可穿戴腕部體溫監(jiān)測裝置設(shè)計*

余春艷, 齊子銘, 蘇金池, 鄭曉燕

(福州大學 數(shù)學與計算機科學學院,福建 福州 350108)

可穿戴腕部體溫監(jiān)測裝置設(shè)計*

余春艷, 齊子銘, 蘇金池, 鄭曉燕

(福州大學 數(shù)學與計算機科學學院,福建 福州 350108)

為解決各式體溫計測溫時間長、精度不高及操作繁瑣等問題，提出并實現(xiàn)了一種基于腕部測溫的可穿戴體溫監(jiān)測裝置的設(shè)計方案。通過對人體體表溫度和深度溫度的分析，確定了腕部體表溫度與以腋下溫度為基準的體溫間的補償方案；對測溫裝置進行了設(shè)計實現(xiàn)并對數(shù)據(jù)的處理進行了優(yōu)化。實驗結(jié)果證明:設(shè)計的體溫監(jiān)測裝置穩(wěn)定性好，精度高，且支持高頻率、實時的體溫采集。

可穿戴； 腕部測溫； 溫度補償； 體溫實時監(jiān)測

0 引 言

常見的體溫計主要有汞式體溫計、插入式電子體溫計與非接觸式紅外體溫計[1]。近幾年來，插入式電子體溫計得到了越來越多的應用[2]，它利用電阻、電壓等物理參數(shù)與溫度間存在的對應關(guān)系，將溫度的變化轉(zhuǎn)換成物理量的變化，所采用的溫度傳感器不含汞，讀數(shù)直觀，測溫準確，靈敏度高[3]，但操作繁瑣，連續(xù)兩次測溫需間隔一定的時間。非接觸式紅外體溫計用紅外傳感器測量物體輻射出紅外線的波長進而計算出人體額頭等部位的溫度[3]。相比于接觸式體溫計，使用時無需接觸人體，且測量方法有著迅速、準確的優(yōu)勢，應用場合更加廣泛[4～8]，但也有諸多額外因素(如距離)會影響到測溫效果[9]，測溫穩(wěn)定性不佳。

人體溫度有深度溫度(胸腹腔、臟器等)和體表溫度之分。生理學上所說的體溫是指機體深度溫度的平均值[10]。人體深度溫度不易測量，臨床上常通過測量腋窩、口腔等的溫度來代表人體體溫。文獻[10]研究表明，人體處于安靜狀態(tài)時，體表溫度分布大致表現(xiàn)為額面部、腋窩、頸前和項部最高，其次為軀干部，到四肢逐漸下降，手掌手背最低。相比于深度溫度，體表溫度更易受外界環(huán)境因素的影響且更不穩(wěn)定。腕部溫度屬于體表溫度，具有易于觀察和測量的優(yōu)點，但在醫(yī)學上也有采信度不高的缺陷。

近年來，健康監(jiān)測類的可穿戴設(shè)備發(fā)展迅猛，可以監(jiān)測血氧、脈搏等生理參數(shù)[11]，監(jiān)測精度大幅提升，并可與移動設(shè)備通信，極大地滿足了用戶的交互需求[12]。因此，設(shè)計了一種可穿戴的、具有體溫監(jiān)測功能的裝置，通過檢測腕部體表溫度，有效實現(xiàn)腕部體表溫度與人體體溫間的補償，進而監(jiān)測體溫變化，在實現(xiàn)簡單體溫連續(xù)測量的同時，提高體溫數(shù)據(jù)的置信度，具有較強的意義和價值。

