的贴片时,请记住以下两个关键因素:

1.传感器必须与患者接触,以确保有效的热接触。。

2.传感器必须与所有其他热源隔热。

1.保持良好的热接触


使用温度贴片或皮肤探针进行外部测量时,请记住实际感应元件与使用者皮肤之间的实际热路径。图1显示了一个热传到路径实例; 在这个例子中,传感器有一个非常薄的小轮廓无引线(WSON)封装。这种IC温度传感器测量硅管芯的温度。对于这样的封装,最好在电路板两侧的器件导热垫下面放置铜填充物。连接这些焊盘与通孔为芯片和皮肤之间的传导提供了最佳路径。不要使用铜与皮肤实际接触,因为它有可能造成腐蚀。相反,在垫上使用生物相容性材料涂层(例如金)或涂覆与导热聚合物接触的点,这将提供更可靠的热传导。

图1:使用WSON包进行皮肤温度测量的热叠加示例


可穿戴式温度传感贴片应始终采用柔性或半刚性印刷电路板(PCB)设计。在半刚性设计的情况下,将传感元件放置在PCB的弯曲侧并尽可能地减小柔性板的厚度非常重要。这降低了皮肤表面和传感器之间的热阻,较薄的板将更容易弯曲并且更好地接触。


对于图2所示的温度贴片,电路板厚度约为6.8密耳。该贴片设计为佩戴透明胶带,以防止传感器和接触垫从皮肤上抬起并降低测量精度。另外,一些较新的温度贴片设计 - 例如这项创新 - 印刷电路直接贴在胶粘绷带上,使得外形极薄而且能与患者的良好身体接触。

图2:使用具有强粘合剂覆盖物或背衬的柔性PCB设计,以避免传感器从皮肤上抬起。

2.与其他热源隔热

如果您希望皮肤成为感应元件的真正热源,那么您需要移除其他来源热量。所有电子元件都会释放出一定量的热量 - 通常更多的电能会转化为更多的热量 - 所以你需要确保你的传感器尽可能远离更高功率的元件。


图3显示了通过100°C功率电阻器对空气中热量分布的热捕获。对于体温监测系统来说,这种类型的发热是不可能补偿的,更不用说它对患者来说也很危险。在设计温度监控解决方案时,考虑功耗密集的组件非常重要。这些部件需要放置在远离传感单元的地方,以最大程度的减少对传感器数据产生的影响。

图3:使用IC温度传感器和功率电阻器对板进行热捕获; 距离(D)为15.24毫米


结论

患者温度监测器的医疗准确性带来一些有难度的热学挑战。使用正确的传感器,只需稍微了解如何利用系统的布局和设计,就可以克服这些困难。

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