一種植入式無(wú)線體溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究

　　引言

　　在動(dòng)物活體實(shí)驗(yàn)的特殊環(huán)境中，實(shí)驗(yàn)人員屬于高危易感染人群。因此，要盡量減少這些人員與實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的接觸。而體溫是臨床醫(yī)護(hù)采集病史和資料過(guò)程中最重要的客觀指標(biāo)之一，其準(zhǔn)確性直接影響到疾病的診斷和治療[1]。同樣，在活體動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)人員常常關(guān)注實(shí)驗(yàn)體的體溫隨著時(shí)間變化的情況。

　　在具有高傳染性的動(dòng)物活體實(shí)驗(yàn)中，如果采用接觸式體溫測(cè)量方法，就給實(shí)驗(yàn)人員帶來(lái)極大的傳染風(fēng)險(xiǎn)。如果采用非接觸式測(cè)量方法，文獻(xiàn) [2]指出雖然紅外熱像儀具有自動(dòng)化程度高，減少交叉感染機(jī)會(huì)的優(yōu)點(diǎn)，但所測(cè)量溫度平均比口腔溫度低 2.16°C±1.40°C，在準(zhǔn)確度上存在一定缺陷。同時(shí)，它也不適合對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象實(shí)施實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。因?yàn)楝F(xiàn)有的無(wú)線電子體溫測(cè)量裝置[3]采用體表接觸的體溫測(cè)量方式以及裝置體積等因素的限制，不適合用于動(dòng)物體溫測(cè)量，同時(shí)會(huì)造成測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。

　　針對(duì)上述問(wèn)題，本文對(duì)一種把測(cè)溫裝置植入試驗(yàn)體的體內(nèi)，通過(guò)無(wú)線傳輸，進(jìn)行遠(yuǎn)程體溫監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)進(jìn)行了論述和研究。該系統(tǒng)可以對(duì)實(shí)驗(yàn)體的體溫進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和預(yù)警，是一個(gè)在高傳染環(huán)境下進(jìn)行體溫監(jiān)測(cè)的很好方案。

　　1 系統(tǒng)的組成與工作原理

　　1.1 系統(tǒng)組成本系統(tǒng)由四部分組成：溫度傳感器、體內(nèi)信號(hào)處理測(cè)溫模塊、體外信號(hào)處理模塊、計(jì)算機(jī)。其結(jié)構(gòu)框圖如圖 1所示。

　　1.2 系統(tǒng)工作原理

　　在實(shí)驗(yàn)體內(nèi)溫度測(cè)量裝置中，溫度傳感器 DS18B20將采集到的溫度信息，傳送到微處理器C8051F320，將其轉(zhuǎn)換成高速串行信號(hào)，然后由 nRF2401無(wú)線收發(fā)芯片將信號(hào)發(fā)出去。為了實(shí)現(xiàn)多對(duì)象、同時(shí)監(jiān)測(cè)的目的，在通訊上該系統(tǒng)采用了詢問(wèn)應(yīng)答的通訊方式。

　　在實(shí)驗(yàn)體外數(shù)據(jù)接收裝置中，首先通過(guò)無(wú)線收發(fā)芯片 nRF2401接收溫度信息，接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)中斷的方式交由微控器 C8051F320，最后通過(guò) USB總線傳送給計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示、分析、存儲(chǔ)、報(bào)警。

　　2 體內(nèi)測(cè)溫裝置的設(shè)計(jì)

　　該系統(tǒng)與現(xiàn)有的無(wú)線電子測(cè)溫裝置不同，它是將封裝成“膠囊”形狀的測(cè)溫裝置植入實(shí)驗(yàn)體皮下，通過(guò)無(wú)線傳輸方式進(jìn)行體溫監(jiān)測(cè)。因此，該部分的體積要盡量小，要合理安排傳感器、芯片、電源、天線的位置，盡量使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊。其系統(tǒng)組成如圖 2所示。

