Integrare rapidamente il rilevamento della temperatura di grado clinico in progetti medicali portatili e indossabili

Sulla scia della preoccupazione globale per COVID-19, i progettisti di dispositivi portatili e indossabili per il rilevamento della temperatura sono sotto pressione per ridurre le dimensioni, i costi e il consumo energetico dei dispositivi, anche se devono migliorarne la precisione, la sensibilità e l'affidabilità. Per contribuire ad affrontare la sfida, i sensori stanno migliorando non solo nelle prestazioni, ma anche nella facilità d'uso complessiva per semplificare il processo di progettazione e di integrazione.

Questo articolo discuterà i tipi di base di sensori di temperatura prima di concentrarsi sui sensori digitali in CI e sulle caratteristiche principali che i progettisti devono tener presenti. Introdurrà esempi di sensori di temperatura digitali di ams e Maxim Integrated, così come un termometro a infrarossi di Melexis Technologies NV come esempio di rilevamento della temperatura senza contatto. Inoltre, mostrerà come questi dispositivi possono soddisfare le esigenze dei sistemi di prossima generazione e descriverà le relative schede di valutazione e i kit di sonde e come utilizzarli per muovere i primi passi.

Scelte per il sensore di temperatura

Tra i quattro tipi comuni di sensori di temperatura che i progettisti hanno per il rilevamento della temperatura - termocoppie, termoresistenze (RTD), termistori e sensori di temperatura in CI - i CI sono una buona opzione per i progetti medicali e sanitari basati sul contatto. Ciò è dovuto principalmente al fatto che non richiedono la linearizzazione, offrono una buona immunità al rumore e sono relativamente facili da integrare in dispositivi sanitari portatili e indossabili. Per il rilevamento senza contatto si possono utilizzare termometri a infrarossi.

I parametri chiave che i progettisti devono considerare, soprattutto per le applicazioni indossabili - sia che si tratti di un dispositivo da polso, integrato negli abiti o di un cerotto medico - comprendono le dimensioni, il consumo energetico e la sensibilità termica. La sensibilità è importante perché quando si progetta per una precisione di grado clinico, anche la potenza transitoria nell'ordine dei microwatt (µW) può riscaldare il sensore e causare letture imprecise. Un'altra considerazione include il tipo di interfaccia (digitale o analogica) in quanto questo determinerà i requisiti dei componenti associati, come il microcontroller.

Come ottenere un'accuratezza di grado clinico

Una precisione di grado clinico, secondo ASTM E112, inizia con la selezione del sensore appropriato. I sensori di temperatura digitali MAX30208 di Maxim Integrated, ad esempio, sono caratterizzati da una precisione di ±0,1 °C da +30 a +50 °C e di ±0,15 °C da 0 a +70 °C. I dispositivi misurano 2 x 2 x 0,75 mm e sono forniti in un contenitore LGA a profilo ribassato a 10 pin (Figura 1). I circuiti integrati funzionano con una tensione di alimentazione che va da 1,7 a 3,6 V e consumano meno di 67 µA in funzione e 0,5 µA in standby.

Figura 1: I sensori di temperatura digitali MAX30208 offrono una precisione di misurazione di grado clinico di ±0,1 °C per dispositivi alimentati a batteria come smartwatch e cerotti medici. (Immagine per gentile concessione di Maxim Integrated)

Come già detto, una sfida cruciale quando si progetta con precisione di grado clinico è quella di garantire che la temperatura del sensore non influisca sulla lettura dei valori di un dispositivo indossabile.

Il calore del CI del sensore, che viaggia dalla scheda CS attraverso i conduttori al die del sensore, può influenzare la precisione delle letture di temperatura. In un sensore di temperatura in CI, questo calore viene condotto attraverso una piazzola termica metallica situata sul lato inferiore del contenitore, con conseguente riscaldamento parassita. Questo, a sua volta, può causare la conduzione termica in entrata e in uscita da altri pin. Inevitabilmente, ciò interferisce con le misurazioni di temperatura.

Per contrastare il riscaldamento parassita, i progettisti possono utilizzare una serie di tecniche, a partire dall'uso di tracce sottili per ridurre al minimo la conducibilità termica lontano dal CI del sensore. Inoltre, anziché utilizzare la piazzola termica sul lato inferiore del contenitore, possono misurare la temperatura nella parte superiore, il più lontano possibile dai pin del CI. Nel caso dei sensori di temperatura digitali MAX30208CLB+ e di altri sensori di temperatura digitali MAX30208, la misurazione della temperatura avviene nella parte superiore del contenitore.

Un'altra tecnica di mitigazione consiste nel posizionare altri componenti elettronici - che possono contribuire calore al sistema di monitoraggio della temperatura - il più lontano possibile dall'elemento sensibile per minimizzare il loro impatto sui dati di misurazione della temperatura.