1 腕部測溫方案

如前所述，腕部溫度屬于體表溫度。相對于深度溫度而言，皮膚溫度不穩(wěn)定，一般在20～40 ℃間浮動[13]。文獻[14]研究表明影響皮膚溫度的因素主要有環(huán)境溫度、風速、相對濕度等。因此，以腕部體表溫度測量為基礎(chǔ)，設(shè)計一種可穿戴的體溫監(jiān)測裝置涉及以下幾個問題：首先，從檢測精度的角度著手，需重點考慮腕部體表溫度與以腋下溫度為基準的體溫間的補償方案；其次，從檢測的易用性角度考慮，需設(shè)計既適合穿戴又適合溫度補償?shù)臏y溫方式；最后，從持續(xù)檢測的計算效率及檢測可視化的角度切入，設(shè)計高效的體溫數(shù)據(jù)處理方案。

由文獻[14]實驗結(jié)果可知，環(huán)境溫度對皮膚溫度的影響最顯著，其余依次為服裝熱阻、風速等因素。而具體到腕部體表溫度時，由于一般情況下腕部裸露，可忽略服裝熱阻因素，又以室內(nèi)檢測情況居多，亦可忽略風速等因素。由此，以腕部體表溫度為基礎(chǔ)推導以腋下溫度為基準的機體體溫，簡化情況下，建立腕部體表溫度、環(huán)境溫度、體溫三者間的補償關(guān)系即可。

令x為環(huán)境溫度，y為腕部體表溫度，z為補償后的腋下體溫，計量單位均為℃，三者間的補償關(guān)系為

z=Ay2+By+Cx+Dxy+E

(1)

式中A，B，C，D，E為補償系數(shù)。

考慮到裝置的可穿戴性，用于非接觸紅外測溫的熱電堆傳感器體積過大，不滿足可穿戴需求，因此選用接觸式測溫方式。

2 硬件電路設(shè)計

依據(jù)上述方案，測溫裝置需同時檢測腕部體表溫度和環(huán)境溫度。因此需要兩個溫度傳感器。持續(xù)檢測情況下，引入藍牙模塊，把數(shù)據(jù)通過藍牙傳輸?shù)绞謾C端再進行補償計算，從而降低測溫裝置的計算負荷，保證測溫的實時性。由此，腕部體溫監(jiān)測裝置整體框圖如圖1所示。

圖1 腕部體溫監(jiān)測裝置整體框圖

2.1 硬件器件選型

測溫裝置以腕部體表溫度為基礎(chǔ)推導以腋下溫度為基準的機體體溫，因此要選用高精度的溫度傳感器。

LMT70是高精度、低功耗的溫度傳感器，適用于醫(yī)療溫度計、人體溫度監(jiān)視器等設(shè)備，在20～42 ℃范圍內(nèi)測溫精度為0.05 ℃，符合對腕部體表溫度檢測的精度需求。

LMT70是模擬溫度傳感器，它將采集到的溫度信號轉(zhuǎn)換成模擬電信號，模擬電信號要轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號再發(fā)送到微控制器，為保證轉(zhuǎn)換精度，需外接一個16位的模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片(型號為ADS1115)。

環(huán)境溫度比體表溫度穩(wěn)定，短時間內(nèi)較少出現(xiàn)劇烈跳變，因此需選用性能穩(wěn)定的傳感器。SHT20外表采用包覆成型，可有效減少外界因素對測溫的影響，符合環(huán)境溫度檢測要求。

測溫裝置和手機間存在一定的傳輸距離，因此要選用連接距離長且功耗低的藍牙芯片。CC2540支持超長有效連接距離的藍牙4.0技術(shù)，且功耗低，符合測溫裝置對傳輸距離的需求。

溫度數(shù)據(jù)由微控制器通過藍牙傳到手機端，為保證裝置的續(xù)航時間，要選用性能高且功耗低的微控制器。ATMega328P可靠性高、功耗低符合測溫裝置對功耗及數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?/p>

2.2 溫度傳感器模塊設(shè)計

LMT70采集腕部體表溫度后輸出模擬電信號，該信號經(jīng)過ADS1115模/數(shù)轉(zhuǎn)換后，通過I2C總線將數(shù)字信號交由Atmega328P處理。

