一種植入式無(wú)線(xiàn)體溫監測系統的研究

　　引言

　　在動(dòng)物活體實(shí)驗的特殊環(huán)境中，實(shí)驗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)驗動(dòng)物的接觸。而體溫是臨床醫護采集病史和資料過(guò)程中最重要的客觀(guān)指標之一，其準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)驗中實(shí)驗人員常常關(guān)注實(shí)驗體的體溫隨著(zhù)時(shí)間變化的情況。

　　在具有高傳染性的動(dòng)物活體實(shí)驗中，如果采用接觸式體溫測量方法，就給實(shí)驗人員帶來(lái)極大的傳染風(fēng)險。如果采用非接觸式測量方法，文獻 [2]指出雖然紅外熱像儀具有自動(dòng)化程度高，減少交叉感染機會(huì )的優(yōu)點(diǎn)，但所測量溫度平均比口腔溫度低 2.16°C±1.40°C，在準確度上存在一定缺陷。同時(shí)，它也不適合對監測對象實(shí)施實(shí)時(shí)監測。因為現有的無(wú)線(xiàn)電子體溫測量裝置[3]采用體表接觸的體溫測量方式以及裝置體積等因素的限制，不適合用于動(dòng)物體溫測量，同時(shí)會(huì )造成測量數據不準確。

　　針對上述問(wèn)題，本文對一種把測溫裝置植入試驗體的體內，通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸，進(jìn)行遠程體溫監測的系統進(jìn)行了論述和研究。該系統可以對實(shí)驗體的體溫進(jìn)行遠程監測和預警，是一個(gè)在高傳染環(huán)境下進(jìn)行體溫監測的很好方案。

　　1 系統的組成與工作原理

　　1.1 系統組成本系統由四部分組成：溫度傳感器、體內信號處理測溫模塊、體外信號處理模塊、計算機。其結構框圖如圖 1所示。

　　1.2 系統工作原理

　　在實(shí)驗體內溫度測量裝置中，溫度傳感器 DS18B20將采集到的溫度信息，傳送到微處理器C8051F320，將其轉換成高速串行信號，然后由 nRF2401無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片將信號發(fā)出去。為了實(shí)現多對象、同時(shí)監測的目的，在通訊上該系統采用了詢(xún)問(wèn)應答的通訊方式。

　　在實(shí)驗體外數據接收裝置中，首先通過(guò)無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片 nRF2401接收溫度信息，接收到的數據通過(guò)中斷的方式交由微控器 C8051F320，最后通過(guò) USB總線(xiàn)傳送給計算機，由計算機進(jìn)行數據顯示、分析、存儲、報警。

　　2 體內測溫裝置的設計

　　該系統與現有的無(wú)線(xiàn)電子測溫裝置不同，它是將封裝成“膠囊”形狀的測溫裝置植入實(shí)驗體皮下，通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸方式進(jìn)行體溫監測。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(xiàn)的位置，盡量使系統結構緊湊。其系統組成如圖 2所示。

　　2.1 溫度傳感器的選擇

　　傳感器作為測溫裝置的關(guān)鍵組成部分，對整個(gè)系統測溫的準確度起著(zhù)重要作用。同時(shí)，也影響整個(gè)測溫裝置的體積。在本系統中采用 DALLAS公司生產(chǎn)的 DS18B20數字溫度傳感器。與熱敏電阻相比，它能夠直接讀出被測溫度，根據實(shí)際要求，通過(guò)簡(jiǎn)單的編程實(shí)現 9～ 12位的數字值讀數方式，即具有可調的溫度分辨率，并且從 DS18B20讀出或寫(xiě)入信息只需要一根口線(xiàn)。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(xiàn)上獲得電源[4]，因此，DS18B20可使系統結構更簡(jiǎn)單、更緊湊。

　　2.2 信號處理模塊的設計

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

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

　　無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片 nRF2401和藍牙一樣，都是工作在 2.4GHz自由頻段，能夠在全球無(wú)線(xiàn)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，而且比藍牙具有更高的傳輸速度。特別是它采用了 SoC方法設計，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)系統降低體積。理論上 nRF2401具有高達 1Mbps的束吞吐量，理想情況為 400kbps，在 ShockBurstTM收發(fā)模式下，使用片內的先入先出堆棧區，微處理器以低速與 nRF2401的緩沖區進(jìn)行數據交換，隨后 nRF2401以高速發(fā)射數據，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據發(fā)射速度。同時(shí)，發(fā)射功率、工作頻率等工作參數可通過(guò)軟件設置完成。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 測溫裝置封裝處理

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

　　3 體外數據接收裝置設計

　　體外數據接收裝置的作用是處理、儲存體內測溫裝置傳送出來(lái)的信息，并顯示每個(gè)被監測對象的體溫數據。通過(guò)程序設計，它可將各個(gè)被監測對象的體溫分別以表格或以圖形的形式在計算機屏幕上顯示。當體溫高于設定的門(mén)限值時(shí)，可以自動(dòng)報警。其系統結構如圖 3所示。

　　無(wú)線(xiàn)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(xiàn)技術(shù)將溫度信息傳送給計算機[7]。

　　3.2 通訊方式設置

　　為了區分不同的被監測對象，通過(guò)軟件為每個(gè)體內測溫裝置中的無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片 nRF2401設置一個(gè)地址，它只有收到芯片地址時(shí)才會(huì )發(fā)送數據。體內測溫裝置的無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片 nRF2401首先被設置為接收模式，體外測溫裝置的無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片 nRF2401被置為發(fā)射模式，并發(fā)出詢(xún)問(wèn)信號，該詢(xún)問(wèn)信號為地址碼。若體內測溫裝置 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)效體內測溫裝置繼續處于接收模式。這樣就實(shí)現了一臺電腦對多個(gè)對象同時(shí)監測的目的。其程序流程如圖 4和圖 5所示。

　　置體內測溫裝置 nRF2401接置體外數據接收裝置 nRF2401收模式發(fā)射模式

　　3.3 傳輸協(xié)議設計

　　為了實(shí)現無(wú)線(xiàn)數據通信，必須根據無(wú)線(xiàn)傳輸的一般要求和采用的無(wú)線(xiàn)傳輸收發(fā)模塊芯片的特殊要求來(lái)設計一套傳輸協(xié)議。由于異步傳輸效率低，一幀只能傳輸一個(gè)字節，所以采用同步幀格式。首先必須發(fā)送一個(gè)到兩個(gè)字節的 1和 0相間隔的位同步碼，用來(lái)識別一幀有效數據和無(wú)效數據。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(hù)要上傳的狀態(tài)信息以及數據信息。最后，就是為了保證無(wú)線(xiàn)傳輸的可靠性和高效性必須有檢錯糾錯碼。采用通訊中廣泛適用的 CRC循環(huán)糾錯碼，以實(shí)現糾錯的目的。

　　4 結論

　　在現有溫度監測系統的基礎上，本文對一種新型的植入式溫度監測系統進(jìn)行了研究和設計，對在具有高傳染風(fēng)險環(huán)境下的體溫監測，特別是在活體動(dòng)物實(shí)驗中有很大的實(shí)用性和研究?jì)r(jià)值，同時(shí)為多生理參數監測搭建了基礎平臺。在整個(gè)設計上，針對如何減少“膠囊”式溫度檢測裝置的體積，元器件間的干擾還需要進(jìn)一步要研究，并進(jìn)一步研究該系統用于人體體溫監測的可行性。