Considerazioni sulla progettazione termica da sistema a utente

Pur garantendo l'isolamento termico dalle fonti di calore, i progettisti devono anche garantire un buon percorso termico tra l'elemento sensibile alla temperatura e la cute dell'utente. La posizione sotto il contenitore rende difficoltoso per la scheda CS instradare le tracce di metallo dal punto di contatto con il corpo.

Quindi, in primo luogo, il sistema deve essere progettato in modo che il sensore sia il più vicino possibile alla temperatura target da misurare. In secondo luogo, come avviene nei sensori MAX30208, i progetti indossabili e i cerotti medici possono utilizzare schede CS flessibili o semirigide. I sensori di temperatura digitali MAX30208 possono essere collegati direttamente ad un microcontroller tramite un cavo flessibile piatto (FFC) o un cavo piatto per stampante (FPC).

Quando si utilizzano questi cavi, è essenziale posizionare il CI del sensore di temperatura sul lato flessibile della scheda CS, che riduce la resistenza termica tra la superficie cutanea e il sensore. Inoltre, i progettisti devono ridurre al minimo lo spessore della scheda flessibile; una scheda più sottile può flettere in modo più efficiente e offrire un contatto migliore.

I sensori di temperatura digitali sono tipicamente collegati ai microcontroller tramite un'interfaccia seriale I²C. È il caso di MAX30208CLB+ di Maxim, che utilizza anche il FIFO per i dati di temperatura, consentendo ad un microcontroller di andare in sospensione per lunghi periodi per risparmiare energia.

Figura 2: I sensori di temperatura digitali MAX30208 sono destinati ai termometri medicali e ai monitor della temperatura corporea indossabili. (Immagine per gentile concessione di Maxim Integrated)

Il sensore di temperatura digitale MAX30208CLB+ utilizza un FIFO a 32 parole per creare un registro di impostazione che offre fino a 32 letture di temperatura, ciascuna composta da due byte. Questi registri mappati in memoria consentono inoltre ai sensori di offrire allarmi digitali di temperatura ad alta e bassa soglia.

Ci sono anche due pin GPIO (I/O per uso generale): GPIO1 può essere configurato per attivare la conversione di temperatura, mentre GPIO0 può essere configurato per generare un interrupt per i bit di stato selezionabili.

Sensori di temperatura calibrati in fabbrica

Molti sensori di temperatura digitali sono ora calibrati in fabbrica, eliminando la necessità di dover essere calibrati sul campo o ricalibrati una volta all'anno, come avviene per molti modelli tradizionali. Inoltre, la calibrazione in fabbrica evita di dover sviluppare un software per linearizzare l'uscita, oltre a simulare e mettere a punto il circuito. Inoltre, elimina la necessità di una moltitudine di componenti di precisione e riduce al minimo il rischio di disadattamento di impedenza.

Ad esempio, la famiglia di sensori di temperatura AS621x di ams è calibrata in fabbrica e viene fornita con linearizzazione integrata (Figura 3). Ha anche otto indirizzi I²C per consentire ai progettisti di monitorare la temperatura in otto diversi punti caldi potenziali utilizzando un unico bus.

Figura 3: I sensori AS621x forniscono un sistema di temperatura digitale completo con calibrazione in fabbrica. (Immagine per gentile concessione di ams)

L'interfaccia seriale con otto indirizzi I²C facilita anche la prototipazione e la verifica del progetto agli sviluppatori di sistemi di monitoraggio sanitario.

Per aiutare ad adattare i sensori a specifiche esigenze applicative, i sensori AS621x sono disponibili con tre livelli di precisione: ±0,2 °C, ±0,4 °C e ±0,8 °C. Per i sistemi di monitoraggio sanitario, è sufficiente una precisione entro ±0,2 °C, il che rende AS6212-AWLT-L una scelta ideale. Tutti i dispositivi AS621x hanno una risoluzione a 16 bit per rilevare piccole variazioni di temperatura nell'intero intervallo della temperatura di funzionamento da -40 a +125 °C.

AS621x misura 1,5 mm² e viene fornito in un contenitore WLCSP per facilitare l'integrazione in un dispositivo sanitario. Funziona con una tensione di alimentazione di 1,71 V e consuma 6 µA in funzione e 0,1 µA in standby. L'ingombro ridotto e il basso consumo energetico rendono i sensori di temperatura come AS6212-AWLT-L particolarmente adatti per applicazioni di dispositivi mobili e indossabili alimentati a batteria.

