지속적인 모니터링을 위해 신뢰할 수 있는 배터리 구동식 임상용 무선 온도계 제작

작성자: Stephen Evanczuk

Digi-Key 북미 편집자 제공

환자의 체온을 모니터링하는 것은 의료 서비스 제공자와 환자 모두에게 필요하지만 불편한 일입니다. 무선 온도계를 이용해 비침입적인 방식으로 주기적으로 체온을 측정할 수 있는 기능은 임상 환경뿐만 아니라 가정에서도 제공자와 환자 모두에게 환영받는 기능일 수 있습니다. 하지만 개발자 입장에서는 적합한 솔루션이 높은 정확도와 장기간에 걸친 저전력 무선 작동 요구 사항을 충족하지 못해 만족스러운 사용자 경험을 보장하지 못하는 경우가 너무 많습니다.

이 기사에서는 임상용 온도계의 주요 요구 사항을 설명하고 개발자가 높은 정확도의 디지털 온도 센서와 Texas Instruments의 무선 마이크로 컨트롤러를 결합해 겉보기에는 반대에 가까운 요구 사항을 충족할 수 있는 방법을 소개합니다.

임상 온도계 요구 사항

의료 분야에서 체온은 심박, 혈압, 호흡률과 함께 주요 생명 징후 4가지 중 하나입니다. 감기나 독감 등의 감염 발병을 식별하는 용도와 함께 체온은 중요한 임상 지표입니다. 체온의 미세한 변화가 투여된 약물이나 수혈 등의 치료에 대한 부작용에 대한 최초의 조짐을 제공할 수 있습니다. 결과적으로 정확한 체온 측정은 지속적인 치료를 유지하고 부작용 발생 시 개입의 필요성을 알려주는 데 필수적인 요소로 간주됩니다.

미세한 체온 변화의 중요성은 매우 크므로 임상 체온 온도계는 ASTM E1112 및 ISO-80601-2-56 표준에 지정된 정확도 및 보정 요구 사항을 준수해야 합니다. ASTM International(전 American Society for Testing and Materials로 알려짐)에서 만든 ASTM E1112에서는 임상용 온도계가 지정된 온도 범위에 걸쳐 다음과 같은 최대 오차율을 보여야 한다고 규정하고 있습니다.

  • 일반적으로 경미 ~ 중등 정도의 열을 나타내는 37.0˚C ~ 39.0°C의 범위에서 최대 ±0.1°C의 온도 오차
  • 일부 개인에게는 저체온증을 나타내는 것일 수 있는 35.8˚C ~ 36.9°C의 범위에서 최대 ±0.2°C의 온도 오차
  • 심각한 열이나 고체온증을 포함한 심각한 의학적 상태를 나타내는 39.1˚C ~ 41.0°C의 범위에서 최대 ±0.2°C의 온도 오차
  • 35.8°C 미만 또는 41.0°C를 초과하는 범위에서 최대 ±0.3°C의 온도 오차

임상용 온도 모니터링은 굉장히 중요함에도 불구하고 과거에는 요구되는 정확도 수준을 제공하는 데 필요한 값비싼 침대 옆 모니터에 의존해 왔습니다. 지속적인 모니터링을 위해 의료 제공자는 케이블로 환자를 연결해야 했습니다. 이는 신생아실 같은 환경에서는 다루기 힘들거나 불가능할 수도 있습니다. 무선 체온 모니터링은 효과적인 대안책을 제공할 수 있지만 개발자는 폭넓은 요구 사항 목록을 충족할 수 있는 무선 설계 고안에 대한 강력한 압박을 받고 있습니다. 임상용 정확도 및 저전력 배터리 작동을 위한 기본 요구 사항 외에 그러한 무선 모니터는 수시간 또는 수일까지 이어지는 작동 기간 내내 다른 활동에 방해가 되지 않으면서 환자의 안락함을 보장하도록 설계되어야 하며 장기간에 걸쳐 신뢰할 수 있는 작동을 보장하는 배터리 수명을 제공해야 합니다. Texas Instruments TMP117MAIDRVT 온도 센서는 이러한 요구 사항을 충족할 수 있는 설계를 위한 핵심 부품 역할을 합니다.

임상용 온도 센서

이제부터 간단히 TMP 117로 칭할 TMP117MAIDRVT는 I2C 직렬 인터페이스, EEPROM 및 제어 논리를 갖춘 아날로그 온도 감지 서브 시스템과 지정된 범위를 벗어날 경우 온도 과도 출력을 알리기 위한 프로그래밍 가능한 경고 기능을 결합합니다. 온도 감지 서브 시스템 내에서 회로를 조정하는 센서는 온칩 16비트 아날로그 디지털 컨버터(ADC)에 BJT(양극 접합 트랜지스터) 실리콘 밴드갭 온도 센서의 출력을 제공합니다(그림 1).

