Giyilebilir sıcaklık izleme sistemi tasarım konsepti
Kaynak: Texas Instruments Yazar: Brandon Fisher
Giyilebilir sıcaklık yamaları, hasta sıcaklığı izleme sistemlerinde ortaya çıkan bir trenddir. Bu yamaları klinik ortamlarda kullanmak üzere tasarlamanın önündeki en büyük engellerden biri, sıkı doğruluk gereksinimlerini karşılama ihtiyacıdır.
American Society for Testing and Materials (ASTM), Tablo 1'de gösterildiği gibi elektronik hasta termometrelerinin doğruluk gereksinimlerini şart koşmaktadır. En katı aralıkta, bu standartlar, hastanın vücut sıcaklığının doğru ölçümünü sağlamak için ± 0.1oC'ye kadar bir hataya izin verir.
Tablo 1: Sıcaklık doğruluğu için ASTM E1112-00 (2016) gereksinimleri
Doğru bir sıcaklık sensörü seçmeye ek olarak, klinik sıcaklık problarında veya giyilebilir sıcaklık yamalarında gerçek ± 0,1 ° C doğruluğa ulaşmak aşağıdaki nedenlerden dolayı zor olabilir:
1. Düşük güç tüketimi: Bu doğruluk seviyesinde, mikro dalga seviyesinin geçici güç tüketimi bile sensör ünitesini ASTM E1112'nin gerektirdiği doğruluk aralığının ötesinde ısıtacaktır.
2. Isı dağıtımı tasarımı: Bir tasarımcı olarak, sistemin genel doğruluğunu kalibre etmiş ve doğrulamış olsanız bile, fiziksel şoklar veya basınç değişiklikleri gibi harici çevresel faktörler sensörü veya ölçümü yine de etkileyebilir, böylece termal iletim yolu ciltle teması kaybedecektir. İletkenlik azalır, bu da doğrulukta bir azalmaya neden olur.
Bu makalede, giyilebilir bir sıcaklık izleme sistemi için algılama elemanlarını seçerken temel tasarım hususlarını tartışacağım ve sonunda hastanın vücut sıcaklığını doğru bir şekilde ölçmek için sıcaklık izlemeyi gerçekleştireceğim.
Algılama elemanını seçin
Herhangi bir şeyi ölçmeden önce, sıcaklık probu veya yaması için doğru algılama elemanını seçmeniz gerekir. Yaygın sıcaklık izleme sensörleri arasında termistörler veya entegre devre (IC) sıcaklık sensörleri bulunur. Seçtiğiniz sensör sistemde güvenilir olmalı ve tüm sistem için tutarlı bir ± 0.1 ° C doğruluğu korumaya yardımcı olmalıdır.
Termistörler, maliyet ve güç tüketimi arasında kontrol edilebilir bir denge sağlasa da, tıbbi doğruluğa ulaşmak için genellikle kalibrasyona ihtiyaç duyarlar ve nemdeki etkiler veya değişiklikler nedeniyle arızalanma eğilimindedirler. IC sıcaklık sensörleri yakın zamanda ± 0.1 ° C'lik doğruluğu garanti edebildi, ancak fabrika kalibrasyonu, daha düşük güç tüketimi ve dijital arayüzler gibi ek avantajlara sahipler ve böylece sistem entegrasyonunu basitleştirdiler.
Minimum sıcaklık hatası tasarımı
Hangi sensör elemanını seçerseniz seçin, bu kadar hassas bir yama tasarlarken lütfen aşağıdaki iki temel faktörü aklınızda bulundurun:
