Szybka integracja klinicznej klasy pomiaru temperatury w przenośnych i ubieralnych urządzeniach medycznych

W następstwie globalnego kryzysu związanego z COVID-19, od projektantów przenośnych i ubieralnych urządzeń przeznaczonych do pomiaru temperatury odczekuje się urządzeń o coraz mniejszych rozmiarach, kosztach i zużyciu energii, a jednocześnie poprawy dokładności, czułości i niezawodności. Aby sprostać temu wyzwaniu, czujniki muszą nie tylko charakteryzować się coraz lepszymi parametrami, ale również ogólną łatwością użycia, upraszczającą proces projektowania i integracji.

Niniejszy artykuł omawia podstawowe typy czujników temperatury, a następnie koncentruje się na cyfrowych czujnikach scalonych oraz kluczowych cechach, na które projektanci powinni zwracać uwagę. Przedstawione zostaną przykładowe cyfrowe czujniki temperatury firm ams oraz Maxim Integrated, a także termometry na podczerwień firmy Melexis Technologies NV, jako przykład bezdotykowego pomiaru temperatury. Urządzenia te zostaną również omówione pod kątem spełnienia wymogów stawianych przez systemy następnej generacji, a także opiszemy powiązane z nimi zestawy sond i płytek ewaluacyjnych oraz sposób ich użycia przez projektantów.

Wybór czujników temperatury

Projektanci mogą wybierać spośród czterech głównych typów urządzeń pomiarowych temperatury, takich jak termopary, rezystancyjne czujniki temperatury (RTD), termistory oraz scalone czujniki temperatury. Te ostatnie szczególnie dobrze nadają się do kontaktowych zastosowań medycznych i zdrowotnych. Głównie dlatego, że nie wymagają linearyzacji, są odporne na zakłócenia i stosunkowo łatwe do zintegrowania w przenośnych i ubieralnych urządzeniach medycznych. Do pomiarów bezdotykowych można zastosować termometry na podczerwień.

Rozmiary, zużycie mocy i czułość termiczna to szczególnie istotne parametry, które muszą zostać uwzględnione przez projektantów urządzeń ubieralnych - zarówno naręcznych, jak i stanowiących część ubrania, a także w postaci plastrów medycznych. Czułość jest istotna, ponieważ w projektach wymagających dokładności klasy klinicznej, nawet moc stanów nieustalonych rzędu mikrowatów (µW) może powodować nagrzewanie czujnika i niedokładność odczytów. Innym zagadnieniem jest rodzaj interfejsu (cyfrowy lub analogowy), ponieważ określa on wymagania w odniesieniu do współpracujących komponentów, np. mikrokontrolerów.

W jaki sposób osiągnąć dokładność klasy klinicznej

Spełnienie wymogów dokładności klasy klinicznej według normy ASTM E112 rozpoczyna się od doboru odpowiedniego czujnika. Cyfrowe czujniki temperatury MAX30208 firmy Maxim Integrated oferują na przykład dokładność ±0,1°C w zakresie od +30°C do +50°C oraz dokładność ±0,15°C w zakresie od 0°C do +70°C. Urządzenie posiada 10-wtykową obudowę LGA o wymiarach 2 x 2 x 0,75mm (ilustracja 1). Te układy scalone działają przy napięciu zasilania od 1,7 do 3,6V i zużywają mniej niż 67µA podczas pracy oraz 0,5µA w trybie pogotowia.

Ilustracja 1: cyfrowe czujniki temperatury MAX30208 zapewniają pomiar klasy klinicznej ±0,1°C w urządzeniach z zasilaniem bateryjnym, takich jak smartwatche i plastry medyczne. (Źródło ilustracji: Maxim Integrated)

Jak wspomniano wcześniej, najistotniejszym wyzwaniem podczas projektowania zgodnie z wymaganiami dokładności klasy klinicznej jest zapewnienie, że temperatura własna czujnika nie wpływa na odczyt pomiaru urządzenia ubieralnego.