Texas Instruments TMP117의 구성도

그림 1: Texas Instruments TMP117은 최소한의 전력 소비로 고도로 정확한 온도 측정을 제공하는 데 필요한 모든 아날로그 및 디지털 부품을 통합합니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

임상 응용 분야를 지원하도록 특별히 제작된 TMP117은 임상 용도를 위해 고안된 전자 온도계를 위한 ASTM E1112 및 ISO-80601-2-56 요구 사항을 완전하게 충족합니다. 이 장치는 37.0°C ~ 39.0°C 범위에서 최대 오차율 ±0.1°C의 요구 사항을 충족할 뿐만 아니라 보정 없이도 -20°C ~ 50°C 범위에서 해당 수준의 정확도를 제공합니다. 전체 권장 작동 범위 -55°C ~ 150°C에 걸쳐 정확한 성능을 제공하는 TMP117은 AA급 저항 온도 감지기(RTD)의 대안으로 기능할 수도 있습니다(그림 2).

Texas Instruments TMP117 디지털 온도 센서의 그래프

그림 2: 임상용 전자 온도계 표준을 준수하도록 설계된 Texas Instruments TMP117 디지털 온도 센서는 TMP117의 작동 온도 범위에 걸쳐 AA급 RTD의 수준을 능가하는 정확도를 제공합니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

TMP117은 2mm x 2mm 6핀 패키지로 제공되고 1.8V ~ 5.5V 사이의 공급 전압으로 작동하며 1Hz 전환율로 최저 3.5A 평균 전류 소비를 필요로 하거나 전원차단 모드에서 단 150nA만 소비합니다. 또한 개발자는 원샷 전환이라는 장치 기능을 사용해 초저전력 전원차단 모드에서 TMP117이 소비하는 시간을 극대화할 수 있습니다.

원샷 모드를 이용하면 장치가 활성 전환 단계 직후에 전원차단 모드에 진입할 수 있습니다. 이와 대조적으로 장치의 기본 연속 전환 모드는 장치가 프로그래밍 가능한 기간 동안 1.25μA의 대기 모드에서 활성 상태로 유지되도록 설정합니다. 원샷 모드의 각 온도 측정에는 총 135μA 정도를 소비하며 약 15.5ms가 소요되는 활성 전환 단계가 포함됩니다.

이 두 모드를 이용하면 개발자가 전환율을 위해 전력 소비를 절충할 수 있고 장치의 평균 모드를 이용하면 향상된 잡음 내성을 위해 전력 소비를 절충할 수 있습니다. 평균 모드에서 장치는 자동으로 8번의 연속 전환을 수행하며 평균 결과를 제공합니다. 이 모드를 사용하는 장치는 평균화하지 않은 ±3LSB에 비해 전환된 디지털 결과에서 ±1의 최하위 비트(LSB)의 반복성을 달성할 수 있습니다.

설계 과제

원샷 모드 및 평균화와 같은 통합 기능을 갖춘 TMP117은 단 6개의 핀(V+ 공급, 접지, 직렬 데이터, SC(직렬 클록), 직렬 버스 주소 선택, 경고 기능)이 있는 2mm x 2mm WSON(초박형 소형 아웃라인 리드리스) 패키지로 완전한 디지털 온도 측정 센서를 제공합니다. 그 결과, 하드웨어 인터페이스 설계에는 일반적인 I2C 직렬 장치에 필요한 것 이상의 노력이 필요하지 않습니다. 하지만 실제로 이 제품이나 모든 높은 정확도의 온도 센서의 설계 과제는 하드웨어 인터페이스 설계보다는 열 관리를 위해 최적화된 물리적 레이아웃을 고안하는 데 있습니다.

온보드 열 관리: 디지털 온도계의 흥미로운 문제

체온 센서의 경우, 설계가 환자에 대한 열 전도율을 극대화하면서 다른 열원으로부터 열 경로를 최소화해야 합니다. 다른 열원의 영향을 최소화하기 위해 개발자는 기본 기판에서 바깥쪽으로 확장되는 PC 기판의 내로우 암의 끝에 센서를 장착할 수 있습니다. 이러한 조치는 센서를 기본 설계의 열원에서 열적으로 효과적으로 분리합니다. 하지만 이상적인 분리를 이용해도 모든 전자 장치에는 자가 가열의 영향이 적용되며 이는 온도 센서의 정확도를 저해할 수 있습니다. TMP117의 저전력 소비는 이 경우의 자가 가열을 최소화하는 데 도움이 됩니다. 시간이 경과함에 따라 장치는 전원 공급 장치 전압에 비례하여 자가 가열하게 되지만 다른 점은 밀리도(mC) 단위라는 데 있습니다(그림 3). 개발자는 원샷 모드를 이용하여 활성 작동 시간을 줄여 자가 가열을 한 자리의 mC 수준으로 유지할 수 있습니다.