　　2.1 溫度傳感器的選擇

　　傳感器作為測(cè)溫裝置的關(guān)鍵組成部分，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)測(cè)溫的準(zhǔn)確度起著重要作用。同時(shí)，也影響整個(gè)測(cè)溫裝置的體積。在本系統(tǒng)中采用 DALLAS公司生產(chǎn)的 DS18B20數(shù)字溫度傳感器。與熱敏電阻相比，它能夠直接讀出被測(cè)溫度，根據(jù)實(shí)際要求，通過(guò)簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn) 9～ 12位的數(shù)字值讀數(shù)方式，即具有可調(diào)的溫度分辨率，并且從 DS18B20讀出或?qū)懭胄畔⒅恍枰桓诰€。它體積小，電壓適用范圍寬( 3.0V～5.5V)，可以采用外部供電方式，也可以采用寄生電源，即從總線上獲得電源[4]，因此，DS18B20可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、更緊湊。

　　2.2 信號(hào)處理模塊的設(shè)計(jì)

　　信號(hào)處理模塊主要由微控器 C8051F320、無(wú)線收發(fā)芯片 nRF2401及外圍電路組成。溫度傳感器 DS18B20進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后數(shù)據(jù)進(jìn)入微處理器 C8051F320，編碼后由微處理器轉(zhuǎn)換成高速串行信號(hào)傳送給后端的無(wú)線收發(fā)芯片 nRF2401，將溫度信息發(fā)送出去。

　　微控器 C8051F320是由美國(guó) Cygnal公司推出的一款具有全速 USB功能的混合信號(hào) flash微控器芯片，該器件內(nèi)集成由 2304Byte RAM和 16K Byte的 flash存儲(chǔ)器。實(shí)際上， C8051F320是一個(gè)完整的混合信號(hào)片上的系統(tǒng)( SoC)。利用該芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)可以不需要任何外部元件(包括電阻和晶振)，因此使系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單、緊湊。

　　無(wú)線收發(fā)芯片 nRF2401和藍(lán)牙一樣，都是工作在 2.4GHz自由頻段，能夠在全球無(wú)線市場(chǎng)暢通無(wú)阻。nRF2401支持多點(diǎn)通信，最高傳輸速率超過(guò) 1M bit/S，而且比藍(lán)牙具有更高的傳輸速度。特別是它采用了 SoC方法設(shè)計(jì)，芯片體積小只有 5mm×5mm×1mm，只需少量外圍元件便可組成射頻收發(fā)電路，有利于使得整個(gè)系統(tǒng)降低體積。理論上 nRF2401具有高達(dá) 1Mbps的束吞吐量，理想情況為 400kbps，在 ShockBurstTM收發(fā)模式下，使用片內(nèi)的先入先出堆棧區(qū)，微處理器以低速與 nRF2401的緩沖區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，隨后 nRF2401以高速發(fā)射數(shù)據(jù)，這樣可以降低能耗 [5,6]。因此，使用低速的微控器也能得到很高的數(shù)據(jù)發(fā)射速度。同時(shí)，發(fā)射功率、工作頻率等工作參數(shù)可通過(guò)軟件設(shè)置完成。電壓范圍 1.9V～3.6V，-5Bm輸出功率時(shí)的典型峰值電流微 10.5mA，芯片能耗非常低，可提高裝置的使用壽命。

　　2.3 測(cè)溫裝置封裝處理

　　為了提高體溫測(cè)量的準(zhǔn)確度，在整個(gè)測(cè)溫裝置封裝上選擇熱傳導(dǎo)快的材料。同時(shí)，為避免該裝置植入實(shí)驗(yàn)體體內(nèi)后與機(jī)體組織產(chǎn)生排斥反映，要對(duì)封裝表面進(jìn)行“生物修飾”處理，如用聚乙二醇等材料。最終形成“膠囊“形狀的測(cè)溫裝置。

　　3 體外數(shù)據(jù)接收裝置設(shè)計(jì)

