引言

在動物活體實(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)動物的接觸。而體溫是臨床醫(yī)護(hù)采集病史和資料過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。同樣，在活體動物實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)人員常常關(guān)注實(shí)驗(yàn)體的體溫隨著時間變化的情況。

在具有高傳染性的動物活體實(shí)驗(yàn)中，如果采用接觸式體溫測量方法，就給實(shí)驗(yàn)人員帶來極大的傳染風(fēng)險。如果采用非接觸式測量方法，指出雖然紅外熱像儀具有自動化程度高，減少交叉感染機(jī)會的優(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(zhǔn)確度上存在一定缺陷。同時，它也不適合對監(jiān)測對象實(shí)施實(shí)時監(jiān)測。因?yàn)楝F(xiàn)有的無線電子體溫測量裝置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，不適合用于動物體溫測量，同時會造成測量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。

針對上述問題，本文對一種把測溫裝置植入試驗(yàn)體的體內(nèi)，通過無線傳輸，進(jìn)行遠(yuǎn)程體溫監(jiān)測的系統(tǒng)進(jìn)行了論述和研究。該系統(tǒng)可以對實(shí)驗(yàn)體的體溫進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測和預(yù)警，是一個在高傳染環(huán)境下進(jìn)行體溫監(jiān)測的很好方案。

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)信號處理測溫模塊、體外信號處理模塊、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，然后由 nRF2401無線收發(fā)芯片將信號發(fā)出去。為了實(shí)現(xiàn)多對象、同時監(jiān)測的目的，在通訊上該系統(tǒng)采用了詢問應(yīng)答的通訊方式。

在實(shí)驗(yàn)體外數(shù)據(jù)接收裝置中，首先通過無線收發(fā)芯片 nRF2401接收溫度信息，接收到的數(shù)據(jù)通過中斷的方式交由微控器 C8051F320，最后通過 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、報(bào)警。

2 體內(nèi)測溫裝置的設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)與現(xiàn)有的無線電子測溫裝置不同，它是將封裝成“膠囊”形狀的測溫裝置植入實(shí)驗(yàn)體皮下，通過無線傳輸方式進(jìn)行體溫監(jiān)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

傳感器作為測溫裝置的關(guān)鍵組成部分，對整個系統(tǒng)測溫的準(zhǔn)確度起著重要作用。同時，也影響整個測溫裝置的體積。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溫度，根據(jù)實(shí)際要求，通過簡單的編程實(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)更簡單、更緊湊。

2.2 信號處理模塊的設(shè)計(jì)

信號處理模塊主要由微控器 C8051F320、無線收發(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)換成高速串行信號傳送給后端的無線收發(fā)芯片 nRF2401，將溫度信息發(fā)送出去。

微控器 C8051F320是由美國 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(nèi)集成由 2304Byte RAM和 16K Byte的 flash存儲器。實(shí)際上， C8051F320是一個完整的混合信號片上的系統(tǒng)（ SoC）。利用該芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)時可以不需要任何外部元件（包括電阻和晶振），因此使系統(tǒng)更加簡單、緊湊。

無線收發(fā)芯片 nRF2401和藍(lán)牙一樣，都是工作在 2.4GHz自由頻段，能夠在全球無線市場暢通無阻。nRF2401支持多點(diǎn)通信，最高傳輸速率超過 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，發(fā)射功率、工作頻率等工作參數(shù)可通過軟件設(shè)置完成。電壓范圍 1.9V～3.6V，－5Bm輸出功率時的典型峰值電流微 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(zhǔn)確度，在整個測溫裝置封裝上選擇熱傳導(dǎo)快的材料。同時，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(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、儲存體內(nèi)測溫裝置傳送出來的信息，并顯示每個被監(jiān)測對象的體溫?cái)?shù)據(jù)。通過程序設(shè)計(jì)，它可將各個被監(jiān)測對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，可以自動報(bào)警。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 3所示。

無線收發(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 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)測對象，通過軟件為每個體內(nèi)測溫裝置中的無線收發(fā)芯片 nRF2401設(shè)置一個地址，它只有收到芯片地址時才會發(fā)送數(shù)據(jù)。體內(nèi)測溫裝置的無線收發(fā)芯片 nRF2401首先被設(shè)置為接收模式，體外測溫裝置的無線收發(fā)芯片 nRF2401被置為發(fā)射模式，并發(fā)出詢問信號，該詢問信號為地址碼。若體內(nèi)測溫裝置 nRF2401收到正確的地址碼，則通過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，此時體外接收裝置 nRF2401已處于接收模式；若無效體內(nèi)測溫裝置繼續(xù)處于接收模式。這樣就實(shí)現(xiàn)了一臺電腦對多個對象同時監(jiān)測的目的。其程序流程如圖 4和圖 5所示。

置體內(nèi)測溫裝置 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)無線數(shù)據(jù)通信，必須根據(jù)無線傳輸?shù)囊话阋蠛筒捎玫臒o線傳輸收發(fā)模塊芯片的特殊要求來設(shè)計(jì)一套傳輸協(xié)議。由于異步傳輸效率低，一幀只能傳輸一個字節(jié)，所以采用同步幀格式。首先必須發(fā)送一個到兩個字節(jié)的 1和 0相間隔的位同步碼，用來識別一幀有效數(shù)據(jù)和無效數(shù)據(jù)。接下來就是一個同步幀碼，一般是一個下降沿開始，再下來就是用戶要上傳的狀態(tài)信息以及數(shù)據(jù)信息。最后，就是為了保證無線傳輸?shù)目煽啃院透咝员仨氂袡z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(xiàn)糾錯的目的。

5 結(jié)論

在現(xiàn)有溫度監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，本文對一種新型的植入式溫度監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)，對在具有高傳染風(fēng)險環(huán)境下的體溫監(jiān)測，特別是在活體動物實(shí)驗(yàn)中有很大的實(shí)用性和研究價值，同時為多生理參數(shù)監(jiān)測搭建了基礎(chǔ)平臺。在整個設(shè)計(jì)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(tǒng)用于人體體溫監(jiān)測的可行性。