Texas Instruments TMP117 센서 자가 가열 영향의 그래프

그림 3: 다른 반도체 장치에서와 마찬가지로, Texas Instruments TMP117 디지털 온도 센서는 전압 공급 수준이 높을수록 증가되는 자가 가열 영향을 나타냅니다. 하지만 그러한 영향은 mC 수준으로 유지됩니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

더 까다로운 설계 과제는 장치와 환자 피부 사이의 열 경로를 최적화하는 데 있습니다. 기본 기판이나 조립품에 대한 열 전도율을 향상시키는 데 도움이 될 수 있도록 장치 패키지에는 접지에 연결되지 않은 대형 노출형 패드가 포함되어 있지만 그 대신 이 패키지는 패키지를 통한 BJST 실리콘 밴드갭 센서로의 열 전달을 향상시키도록 설계되었습니다. Texas Instruments는 장치의 열 패드 아래에 구리 단선 포어를 사용해 장치와 PC 기판 사이의 열 경로를 최적화할 것을 권합니다.

하지만 피부와의 최종 접촉을 위해, TI는 구리로 연결하기보다는 열 전도성 고분자 등의 생체 적합성 소재의 최종 코팅과 바이어스를 사용할 것을 권합니다. 구리는 부식을 유발하거나 피부와 다른 반응을 일으킬 수 있습니다. 최종 권장 조립품은 장치와 피부 사이에 필요한 열 전도율을 제공하면서 제조 비용을 낮추도록 설계된 단순한 2층 스택업입니다(그림 4).

열 언더필 또는 에어 갭이 있는 스택업을 사용하는 효과적인 열 설계의 구성도

그림 4: 신뢰할 수 있는 열전달과 피부 온도의 변화에 대한 신속한 반응을 보장하기 위해 효과적인 열 설계는 적합한 경우 열 언더필 또는 에어 갭이 있는 스택업을 사용하며 장치와 환자 피부 사이의 열 전도율을 향상하기 위해 한 쌍의 바이어스를 사용합니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

저전력 무선 디지털 온도계를 위한 참조 설계

Texas Instruments는 무선 임상용 온도계의 포괄적 참조 설계에서 적합한 열 관리 방법을 통한 TMP117 사용법을 시연합니다. 이 설계를 위해 Texas Instruments에서는 TMP117을 저전력 Texas Instruments CC2640R2F Bluetooth 지원 마이크로 컨트롤러와 결합했습니다. 호스트 프로세서 역할을 하는 Arm® Cortex®-M3 32비트 코어와 함께 CC2640R2F는 전용 무선 주파수(RF) 코어 서브 시스템을 자체 전용 Arm Cortex-M0 코어 및 RF 트랜시버와 통합합니다(그림 5).

Texas Instruments CC2640R2F 무선 마이크로 컨트롤러의 구성도

그림 5: Texas Instruments CC2640R2F 무선 마이크로 컨트롤러는 주 프로세서와 무선 주파수(RF) 코어를 결합해 Texas Instruments TMP117 등의 센서에 무선 연결을 위한 단일 칩 솔루션을 제공합니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

이 설계는 MCU의 자체 통합 기능을 활용해 Molex 0132990001 등의 박막 3V 배터리와 소수의 추가 수동 소자 부품만으로 완전한 배터리 구동 솔루션을 제공할 수 있습니다. 결과로 나타나는 설계는 임상 접착 테이프로 신체에 부착할 수 있으며, 용량이 상대적으로 제한적이긴 하지만 유연한 박막 배터리를 사용하여 수일 동안 지속적인 모니터링을 제공할 수 있습니다. 참조 설계는 열적으로 분리되는 2mm x 2mm TMP117 IC를 위해 앞에서 언급된 일종의 확장 암을 이용해 유연한 PC 기판을 사용한 완전한 솔루션을 제공합니다(그림 6).

Texas Instruments 무선 온도계 참조 설계의 구성도

그림 6: Texas Instruments 무선 온도계 참조 설계는 임상 접착 테이프로 환자의 피부에 부착해 지속적인 체온 측정을 할 수 있는 유연한 인쇄 회로 기판을 위한 하드웨어 회로도 및 레이아웃 설계 파일을 제공합니다. 크기 조정을 위해 TMP117의 크기인 2mm x 2mm를 메모해 두십시오. (이미지 출처: Texas Instruments)

또한 TI(Texas Instruments)는 피부 패치에서 모바일 장치로 온도 판독값을 전송하기 위한 Bluetooth 애드버타이징 프로토콜의 사용을 보여주는 관련 샘플 응용 프로그램도 제공합니다. 근처의 Bluetooth 장치에 짧은 메시지를 제공하도록 설계된 Bluetooth 애드버타이징 프로토콜을 이용하면 개발자는 수 바이트의 데이터를 표준 Bluetooth 애드버타이징 패킷에 추가할 수 있습니다.