SHT20采集環(huán)境溫度后輸出數(shù)字信號，可直接通過I2C總線輸出到微控制器。模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片和SHT20在總線上的地址不同，因此，微控制器可實時接收到腕部體表溫度數(shù)據(jù)和同一時刻的環(huán)境溫度數(shù)據(jù)。模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的電路設(shè)計如圖2(a)所示。

2.3 藍牙模塊設(shè)計

溫度采集后，需進行溫度補償計算，擬合得到更接近于體溫的腋下溫度。為避免數(shù)據(jù)實時計算消耗過多的資源而影響體溫數(shù)據(jù)的實時采集，引入藍牙模塊，通過藍牙把兩種數(shù)據(jù)發(fā)送到手機端進行補償計算，既能提高計算效率，又能降低微控制器能耗，還能保證數(shù)據(jù)采集的實時性。藍牙模塊的電路設(shè)計如圖2(b)所示。

圖2 電路設(shè)計圖

3 軟件設(shè)計

3.1 微控制器配置設(shè)計

藍牙芯片通過串口與微控制器通信，方案選用的硬件串口在實施中用于微控制器程序燒錄。為實現(xiàn)藍牙串口通信，需配置兩個普通的I/O口為軟件模擬串口。此外為保證時刻t測得的腕部體表溫度和同時刻測得的環(huán)境溫度嚴格匹配。采用數(shù)組存儲相匹配的兩個數(shù)據(jù)，再通過藍牙把匹配的數(shù)據(jù)發(fā)送到手機端。微控制器的配置流程圖如圖3所示。

圖3 微控制器的配置設(shè)計流程圖

3.2 溫度數(shù)據(jù)補償計算

1)體溫補償系數(shù)的確定

為確定式(1)中各項系數(shù)，需進行數(shù)據(jù)采集。腕部體表溫度受環(huán)境溫度影響最大，需采集在不同環(huán)境溫度下腕部體表溫度和腋下體溫數(shù)據(jù)。

為減少額外因素對測溫效果的影響，測溫環(huán)境選為常溫、無風的室內(nèi)，被測者在測溫前靜坐10～15 min。選取男女被測者各10名，在早、中、晚3個時間點(環(huán)境溫度變化的范圍大致為25～32 ℃)分別對其進行腕部體表溫度和腋下體溫的采集，腕部體表溫度用LMT70檢測，腋下體溫用醫(yī)用電子體溫計檢測。先濾除明顯的噪聲數(shù)據(jù)點，再基于最小二乘法對數(shù)據(jù)擬合，確定各項系數(shù)，最后得到溫度補償

z=0.033 6y2-0.546 0y+1.708 2x-0.051 4xy+

17.626 0

(2)

式中x為環(huán)境溫度，y為腕部體表溫度，℃。

2)體溫補償優(yōu)化

溫度傳感器檢測到的數(shù)據(jù)存在微小偏差，若直接使用每一次傳感器采集到的數(shù)據(jù)，則會把誤差帶入到后續(xù)的溫度補償計算中。為提高溫度檢測精度，對數(shù)據(jù)進行如下處理：每接收到100組數(shù)據(jù)，對它們分別進行升序排序，舍去前后各25組數(shù)據(jù)，再對剩余數(shù)據(jù)取均值。隨后的溫度補償計算中，溫度數(shù)據(jù)均采用前述均值。上述方法可在一定程度上減少因數(shù)據(jù)抖動引入的誤差。

溫度數(shù)據(jù)處理的流程如圖4所示。

圖4 溫度數(shù)據(jù)處理流程圖

4 實驗方案與結(jié)果

實現(xiàn)的腕部測溫裝置如圖5所示。裝置的尺寸為3 cm×2 cm，質(zhì)量為10 g，實現(xiàn)了測溫裝置的可穿戴性。進一步地，可將裝置封裝為手環(huán)，為保證腕部皮膚熱量充分傳遞，可將LMT70封裝在導熱性好的空心金屬帽中，置于手環(huán)內(nèi)側(cè)，佩戴時緊貼腕部皮膚；將SHT20置于手環(huán)外側(cè)，佩戴時暴露在空氣中。初步佩戴測溫及APP運行界面如圖6所示。