　　體外數(shù)據(jù)接收裝置的作用是處理、儲(chǔ)存體內(nèi)測(cè)溫裝置傳送出來(lái)的信息，并顯示每個(gè)被監(jiān)測(cè)對(duì)象的體溫?cái)?shù)據(jù)。通過(guò)程序設(shè)計(jì)，它可將各個(gè)被監(jiān)測(cè)對(duì)象的體溫分別以表格或以圖形的形式在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示。當(dāng)體溫高于設(shè)定的門限值時(shí)，可以自動(dòng)報(bào)警。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 3所示。

　　無(wú)線收發(fā)芯片 nRF2401將接收到的溫度信息，傳送給微控器 C8051F320，由微控器 C8051F320將溫度信息還原，最后通過(guò) USB總線技術(shù)將溫度信息傳送給計(jì)算機(jī)[7]。

　　3.2 通訊方式設(shè)置

　　為了區(qū)分不同的被監(jiān)測(cè)對(duì)象，通過(guò)軟件為每個(gè)體內(nèi)測(cè)溫裝置中的無(wú)線收發(fā)芯片 nRF2401設(shè)置一個(gè)地址，它只有收到芯片地址時(shí)才會(huì)發(fā)送數(shù)據(jù)。體內(nèi)測(cè)溫裝置的無(wú)線收發(fā)芯片 nRF2401首先被設(shè)置為接收模式，體外測(cè)溫裝置的無(wú)線收發(fā)芯片 nRF2401被置為發(fā)射模式，并發(fā)出詢問(wèn)信號(hào)，該詢問(wèn)信號(hào)為地址碼。若體內(nèi)測(cè)溫裝置 nRF2401收到正確的地址碼，則通過(guò)程序改變其工作模式，變?yōu)榘l(fā)射模式，然后將溫度信息發(fā)射出去，此時(shí)體外接收裝置 nRF2401已處于接收模式;若無(wú)效體內(nèi)測(cè)溫裝置繼續(xù)處于接收模式。這樣就實(shí)現(xiàn)了一臺(tái)電腦對(duì)多個(gè)對(duì)象同時(shí)監(jiān)測(cè)的目的。其程序流程如圖 4和圖 5所示。

　　置體內(nèi)測(cè)溫裝置 nRF2401接置體外數(shù)據(jù)接收裝置 nRF2401收模式發(fā)射模式

　　3.3 傳輸協(xié)議設(shè)計(jì)

　　為了實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)通信，必須根據(jù)無(wú)線傳輸?shù)囊话阋蠛筒捎玫臒o(wú)線傳輸收發(fā)模塊芯片的特殊要求來(lái)設(shè)計(jì)一套傳輸協(xié)議。由于異步傳輸效率低，一幀只能傳輸一個(gè)字節(jié)，所以采用同步幀格式。首先必須發(fā)送一個(gè)到兩個(gè)字節(jié)的 1和 0相間隔的位同步碼，用來(lái)識(shí)別一幀有效數(shù)據(jù)和無(wú)效數(shù)據(jù)。接下來(lái)就是一個(gè)同步幀碼，一般是一個(gè)下降沿開(kāi)始，再下來(lái)就是用戶要上傳的狀態(tài)信息以及數(shù)據(jù)信息。最后，就是為了保證無(wú)線傳輸?shù)目煽啃院透咝员仨氂袡z錯(cuò)糾錯(cuò)碼。采用通訊中廣泛適用的 CRC循環(huán)糾錯(cuò)碼，以實(shí)現(xiàn)糾錯(cuò)的目的。

　　4 結(jié)論

　　在現(xiàn)有溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，本文對(duì)一種新型的植入式溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)，對(duì)在具有高傳染風(fēng)險(xiǎn)環(huán)境下的體溫監(jiān)測(cè)，特別是在活體動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中有很大的實(shí)用性和研究?jī)r(jià)值，同時(shí)為多生理參數(shù)監(jiān)測(cè)搭建了基礎(chǔ)平臺(tái)。在整個(gè)設(shè)計(jì)上，針對(duì)如何減少“膠囊”式溫度檢測(cè)裝置的體積，元器件間的干擾還需要進(jìn)一步要研究，并進(jìn)一步研究該系統(tǒng)用于人體體溫監(jiān)測(cè)的可行性。