Ciepło działające na czujnik scalony, które przepływa z płytki drukowanej przez odprowadzenia obudowy do mikrostruktury czujnika, może wpływać na dokładność odczytów temperatury. W scalonych czujnikach temperatury ciepło to jest przewodzone przez metalowe pole termiczne na spodzie obudowy, co skutkuje nagrzewaniem pasożytniczym. To z kolei może powodować przewodzenie cieplne na innych wtykach. W nieuchronny sposób zakłóca to pomiary temperatury.

Aby zniwelować nagrzewanie pasożytnicze, projektanci mogą stosować szereg technik, poczynając od użycia cienkich ścieżek w celu zminimalizowania przewodzenia ciepła od czujnika scalonego. Ponadto, zamiast wykorzystywać pole termiczne na spodzie obudowy, projektanci mogą mierzyć temperaturę w górnej części obudowy, możliwie daleko od wtyków układu scalonego. W przypadku układu MAX30208CLB+ i innych cyfrowych czujników temperatury MAX30208, temperatura jest mierzona w górnej części obudowy.

Inną techniką zapobiegającą wpływowi na pomiar temperatury jest umieszczenie wszystkich innych komponentów elektronicznych mogących dostarczać ciepło do układu pomiaru temperatury możliwie daleko od elementu czujnikowego.

Zagadnienia projektowe dotyczące interakcji użytkownika z systemem

Projektanci muszą z jednej strony zapewnić izolację od źródeł ciepła, a jednocześnie zagwarantować dobre przewodzenie ciepła pomiędzy elementem mierzącym temperaturę i skórą użytkownika. Umiejscowienie na spodzie obudowy sprawia problemy w poprowadzeniu szyn metalowych po płytce drukowanej do miejsca kontaktu z ciałem.

Dlatego przede wszystkim system należy zaprojektować tak, aby czujnik znajdował się możliwie blisko miejsca docelowego pomiaru temperatury. Po drugie, czujniki MAX30208 pozwalają na stosowanie elastycznych lub częściowo sztywnych płytek drukowanych w projektach urządzeń ubieralnych i plastrów medycznych. Cyfrowe czujniki temperatury MAX30208 można podłączać bezpośrednio do mikrokontrolerów za pomocą płaskich kabli elastycznych (FFC) lub płaskich kabli drukowanych (FPC).

W przypadku korzystania z tych kabli konieczne jest umieszczenie scalonego czujnika temperatury po elastycznej stronie płytki drukowanej, co zmniejsza opór cieplny pomiędzy powierzchnią skóry i czujnikiem. Ponadto projektanci powinni stosować możliwie cienkie płytki elastyczne, ponieważ zapewnia to lepszą elastyczność i lepszy kontakt.

Cyfrowe czujniki temperatury zwykle łączą się z mikrokontrolerami za pośrednictwem interfejsu szeregowego I²C. Taka sytuacja ma miejsce w przypadku układu MAX30208CLB+ firmy Maxim, wykorzystującego również bufor FIFO danych temperatury, który pozwala na długie okresy uśpienia mikrokontrolera i oszczędzanie energii.

Ilustracja 2: cyfrowe czujniki temperatury MAX30208 przeznaczone są do termometrów medycznych i ubieralnych monitorów temperatury ciała. (Źródło ilustracji: Maxim Integrated)

Cyfrowy czujnik temperatury MAX30208CLB+ wykorzystuje bufor FIFO o pojemności 32 słów, tworzący rejestr maksymalnie 32 odczytów temperatury o wielkości dwóch bajtów każdy. Rejestry zmapowanej pamięci pozwalają również na implementację alarmów wysokiej i niskiej wartości progowej temperatury.

Występują również dwa wtyki wejścia-wyjścia ogólnego przeznaczenia (GPIO): GPIO1 może służyć do aktywowania przeliczania temperatury, natomiast GPIO0 może być skonfigurowany do generowania przerwań dla wybieranych bitów statusu.