1. Etkili termal teması sağlamak için sensör hastayla temas halinde olmalıdır. .
2. Sensör, diğer tüm ısı kaynaklarından izole edilmelidir.
1. İyi termal teması koruyun
Harici ölçümler için sıcaklık yamaları veya cilt probları kullanırken, lütfen gerçek algılama elemanı ile kullanıcının cildi arasındaki gerçek termal yolu unutmayın. Şekil 1, ısı transfer yolunun bir örneğini göstermektedir; bu örnekte sensör, çok ince, küçük profilli bir kurşunsuz (WSON) pakete sahiptir. Bu IC sıcaklık sensörü, silikon kalıbın sıcaklığını ölçer. Bu tür paketler için, devre kartının her iki tarafındaki cihazların termal pedlerinin altına bakır dolgu koymak en iyisidir. Bu pedleri ve açık delikleri bağlamak, çip ve cilt arasında en iyi iletim yolunu sağlar. Korozyona neden olabileceğinden, ciltle gerçek temas halinde bakır kullanmayın. Bunun yerine, ped üzerinde biyolojik olarak uyumlu bir malzeme kaplaması (altın gibi) kullanın veya daha güvenilir ısı iletimi sağlayacak olan termal olarak iletken polimer ile temas noktalarını kaplayın.
Şekil 1: WSON paketi kullanılarak cilt sıcaklığı ölçümünün termal kaplama örneği
Giyilebilir sıcaklık algılama yamaları her zaman esnek veya yarı sert baskılı devre kartları (PCB) ile tasarlanmalıdır. Yarı sert tasarım durumunda, algılama elemanını PCB'nin kavisli tarafına yerleştirmek ve esnek kartın kalınlığını mümkün olduğunca azaltmak çok önemlidir. Bu, cilt yüzeyi ile sensör arasındaki termal direnci azaltır ve daha ince bir plaka daha kolay bükülür ve daha iyi temas sağlar.
Şekil 2'de gösterilen sıcaklık yaması için levha kalınlığı yaklaşık 6,8 mildir. Yama, sensörün ve temas yüzeyinin ciltten kalkmasını önlemek ve ölçüm doğruluğunu azaltmak için şeffaf bant takmak üzere tasarlanmıştır. Ek olarak, bu yenilik baskılı devreler gibi daha yeni sıcaklık yama tasarımlarından bazıları doğrudan yapışkan bandaja bağlanır, bu da profili son derece ince ve hastayla iyi fiziksel temas halinde hale getirir.
Şekil 2: Sensörün deriden kalkmasını önlemek için güçlü bir yapışkan kapaklı veya arkalıklı esnek bir PCB tasarımı kullanın.
2. Diğer ısı kaynaklarından yalıtın
Cildinizin algılama elemanı için gerçek ısı kaynağı olmasını istiyorsanız, diğer kaynaklardan ısıyı gidermeniz gerekir. Tüm elektronik bileşenler belirli bir miktarda ısı açığa çıkarır - genellikle daha fazla elektrik enerjisi daha fazla ısıya dönüştürülür - bu nedenle sensörlerinizin daha yüksek güç bileşenlerinden olabildiğince uzak olduğundan emin olmanız gerekir.
Şekil 3, havadaki ısı dağılımının 100 ° C'lik bir güç direnci aracılığıyla ısı yakalanmasını göstermektedir. Vücut ısısı izleme sistemleri için, bu tür ateşin hasta için de tehlikeli olduğundan bahsetmek imkansızdır. Bir sıcaklık izleme çözümü tasarlarken, yoğun güç kullanan bileşenleri dikkate almak önemlidir. Sensör verileri üzerindeki etkiyi en aza indirmek için bu bileşenlerin sensör ünitesinden uzağa yerleştirilmesi gerekir.
Şekil 3: IC sıcaklık sensörü ve güç direnci kullanılarak kartın termal görüntüsü; mesafe (D) 15,24 mm
sonuç olarak
Hasta sıcaklık monitörlerinin tıbbi doğruluğu bazı zorlu termal zorluklar sunar. Doğru sensörle, sistemin düzenini ve tasarımını biraz anlayarak bu zorlukların üstesinden gelebilirsiniz.
İpuçları
EETOP'un makalesini okuduğunuz için teşekkür ederiz.Bu makaleyi beğendiyseniz, lütfen arkadaş çevrenizi paylaşın ve daha fazla bilgi alın lütfen beni takip edin.
