Construya un termómetro clínico inalámbrico confiable a batería para lograr un monitoreo continuo

El monitoreo de la temperatura del paciente es una práctica necesaria pero disruptiva tanto para los profesionales de la salud como para los pacientes. La posibilidad de medir de manera periódica la temperatura corporal de forma no invasiva con termómetros inalámbricos puede ser una característica favorable para el profesional y el paciente, no solo en entornos clínicos sino también en el hogar. Sin embargo, en el caso de los desarrolladores, las soluciones adecuadas no satisfacen con frecuencia las necesidades de alta precisión y funcionamiento inalámbrico de baja potencia durante períodos prolongados para que el usuario tenga una experiencia satisfactoria.

Este artículo describe los requisitos clave de los termómetros clínicos y muestra cómo los desarrolladores pueden combinar un sensor de temperatura digital de alta precisión y un microcontrolador inalámbrico de Texas Instruments para reunir estos requisitos que aparentan ser diametralmente opuestos.

Requisitos del termómetro clínico

En la atención médica, la temperatura corporal es uno de los cuatro signos vitales primarios junto con la frecuencia cardíaca, la presión arterial y la frecuencia respiratoria. Además de su uso para identificar la aparición de infecciones como resfriados o gripe, la temperatura corporal es un indicador clínico importante. Algunos cambios menores en la temperatura corporal pueden constituir la primera indicación de una reacción adversa a algún tratamiento, como los medicamentos recetados o las transfusiones sanguíneas. En consecuencia, la medición precisa de la temperatura se considera esencial para mantener la atención continua y para indicar la necesidad de intervención cuando surgen complicaciones.

Los cambios de temperatura, por más mínimos que sean, son tan importantes que los termómetros clínicos deben cumplir con los requisitos de precisión y calibración especificados en las normas ISO-80601-2-56 y ASTM E1112. Creada por ASTM Internacional, anteriormente conocida como Sociedad Americana para Pruebas y Materiales, la norma ASTM E1112 exige que, para usarlo en entornos clínicos, un termómetro debe tener tasas de error máximas en un rango de temperaturas especificadas de la siguiente manera:

• Error máximo de ±0.1 ˚C para temperaturas de 37.0 ˚C a 39.0 ˚C, lo que generalmente indica fiebre leve a moderada
• Error máximo de ±0.2 ˚C para temperaturas de 35.8 ˚C a 36.9°˚C, lo que puede indicar hipotermia en algunas personas
• Error máximo de ±0.2 ˚C para temperaturas de 39.1 ˚C a 41.0 ˚C, lo que indica afecciones médicas más graves, como fiebre elevada o hipertermia
• Error máximo de ±0.3 ˚C para temperaturas inferiores a 35.8 ˚C o superiores a 41.0 ˚C

A pesar de su gran importancia, el monitoreo de temperatura clínico dependía de costosos monitores de cabecera que fueron necesarios en el pasado con el fin de brindar los niveles de precisión requeridos. Para lograr un monitoreo continuo, los proveedores debían conectar a sus pacientes con cables, lo que, en el mejor de los casos, resultaba incómodo o incluso imposible en entornos como las unidades neonatales. El monitoreo de temperatura inalámbrico puede proporcionar una alternativa efectiva, pero se ha presionado a los desarrolladores a crear diseños inalámbricos que puedan cumplir con una amplia lista de requisitos. Además de los requisitos fundamentales para la precisión clínica y el funcionamiento de la batería de baja potencia, dicho monitor inalámbrico debe diseñarse para garantizar la comodidad del paciente, por lo que debe pasar desapercibido durante las horas o incluso días de su utilización y la duración de la batería debe asegurar un funcionamiento confiable durante períodos prolongados. El sensor de temperatura TMP117MAIDRVT de Texas Instruments funciona como componente clave para los diseños capaces de cumplir con estos requisitos.

Sensor de temperatura clínico

El TMP117MAIDRVT, de aquí en adelante denominado TMP117, combina un subsistema de medición de temperatura analógico con una interfaz serial I²C, una Memoria Programable y Borrable de Solo Lectura (EEPROM) y lógica de control, con una función de alerta programable para señalar las variaciones de temperatura que se encuentran fuera de un rango específico. Dentro del subsistema de medición de temperatura, un circuito de acondicionamiento de sensores proporciona la salida de un sensor de temperatura con transistor de unión bipolar (BJT) de banda prohibida de silicio al convertidor de analógico a digital (ADC) en el chip de 16-bit (figura 1).

