一种植入式无线体温监测系统的研究
引言
在动物活体实验的特殊环境中 ， 实验人员属于高危易感染人群 。因此 ， 要尽量减少这些人员与实验动物的接触 。而体温是临床医护采集病史和资料过程中最重要的客观指标之一 ， 其准确性直接影响到疾病的诊断和治疗[1] 。同样 ， 在活体动物实验中实验人员常常关注实验体的体温随着时间变化的情况 。
在具有高传染性的动物活体实验中 ， 如果采用接触式体温测量方法 ， 就给实验人员带来极大的传染风险 。如果采用非接触式测量方法 ， 文献[2]指出虽然红外热像仪具有自动化程度高 ， 减少交叉感染机会的优点 ， 但所测量温度平均比口腔温度低2.16°C±1.40°C ， 在准确度上存在一定缺陷 。同时 ， 它也不适合对监测对象实施实时监测 。因为现有的无线电子体温测量装置[3]采用体表接触的体温测量方式以及装置体积等因素的限制 ， 不适合用于动物体温测量 ， 同时会造成测量数据不准确 。
针对上述问题 ， 本文对一种把测温装置植入试验体的体内 ， 通过无线传输 ， 进行远程体温监测的系统进行了论述和研究 。该系统可以对实验体的体温进行远程监测和预警 ， 是一个在高传染环境下进行体温监测的很好方案 。
1 系统的组成与工作原理
1.1 系统组成本系统由四部分组成：温度传感器、体内信号处理测温模块、体外信号处理模块、计算机 。其结构框图如图 1所示 。
1.2 系统工作原理
在实验体内温度测量装置中 ， 温度传感器 DS18B20将采集到的温度信息 ， 传送到微处理器C8051F320 ， 将其转换成高速串行信号 ， 然后由nRF2401无线收发芯片将信号发出去 。为了实现多对象、同时监测的目的 ， 在通讯上该系统采用了询问应答的通讯方式 。
在实验体外数据接收装置中 ， 首先通过无线收发芯片 nRF2401接收温度信息 ， 接收到的数据通过中断的方式交由微控器 C8051F320 ， 最后通过USB总线传送给计算机 ， 由计算机进行数据显示、分析、存储、报警 。
2 体内测温装置的设计
该系统与现有的无线电子测温装置不同 ， 它是将封装成“胶囊”形状的测温装置植入实验体皮下 ， 通过无线传输方式进行体温监测 。因此 ， 该部分的体积要尽量小 ， 要合理安排传感器、芯片、电源、天线的位置 ， 尽量使系统结构紧凑 。其系统组成如图2所示 。
2.1 温度传感器的选择
传感器作为测温装置的关键组成部分 ， 对整个系统测温的准确度起着重要作用 。同时 ， 也影响整个测温装置的体积 。在本系统中采用 DALLAS公司生产的DS18B20数字温度传感器 。与热敏电阻相比 ， 它能够直接读出被测温度 ， 根据实际要求 ， 通过简单的编程实现 9～12位的数字值读数方式 ， 即具有可调的温度分辨率 ， 并且从 DS18B20读出或写入信息只需要一根口线 。它体积小 ， 电压适用范围宽(3.0V～5.5V) ， 可以采用外部供电方式 ， 也可以采用寄生电源 ， 即从总线上获得电源[4] ， 因此 ， DS18B20可使系统结构更简单、更紧凑 。
2.2 信号处理模块的设计
信号处理模块主要由微控器 C8051F320、无线收发芯片 nRF2401及外围电路组成 。温度传感器 DS18B20进行数据采集 ， 然后数据进入微处理器C8051F320 ， 编码后由微处理器转换成高速串行信号传送给后端的无线收发芯片 nRF2401 ， 将温度信息发送出去 。
微控器 C8051F320是由美国 Cygnal公司推出的一款具有全速 USB功能的混合信号 flash微控器芯片 ， 该器件内集成由 2304ByteRAM和 16K Byte的 flash存储器 。实际上 ， C8051F320是一个完整的混合信号片上的系统(SoC) 。利用该芯片进行设计时可以不需要任何外部元件(包括电阻和晶振) ， 因此使系统更加简单、紧凑 。