TI-RTOS 작동 환경에서 구축된 샘플 소프트웨어에는 Bluetooth 애드버타이징 패킷 내에 TMP117 온도 판독값을 전송하기 위한 TI Bluetooth 저에너지(BLE) 스택 사용을 보여주는 tida_01624.c 모듈이 포함됩니다. 저에너지 스택으로 작업하는 것은 복잡할 수 있지만 TI 소프트웨어 아키텍처는 스택을 통해 데이터 흐름을 추출합니다. SimplePeripheral이라 불리는 특정 응용 장치의 경우, 이 응용 프로그램은 SimplePeripheral_taskFxn() 작업 함수에 포함된 메인 루프 내에서 실행됩니다. 응용 프로그램 초기화 후, 소프트웨어 프레임워크의 이벤트 관리 서비스는 TMP117 센서를 판독하고(sensorRead()), 결과 온도 측정값을 애드버타이징 패킷 페이로드에 로드하고 결과 패킷으로 Bluetooth 애드버타이징을 시작하는 코드 섹션에 제어 흐름을 제공합니다(목록 1).

복사 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); } } } } 

목록 1: Texas Instruments 무선 온도계 샘플 응용 프로그램은 TI Bluetooth 스택 프레임워크의 사용을 보여줍니다. 프레임워크는 이 경우 타이머의 만료 등, 이벤트 발생 시 센서를 판독하기 위해 개발자의 코드를 호출하는 메인 루프 내에 응용 프로그램을 빌드합니다. (코드 출처: Texas Instruments)

기본 초기화 및 구성 외에 TMP117과의 소프트웨어 상호 작용은 단순합니다. 예를 들어, 위에 설명된 주요 응용 루프에 사용되는 sensorRead() 함수는 단순히 측정 결과를 전송하는 데 필요한 I2C 트랜잭션을 수행합니다(목록 2).

복사 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. If it fails * then sleep for 1 second and try again. This is a must * to do before reading the device. */ while(!(I2C_transfer(i2c, &i2cTransaction))); return(temperature); } 

목록 2: Texas Instruments 무선 온도계 샘플 응용 프로그램에서 TMP 센서 판독 기능을 사용하려면 I2C 소프트웨어 서비스를 수 차례 호출하기만 하면 됩니다. (코드 출처: Texas Instruments)

Bluetooth 스택 및 TI-RTOS 사용 시연 이외에도, 샘플 소프트웨어는 온도 측정 판독값을 TI SimpleLink SDK Explorer 모바일 앱(iOSAndroid 버전으로 사용 가능)을 실행하는 모바일 장치에 전송할 수 있는 기성 응용 프로그램을 제공합니다. 사전 구축된 앱과 함께, TI는 각 모바일 플랫폼용 전체 소스 코드는 물론 CC2640R2 MCU용 TI SDK Explorer Bluetooth 플러그인을 포함한 SimpleLink SDK Explorer 앱 배포판을 제공합니다.

결론

사용자 친화적이고 효과적인 임상용 무선 온도계의 설계는 높은 측정 정확도와 긴 배터리 수명에 대한 필요로 인해 방해를 받아왔습니다. 저전력 소비 및 임상용 정확도를 갖춘 Texas Instruments TMP117 온도 센서는 효과적인 솔루션을 제공합니다. 포괄적 참조 설계에서 확인된 바와 같이 개발자는 Texas Instruments CC2640R2 Bluetooth 무선 마이크로 컨트롤러와 함께 TMP117을 이용하여 의료 응용 분야에 적합한, 완전한 무선 온도계 설계를 고안할 수 있습니다.

면책 조항: 이 웹 사이트에서 여러 작성자 및/또는 포럼 참가자가 명시한 의견, 생각 및 견해는 Digi-Key Electronics의 의견, 생각 및 견해 또는 Digi-Key Electronics의 공식 정책과 관련이 없습니다.

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Stephen Evanczuk

Stephen Evanczuk는 전자 산업에 관해 하드웨어, 소프트웨어, 시스템, 응용 제품(예: IoT)을 비롯한 광범위한 주제에 대해 20년 이상 집필한 경력을 갖고 있습니다. 그는 신경 과학의 뉴런 네트워크 박사 학위를 받았으며항공 우주 산업 분야의 광범위하게 분포된 보안 시스템 및 알고리즘 가속 메서드 관련 업무를 수행했습니다. 현재, 기술 및 엔지니어링에 대해 기사를 쓰지 않을 때에는 인식 및 추천 시스템에 대한 심층적 학습 응용 프로그램을 연구하고 있습니다.

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Digi-Key 북미 편집자