Figura 1: El TMP117 de Texas Instruments integra todos los componentes analógicos y digitales necesarios para proporcionar mediciones de temperatura de alta precisión con un consumo de energía mínimo. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Diseñado específicamente para aplicaciones clínicas, el TMP117 cumple con los requisitos de las normas ISO-80601-2-56 y ASTM E1112 que se aplican a termómetros electrónicos de uso clínico. El dispositivo no solo cumple con los requisitos para lograr un error máximo de ±0.1 ˚C en el rango de 37.0 ˚C a 39.0 ˚C, sino que además proporciona ese nivel de precisión de -20 ˚C a 50 ˚C, sin que sea necesaria la calibración. Con una función precisa en todo el rango de funcionamiento recomendado de -55 ˚C a 150 ˚C, el TMP117 puede incluso funcionar como reemplazo de los detectores de temperatura de resistencia de clase AA (RTD) (figura 2).

Figura 2: Diseñado para cumplir con los estándares de los termómetros electrónicos clínicos, el sensor de temperatura digital TMP117 de Texas Instruments brinda una precisión que supera la de un RTD de clase AA en todo su rango de temperatura de funcionamiento. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

El TMP117 viene en un paquete 6-pin de 2 mm x 2 mm, funciona con voltajes de alimentación entre 1.8 y 5.5 voltios y requiere un consumo de corriente promedio de tan solo 3.5 microamperios (µA) con una tasa de conversión de 1 Hertz (Hz), o solo 150 nanoamperios (nA) en modo de apagado. Además, los desarrolladores pueden usar una característica del dispositivo, que se denomina conversión instantánea, para maximizar el tiempo en el que el TMP117 permanece en modo de apagado con consumo ultra bajo.

Después de la fase de conversión activa, el modo instantáneo permite que el dispositivo pase inmediatamente al modo de apagado. Por el contrario, el modo de conversión continua estándar del dispositivo permite que este permanezca activo en el modo de espera de 1.25 μA durante un período programable. En el modo instantáneo, cada medición de temperatura implica una fase de conversión activa que toma aproximadamente 15.5 milisegundos (ms) y consume alrededor de 135 μA en total.

Si bien estos dos modos permiten a los desarrolladores cambiar el consumo de energía por el índice de conversión, el modo de promedio del dispositivo les permite cambiar el consumo de energía con el fin de lograr un aumento en la inmunidad al ruido. En el modo de promedio, el dispositivo realiza ocho conversiones consecutivas de manera automática y emite el resultado promedio. Con este modo, el dispositivo puede lograr una repetibilidad de ±1 bit menos significativo (LSB) en el resultado digital convertido, en comparación con ±3 LSB sin promediar.

Desafíos del diseño

Con características integradas como el modo instantáneo y de promedio, el TMP117 proporciona un sensor de medición de temperatura digital completo en un paquete WSON (muy fino, con un borde mínimo y sin conductor) de 2 mm x 2 mm con solo seis clavijas: Alimentación V+, tierra, datos en serie, reloj serial, selección de dirección de bus serial y función de alerta. Como resultado, el diseño de la interfaz del hardware no demanda más esfuerzo que el que necesitan todos los dispositivos seriales comunes I²C. Sin embargo, en la práctica, el desafío de diseño con este o algún otro sensor de temperatura de alta precisión radica menos en el diseño de la interfaz del hardware que en el desarrollo de un diseño físico optimizado para proporcionar la administración térmica.

Administración térmica a bordo: un problema interesante para los termómetros digitales

El diseño de un sensor de temperatura corporal debe minimizar la conducción térmica de otras fuentes de calor y maximizar la conductividad térmica del paciente. Para minimizar el efecto de otras fuentes de calor, los desarrolladores pueden montar el sensor en el extremo de un brazo estrecho de la placa de Cl que se extiende lejos de la placa principal. Esto aísla térmicamente el sensor de las fuentes de calor de manera efectiva en el diseño principal. Sin embargo, incluso con un aislamiento ideal, todos los dispositivos electrónicos están sujetos a los efectos del autocalentamiento, lo que podría arruinar la precisión de un sensor de temperatura. En este caso, el bajo consumo de energía del TMP117 ayuda a minimizar los efectos del autocalentamiento. Con el tiempo, el dispositivo se autocalentará en proporción al voltaje de la fuente de alimentación, pero los cambios se producen en el miligrado C (mC) (figura 3). Mediante el modo instantáneo, los desarrolladores pueden reducir el tiempo de funcionamiento activo para mantener el autocalentamiento a niveles de mC de un solo dígito.

Figura 3: Al igual que con todos los dispositivos semiconductores, el sensor de temperatura digital TMP117 de Texas Instruments presenta efectos de autocalentamiento que aumentan con niveles más altos de suministro de voltaje. Sin embargo, esos efectos se mantienen en los niveles de miligrados centígrados. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Un desafío de diseño más difícil consiste en optimizar la conducción térmica entre el dispositivo y la piel del paciente. Con el fin de ayudar a mejorar la conductividad térmica de la placa o el ensamble subyacente, el paquete del dispositivo incluye una amplia placa térmica descubierta que no tiene conexión a tierra, sino que está diseñada exclusivamente para mejorar la transferencia térmica a través del paquete al sensor de banda prohibida de silicio BJST. Texas Instruments recomienda el uso de un vertido de cobre sólido debajo de la almohadilla térmica del dispositivo para optimizar la conducción térmica entre el dispositivo y la placa de Cl.