无线收发芯片 nRF2401和蓝牙一样 ， 都是工作在 2.4GHz自由频段 ， 能够在全球无线市场畅通无阻 。nRF2401支持多点通信 ， 最高传输速率超过 1Mbit/S ， 而且比蓝牙具有更高的传输速度 。特别是它采用了 SoC方法设计 ， 芯片体积小只有5mm×5mm×1mm ， 只需少量外围元件便可组成射频收发电路 ， 有利于使得整个系统降低体积 。理论上 nRF2401具有高达 1Mbps的束吞吐量 ， 理想情况为400kbps ， 在 ShockBurstTM收发模式下 ， 使用片内的先入先出堆栈区 ， 微处理器以低速与 nRF2401的缓冲区进行数据交换 ， 随后nRF2401以高速发射数据 ， 这样可以降低能耗[5,6] 。因此 ， 使用低速的微控器也能得到很高的数据发射速度 。同时 ， 发射功率、工作频率等工作参数可通过软件设置完成 。电压范围1.9V～3.6V ， -5Bm输出功率时的典型峰值电流微 10.5mA ， 芯片能耗非常低 ， 可提高装置的使用寿命 。
2.3 测温装置封装处理
为了提高体温测量的准确度 ， 在整个测温装置封装上选择热传导快的材料 。同时 ， 为避免该装置植入实验体体内后与机体组织产生排斥反映 ， 要对封装表面进行“生物修饰”处理 ， 如用聚乙二醇等材料 。最终形成“胶囊“形状的测温装置 。
3 体外数据接收装置设计
体外数据接收装置的作用是处理、储存体内测温装置传送出来的信息 ， 并显示每个被监测对象的体温数据 。通过程序设计 ， 它可将各个被监测对象的体温分别以表格或以图形的形式在计算机屏幕上显示 。当体温高于设定的门限值时 ， 可以自动报警 。其系统结构如图3所示 。
无线收发芯片 nRF2401将接收到的温度信息 ， 传送给微控器 C8051F320 ， 由微控器 C8051F320将温度信息还原 ， 最后通过USB总线技术将温度信息传送给计算机[7] 。
3.2 通讯方式设置
为了区分不同的被监测对象 ， 通过软件为每个体内测温装置中的无线收发芯片nRF2401设置一个地址 ， 它只有收到芯片地址时才会发送数据 。体内测温装置的无线收发芯片 nRF2401首先被设置为接收模式 ， 体外测温装置的无线收发芯片nRF2401被置为发射模式 ， 并发出询问信号 ， 该询问信号为地址码 。若体内测温装置nRF2401收到正确的地址码 ， 则通过程序改变其工作模式 ， 变为发射模式 ， 然后将温度信息发射出去 ， 此时体外接收装置nRF2401已处于接收模式;若无效体内测温装置继续处于接收模式 。这样就实现了一台电脑对多个对象同时监测的目的 。其程序流程如图 4和图 5所示 。
置体内测温装置 nRF2401接置体外数据接收装置 nRF2401收模式发射模式
3.3 传输协议设计
【一种植入式无线体温监测系统的研究】为了实现无线数据通信 ， 必须根据无线传输的一般要求和采用的无线传输收发模块芯片的特殊要求来设计一套传输协议 。由于异步传输效率低 ， 一帧只能传输一个字节 ， 所以采用同步帧格式 。首先必须发送一个到两个字节的1和0相间隔的位同步码 ， 用来识别一帧有效数据和无效数据 。接下来就是一个同步帧码 ， 一般是一个下降沿开始 ， 再下来就是用户要上传的状态信息以及数据信息 。最后 ， 就是为了保证无线传输的可靠性和高效性必须有检错纠错码 。采用通讯中广泛适用的CRC循环纠错码 ， 以实现纠错的目的 。
5 结论
在现有温度监测系统的基础上 ， 本文对一种新型的植入式温度监测系统进行了研究和设计 ， 对在具有高传染风险环境下的体温监测 ， 特别是在活体动物实验中有很大的实用性和研究价值 ， 同时为多生理参数监测搭建了基础平台 。在整个设计上 ， 针对如何减少“胶囊”式温度检测装置的体积 ， 元器件间的干扰还需要进一步要研究 ， 并进一步研究该系统用于人体体温监测的可行性 。
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