Sensori di temperatura senza contatto

A differenza dei sensori di temperatura in CI che richiedono un certo contatto fisico, i termometri a infrarossi eseguono le misurazioni di temperatura senza contatto. Questi sensori senza contatto misurano due parametri: la temperatura ambiente e la temperatura di un oggetto.

Questi termometri rilevano qualsiasi energia superiore a 0 Kelvin (zero assoluto) emessa da un oggetto posto di fronte al dispositivo. Il rilevatore converte quindi l'energia in un segnale elettrico e lo trasferisce a un processore per interpretare e visualizzare i dati dopo aver compensato le variazioni causate dalla temperatura ambiente.

Ad esempio, il termometro a infrarossi MLX90614ESF-BCH-000-TU di Melexis comprende un chip rilevatore a termopila a infrarossi e un chip di condizionamento del segnale integrato in un contenitore TO-39 (Figura 4). Un amplificatore a basso rumore, un convertitore analogico/digitale (ADC) a 17 bit e un processore di segnali digitali (DSP) integrato nella famiglia MLX90614 garantiscono un'elevata precisione e risoluzione.

Figura 4: Il termometro a infrarossi MLX90614 ha una precisione standard di 0,5 °C a temperatura ambiente. (Immagine per gentile concessione di Melexis)

I termometri a infrarossi MLX90614 sono calibrati in fabbrica per un intervallo di temperatura da -40 a 85 °C per la temperatura ambiente e da -70 a 382,2 °C per la temperatura dell'oggetto. Hanno una precisione standard di 0,5 °C a temperatura ambiente.

Questi sensori di temperatura senza contatto forniscono due modalità di uscita: modulazione della larghezza di impulso (PWM) e SMBus tramite un'interfaccia bifilare (TWI) o un collegamento I²C. Il sensore viene fornito calibrato in fabbrica con un'uscita digitale SMBus e può servire l'intero intervallo di temperatura con una risoluzione di 0,02 °C. D'altro canto, i progettisti possono configurare l'uscita digitale PWM a 10 bit con una risoluzione di 0,14 °C.

Sviluppo con sensori di temperatura

La linea di sensori MAX30208 è supportata dal sistema di valutazione MAX30208EVSYS# di Maxim Integrated, che include una scheda CS flessibile per contenere il sensore di temperatura in CI MAX30208 (Figura 5). Il sistema di valutazione è composto da due schede: la scheda microcontroller MAX32630FTHR e la scheda di interfaccia MAX30208, collegate tramite basette. I progettisti devono solo collegare l'hardware di valutazione a un PC utilizzando il cavo USB in dotazione. Il sistema installerà poi automaticamente i driver di dispositivo necessari. Una volta installati, si dovrà scaricare il relativo software.

Figura 5: I progettisti possono collegare l'hardware di valutazione a un PC con il cavo USB in dotazione. I driver di dispositivo necessari vengono installati automaticamente. (Immagine per gentile concessione di Maxim Integrated)

Vale anche la pena menzionare che un dispositivo mobile o indossabile può misurare la temperatura corporea in più punti. Ad esempio, in un indumento sportivo, più CI di temperatura MAX30208 possono essere collegati tramite indirizzi I²C in una disposizione a margherita a una singola batteria e un microcontroller host. Qui, ogni sensore di temperatura viene sondato regolarmente dal microcontroller per creare un profilo sia della temperatura locale sia di quella del corpo intero.

Per il sensore a infrarossi MLX90614, gli sviluppatori di dispositivi medici possono iniziare con la click board MIKROE-1362 IrThermo di MikroElektronika. Questa collega il modulo termometro a infrarossi a zona singola MLX90614ESF-AAAA alla scheda del microcontroller tramite la linea mikroBUS I²C o PWM (Figura 6).

Figura 6: La click board MIKROE-1362 IrThermo può essere utilizzata per iniziare lo sviluppo con il sensore MLX9016 di Maxim Integrated. (Immagine per gentile concessione di MikroElektronika)

La scheda a 5 V di MikroElektronika è calibrata per un intervallo di temperatura da -40 a +85 °C per la temperatura ambiente e da -70 a +380 °C per la temperatura dell'oggetto.

Conclusione

I progettisti sono sotto pressione per rendere il rilevamento della temperatura a livello clinico più disponibile al mercato di massa, nonostante sfide come la potenza, le dimensioni, il costo, l'affidabilità e la precisione. I sensori con e senza contatto, supportati da kit di valutazione, sono ora disponibili per aiutarli a soddisfare questa richiesta, in modo rapido ed efficiente. Come mostrato, questi sensori non solo hanno le caratteristiche prestazionali richieste per la misurazione clinica della temperatura, ma anche la calibrazione di fabbrica e le interfacce digitali necessarie per semplifcarne l'integrazione nei progetti di prossima generazione.