Sin embargo, para lograr el contacto final con la piel, TI recomienda el uso de arquitecturas de interfaz visual (VIA) y un recubrimiento final de un material biocompatible, como un polímero conductor de temperatura, en lugar de continuar con el cobre. El cobre puede ser la causa de corrosión u otras reacciones en la piel. El ensamble final recomendado es un apilamiento simple de dos capas destinado a reducir el costo de fabricación y al mismo tiempo proporcionar la conductividad térmica necesaria entre el dispositivo y la piel (figura 4).

Figura 4: Con el fin de garantizar una transferencia de calor confiable y una respuesta rápida a los cambios en la temperatura de la piel, un diseño térmico efectivo utiliza un apilamiento con un relleno térmico o entrehierro, si corresponde, y varias VIA para mejorar la conductividad térmica entre el dispositivo y la piel del paciente. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Diseño de referencia para el termómetro digital inalámbrico de baja potencia

Texas Instruments demuestra el uso del TMP117 con métodos adecuados de administración térmica en un diseño de referencia integral de un termómetro inalámbrico clínico. Para este diseño, Texas Instruments combina el TMP117 con el microcontrolador de baja potencia de Texas Instruments CC2640R2F con bluetooth. Junto con un núcleo 32-bit Arm^® Cortex^®-M3, el CC2640R2F integra un subsistema de núcleo de radiofrecuencia (RF) dedicado con su propio núcleo Arm Cortex-M0 núcleo y transceptor de RF (figura 5).

Figura 5: El microcontrolador inalámbrico CC2640R2F de Texas Instruments combina un procesador principal y un núcleo de radiofrecuencia (RF), lo que brinda una solución de chip único para lograr una conectividad inalámbrica con sensores como el TMP117 de Texas Instruments. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Al aprovechar las funciones integradas de la MCU, el diseño solo necesita una batería de 3 voltios de película delgada, como el Molex 0132990001 y algunos componentes pasivos adicionales para proporcionar una solución completa alimentada por batería. El diseño resultante puede sujetarse al cuerpo con cinta adhesiva clínica y brindar monitoreo continuo durante días, a pesar de la capacidad relativamente limitada disponible con baterías flexibles de película delgada. El diseño de referencia proporciona una solución completa mediante una placa de Cl flexible con el tipo de brazo de extensión mencionado anteriormente para aislar térmicamente el CI de TMP117 de 2 mm x 2 mm (figura 6).

Figura 6: El diseño de referencia del termómetro inalámbrico de Texas Instruments proporciona esquemas de hardware y archivos de diseño para una placa de circuito impreso flexible que podría sujetarse con cinta adhesiva clínica a la piel del paciente con el fin de realizar mediciones continuas de temperatura. Con respecto a la escala, tenga en cuenta que el TMP117 mide 2 mm x 2 mm. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

TI también proporciona una aplicación de muestra asociada que demuestra el uso del protocolo de publicidad bluetooth para transmitir lecturas de temperatura desde el parche cutáneo a un dispositivo móvil. Diseñado para proporcionar mensajes cortos a dispositivos bluetooth cercanos, el protocolo de publicidad bluetooth permite a los desarrolladores agregar algunos bytes de datos al paquete de publicidad estándar bluetooth.

Construido en el entorno de funcionamiento TI-RTOS, el software de muestra incluye un módulo, tida_01624.c, que demuestra el uso de la pila bluetooth de baja energía (BLE) de TI para transmitir lecturas de temperatura TMP117 dentro de los paquetes de publicidad bluetooth. Aunque trabajar con una pila BLE puede ser complejo, la arquitectura del software de TI extrae el flujo de datos a través de esta. En el caso de una aplicación del dispositivo en particular, que se llama SimplePeripheral, la aplicación se ejecuta dentro del bucle principal contenido en la función de tarea, SimplePeripheral_taskFxn (). Después de iniciar la aplicación, los servicios de administración de eventos del marco de software llevan el flujo de control a una sección del código que lee el sensor TMP117 (sensorRead ()), carga la medición de temperatura resultante en la carga útil del paquete de publicidad e inicia la publicidad bluetooth con el paquete que se obtiene (listado 1).