圖5 腕部測溫的可穿戴體溫監(jiān)測裝置

圖6 佩戴測溫與APP運行界面

為測試裝置的測溫精度，本文隨后對該裝置和醫(yī)用電子體溫計實施了測溫結(jié)果的對照實驗。

實驗中，選取3組被測對象，每組男女各3名，測試前無劇烈運動，在室內(nèi)無風的環(huán)境下分別體溫檢測。選用的醫(yī)用電子體溫計為OMRON MC—341，測量腋下體溫，精確到0.1 ℃。使用本裝置測溫時，將本裝置佩戴在被測者腕部，使LTM70緊貼腕部皮膚，檢測腕部體表溫度；使SHT20充分暴露在空氣中，檢測的環(huán)境溫度，并通過藍牙相連手機，在手機上讀取被測者的體溫。

對實驗得到的3組數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，以O(shè)MRON MC—341的結(jié)果為基準，本裝置誤差的平均值為0.07 ℃，在合理范圍內(nèi)。實驗結(jié)果表明，本裝置比OMRON MC—341的測溫精度更高，為0.05 ℃；而且可以在手機終端實時讀取體溫數(shù)據(jù)。其中一組被測對象的測試數(shù)據(jù)如表1所示。

5 結(jié) 論

體溫是判斷人體是否健康的重要指標之一，本文通過對人體體表和深度溫度的分析，確定了腕部體表溫度與以腋下溫度為基準的體溫間的補償方案；并從可穿戴的角度出發(fā)，設(shè)計了一種基于腕部測溫的可穿戴體溫監(jiān)測裝置，實現(xiàn)了腕部測體溫。實驗結(jié)果表明：在室內(nèi)無風的環(huán)境中，本裝置的精度比醫(yī)用電子體溫計的精度更高，且平均測溫誤差僅為0.07 ℃。此外，本裝置通過藍牙與手機相連，在實現(xiàn)檢測體溫的同時，還對檢測到的體溫數(shù)據(jù)進行記錄，支持高頻率的、實時的體溫采集。

表1 6名被測者的測試結(jié)果對比 ℃

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Design of wearable wrist-worn body temperature monitoring device*

YU Chun-yan, QI Zi-ming, SU Jin-chi, ZHENG Xiao-yan

(College of Mathematics and Computer Science,Fuzhou University,Fuzhou 350108,China)

In order to solve the problem of long-time,low-precision and complex-operation which exist in thermometer that widely used in current time,a wearable body temperature monitoring device based on the wrist temperature is proposed and realized.Through analysis on surface temperature and deep temperature of human body,the compensation scheme between wrist surface temperature and body temperature which take axillary temperature as the benchmark is determined.On the basis of the compensation scheme and the temperature measurement scheme,the wrist-worn body temperature monitoring device is implemented.And then,the processing of the temperature data is optimized.Experimental result shows that the proposed body temperature monitoring device has excellent stability,has high precision,and support high-frequency,real-time temperature collection.

wearable; wrist temperature measurement; temperature compensation; real-time body temperature monitoring

10.13873/J.1000—9787(2017)04—0121—03

2017—01—08

福建省產(chǎn)學合作重大項目(2016H6010)；福建省自然科學基金資助項目(2015J01420)；福建省引導性基金資助項目(2016Y0060)；福建省衛(wèi)生教育聯(lián)合攻關(guān)計劃資助項目(WKJ2016—2—26)

TP 274

A

1000—9787(2017)04—0121—03

余春艷(1976-)，女，博士，副教授，主要從事虛擬環(huán)境與仿真技術(shù)、智能算法研究工作。