Skalibrowane fabrycznie czujniki temperatury

Wiele współczesnych cyfrowych czujników temperatury jest fabrycznie kalibrowanych, co eliminuje konieczność kalibracji w miejscu instalacji oraz ponownej kalibracji raz w roku, co było konieczne w czujnikach temperatury starszego typu. Ponadto dzięki kalibracji fabrycznej nie ma konieczności opracowywania oprogramowania do linearyzacji sygnału wyjściowego oraz symulacji i strojenia obwodu. Eliminuje ona również potrzebę stosowania wielu precyzyjnych komponentów i minimalizuje ryzyko braku dopasowania impedancyjnego.

Na przykład grupa czujników temperatury AS621x firmy ams jest skalibrowana fabrycznie i posiada zintegrowaną linearyzację (ilustracja 3). Posiada ona również osiem adresów I²C, które pozwalają projektantom monitorować temperaturę w ośmiu różnych punktach z wykorzystaniem jednej magistrali.

Ilustracja 3: czujniki AS621x stanowią kompletny cyfrowy system pomiaru temperatury z kalibracją fabryczną. (Źródło ilustracji: ams)

Interfejs szeregowy z ośmioma adresami I²C ułatwia również prototypowanie i weryfikację projektów przez projektantów systemów monitorowania stanu zdrowia.

Aby ułatwić dobór czujnika do wymogów konkretnego zastosowania, czujniki AS621x są dostępne w trzech wersjach dokładności: ±0,2°C, ±0,4°C oraz ±0,8°C. Układ AS6212-AWLT-L o dokładności ±0,2°C jest odpowiedni do zastosowań w systemach monitorowania stanu zdrowia. Wszystkie urządzenia AS621x posiadają rozdzielczość 16 bitów, która zapewnia wykrywanie niewielkich zmian temperatury w pełnym zakresie temperatur roboczych od -40°C do +125°C.

Układ AS621x ma powierzchnię 1,5mm² i zamknięty jest w obudowie WLCSP (Wafer-Level Chip-Scale Package), co ułatwia jego integrację w urządzeniach medycznych. Działa on przy napięciu zasilania 1,71V i zużywa 6µA podczas pracy oraz 0,1µA w trybie pogotowia. Dzięki miniaturowym rozmiarom i niskiemu zużyciu energii, czujniki temperatury AS6212-AWLT-L szczególnie dobrze nadają się do stosowania w urządzeniach ubieralnych i mobilnych zasilanych z baterii.

Bezdotykowe czujniki temperatury

W przeciwieństwie do scalonych czujników temperatury, które wymagają jakiejś formy fizycznego kontaktu, termometry na podczerwień dokonują bezdotykowego pomiaru temperatury. Omawiane czujniki bezdotykowe mierzą dwa parametry: temperaturę otoczenia i temperaturę obiektu.

Termometry te wykrywają każdą energię powyżej 0 Kelwina (zera bezwzględnego), emitowaną przez obiekt, na który są skierowane. Detektor następnie konwertuje tę energię na sygnały elektryczne przekazywane do procesora w celu interpretacji i wyświetlenia po skompensowaniu o zmiany powodowane przez temperaturę otoczenia.

Na przykład termometr na podczerwień MLX90614ESF-BCH-000-TU firmy Melexis zawiera podczerwony mikroukład detektora w postaci mikrostosu oraz mikroukład kondycjonowania sygnału zintegrowane w obudowie TO-39 (ilustracja 4). Grupa MLX90614 posiada zintegrowane wzmacniacze niskoszumne, 17-bitowe przetworniki analogowo-cyfrowe (ADC) oraz cyfrowe procesory sygnałowe (DSP) zapewniające wysoką dokładność i rozdzielczość.

Ilustracja 4: termometr na podczerwień MLX90614 posiada standardową dokładność 0,5°C w temperaturze pokojowej. (Źródło ilustracji: Melexis)

Termometry na podczerwień MLX90614 są skalibrowane fabrycznie do pracy w zakresie temperatur otoczenia od -40°C do 85°C i temperatur obiektu od -70°C do 382,2°C. Charakteryzują się one standardową dokładnością 0,5°C w temperaturze pokojowej.