Copy static void SimplePeripheral_taskFxn(UArg a0, UArg a1) {   // Initialize application   SimplePeripheral_init();     // Application main loop   for (;;)   {     uint32_t events;       // Waits for an event to be posted associated with the calling thread.
// Note that an event associated with a thread is posted when a     // message is queued to the message receive queue of the thread     events = Event_pend(syncEvent, Event_Id_NONE, SBP_ALL_EVENTS,                         ICALL_TIMEOUT_FOREVER);       if (events)     {         .
.
.
if (events & SBP_PERIODIC_EVT)       {         uint16_t uiTempData;           Util_startClock(&periodicClock);                 // Read the last converted temperature and then start the next               // temperature conversion.
uiTempData = sensorRead();                 // Update the Auto Advertisement Data         advertData[9] = (uiTempData & 0xFF00) >> 8;         advertData[10] = uiTempData & 0xFF;         GAPRole_SetParameter(GAPROLE_ADVERT_DATA, sizeof(advertData), advertData);           // Perform periodic application task         SimplePeripheral_performPeriodicTask(uiTempData);       }     }   } } 

Listado 1: La aplicación de muestra del termómetro inalámbrico de Texas Instruments demuestra el uso del marco de pila bluetooth de TI. El marco construye la aplicación en un bucle principal que invoca el código del desarrollador para leer los sensores, en este caso cuando ocurren eventos, como la expiración de un temporizador. (Fuente del código: Texas Instruments)

Además de la iniciación y configuración básicas, las interacciones de software con el TMP117 son sencillas. Por ejemplo, la función sensorRead () que se utiliza en el bucle de aplicación principal descrito anteriormente realiza de manera simple las transacciones I²C necesarias para transferir los resultados de la medición (listado 2).

Copy static uint16_t sensorRead(void) {     uint16_t        temperature;     uint8_t         txBuffer[3];     uint8_t         rxBuffer[2];     I2C_Transaction i2cTransaction;       /* Point to the T ambient register and read its 2 bytes */     txBuffer[0] = TMP117_OBJ_TEMP;     i2cTransaction.slaveAddress = Board_TMP_ADDR;     i2cTransaction.writeBuf = txBuffer;     i2cTransaction.writeCount = 1;     i2cTransaction.readBuf = rxBuffer;     i2cTransaction.readCount = 2;       if (I2C_transfer(i2c, &i2cTransaction)) {         /* Extract degrees C from the received data; see TMP117 datasheet */         temperature = (rxBuffer[0] << 8) | (rxBuffer[1]);           /*          * If the MSB is set '1', then we have a 2's complement          * negative value which needs to be sign extended 7.8125 mC          */         if (temperature & 0x8000) {             temperature ^= 0xFFFF;             temperature  = temperature + 1;         }     }     else {         Display_printf(dispHandle, 0, 0, "I2C Bus fault");     }       /* Start the next conversion in one-shot mode */     txBuffer[0] = TMP117_OBJ_CONFIG;     txBuffer[1] = 0x0C;     txBuffer[2] = 0x20;     i2cTransaction.slaveAddress = Board_TMP_ADDR;     i2cTransaction.writeBuf = txBuffer;     i2cTransaction.writeCount = 3;     i2cTransaction.readBuf = rxBuffer;     i2cTransaction.readCount = 0;       /* Wait for the I2C access for configuration. Si se produce un error en      *, suspéndalo durante 1 segundo e inténtelo de nuevo. Esto se debe hacer      * antes de leer el dispositivo. */     while(!(I2C_transfer(i2c, &i2cTransaction)));       return(temperature); } 

Listado 2: En la aplicación de muestra del termómetro inalámbrico de Texas Instruments, la función para leer el sensor TMP117 solo necesita algunos avisos a los servicios de software de I²C. (Fuente del código: Texas Instruments)

Además del uso demostrado de la pila bluetooth y TI-RTOS, el software de muestra proporciona una aplicación preparada para transmitir lecturas de temperatura a un dispositivo móvil que ejecute la aplicación móvil TI SimpleLink SDK Explorer, disponible en versiones iOS y Android. Junto con las aplicaciones que se crearon antes, TI proporciona distribuciones de la aplicación SimpleLink SDK Explorer con código fuente completo para cada plataforma móvil, así como el plugin bluetooth SDK para la MCU CC2640R2.

Conclusión

El diseño de termómetros inalámbricos clínicos que sean eficaces y fáciles de usar se ha visto obstaculizado por la necesidad de lograr una alta precisión de medición y una larga duración de la batería. Con un bajo consumo de energía y una precisión de grado clínico, el sensor de temperatura TMP117 de Texas Instruments ofrece una solución efectiva. Como se demostró en un diseño de referencia completo, los desarrolladores pueden usar el TMP117 junto con el microcontrolador inalámbrico bluetooth CC2640R2 de Texas Instruments para diseñar un termómetro inalámbrico completo adecuado para su aplicación en entornos de atención de la salud.