Omawiane bezdotykowe czujniki temperatury posiadają wyjścia działające w dwóch trybach: modulacji szerokości impulsu (PWM) oraz SMBus za pośrednictwem interfejsu dwuprzewodowego (TWI) lub łącza I²C. Czujnik jest fabrycznie skalibrowany w przypadku cyfrowego wyjścia SMBus i może obsługiwać cały zakres temperatur z rozdzielczością 0,02°C. Z kolei 10-bitowe wyjście cyfrowe PWM może zostać skonfigurowane przez projektanta do pracy z rozdzielczością 0,14°C.

Prace rozwojowe z wykorzystaniem czujników temperatury

Grupa czujników MAX30208 współpracuje z systemem ewaluacyjnym MAX30208EVSYS# firmy Maxim Integrated, który zawiera elastyczną płytkę drukowaną do montażu scalonego czujnika temperatury MAX30208 (ilustracja 5). System ewaluacyjny składa się z dwóch płytek: płytki mikrokontrolera MAX32630FTHR i płytki interfejsu MAX30208, które połączone są za pomocą listew. Projektanci muszą tylko podłączyć sprzęt ewaluacyjny do komputera PC przy użyciu dostarczonego w zestawie kabla USB. System automatycznie instaluje wymagane sterowniki urządzenia. Po ich zainstalowaniu należy zainstalować oprogramowanie EV Kit Software.

Ilustracja 5: projektanci mogą podłączyć sprzęt ewaluacyjny do komputera PC przy użyciu dostarczonego w zestawie kabla USB. Niezbędne sterowniki urządzenia są instalowane automatycznie. (Źródło ilustracji: Maxim Integrated)

Warto również tutaj wspomnieć, że urządzenie ubieralne lub mobilne może mierzyć temperaturę ciała w wielu miejscach. Na przykład w odzieży sportowej można połączyć kaskadowo wiele scalonych czujników temperatury MAX30208 z wykorzystaniem adresów I²C, stosując jedną baterię i mikrokontroler hosta. Każdy z czujników temperatury jest sondowany regularnie przez mikrokontroler w celu stworzenia profilu temperatury dla danego miejsca i całego ciała.

W przypadku czujników podczerwonych MLX90614, deweloperzy urządzeń medycznych mogą rozpocząć prace stosując kompaktowe płytki MIKROE-1362 IrThermo Click firmy MikroElektronika. Umożliwia to połączenie modułu jednostrefowego termometru na podczerwień MLX90614ESF-AAA z płytką mikrokontrolera za pomocą linii mikroBUS I²C lub linii PWM (ilustracja 6).

Ilustracja 6: płytkę MIKROE-1362 IrThermo Click można wykorzystać do rozpoczęcia prac rozwojowych z użyciem czujnika MLX9016 firmy Maxim Integrated. (Źródło ilustracji: MikroElektronika)

Płytki 5V firmy MikroElektronika są skalibrowane do pracy w zakresie temperatur otoczenia od -40°C do 85°C i temperatur obiektu od -70°C do +380°C.

Podsumowanie

Od projektantów oczekuje się rozwiązań pomiaru temperatury na poziomie klinicznym, które będą dostępniejsze dla masowego odbiorcy i pokonania takich wyzwań, jak zasilanie, rozmiary, koszty, niezawodność i dokładność. Dostępne obecnie czujniki kontaktowe i bezkontaktowe obsługiwane przez zestawy rozwojowe są pomocne w szybkim i sprawnym zaspokojeniu tych potrzeb. Jak wykazano, czujniki te nie tylko posiadają charakterystyki wymagane dla klinicznych pomiarów temperatury, ale również są skalibrowane fabrycznie i wyposażone są w interfejsy cyfrowe ułatwiające ich integrację w projektach kolejnej generacji.