可穿戴腕部體溫監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)*

余春艷, 齊子銘, 蘇金池, 鄭曉燕

(福州大學(xué) 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院,福建 福州 350108)

可穿戴腕部體溫監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)*

余春艷, 齊子銘, 蘇金池, 鄭曉燕

(福州大學(xué) 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院,福建 福州 350108)

為解決各式體溫計(jì)測(cè)溫時(shí)間長(zhǎng)、精度不高及操作繁瑣等問(wèn)題，提出并實(shí)現(xiàn)了一種基于腕部測(cè)溫的可穿戴體溫監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)方案。通過(guò)對(duì)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(zhǔn)的體溫間的補(bǔ)償方案；對(duì)測(cè)溫裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)并對(duì)數(shù)據(jù)的處理進(jìn)行了優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明:設(shè)計(jì)的體溫監(jiān)測(cè)裝置穩(wěn)定性好，精度高，且支持高頻率、實(shí)時(shí)的體溫采集。

可穿戴； 腕部測(cè)溫； 溫度補(bǔ)償； 體溫實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

0 引 言

常見(jiàn)的體溫計(jì)主要有汞式體溫計(jì)、插入式電子體溫計(jì)與非接觸式紅外體溫計(jì)[1]。近幾年來(lái)，插入式電子體溫計(jì)得到了越來(lái)越多的應(yīng)用[2]，它利用電阻、電壓等物理參數(shù)與溫度間存在的對(duì)應(yīng)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(cè)溫準(zhǔn)確，靈敏度高[3]，但操作繁瑣，連續(xù)兩次測(cè)溫需間隔一定的時(shí)間。非接觸式紅外體溫計(jì)用紅外傳感器測(cè)量物體輻射出紅外線的波長(zhǎng)進(jìn)而計(jì)算出人體額頭等部位的溫度[3]。相比于接觸式體溫計(jì)，使用時(shí)無(wú)需接觸人體，且測(cè)量方法有著迅速、準(zhǔn)確的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用場(chǎng)合更加廣泛[4～8]，但也有諸多額外因素(如距離)會(huì)影響到測(cè)溫效果[9]，測(cè)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(xué)上所說(shuō)的體溫是指機(jī)體深度溫度的平均值[10]。人體深度溫度不易測(cè)量，臨床上常通過(guò)測(cè)量腋窩、口腔等的溫度來(lái)代表人體體溫。文獻(xiàn)[10]研究表明，人體處于安靜狀態(tài)時(shí)，體表溫度分布大致表現(xiàn)為額面部、腋窩、頸前和項(xiàng)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(cè)量的優(yōu)點(diǎn)，但在醫(yī)學(xué)上也有采信度不高的缺陷。

近年來(lái)，健康監(jiān)測(cè)類的可穿戴設(shè)備發(fā)展迅猛，可以監(jiān)測(cè)血氧、脈搏等生理參數(shù)[11]，監(jiān)測(cè)精度大幅提升，并可與移動(dòng)設(shè)備通信，極大地滿足了用戶的交互需求[12]。因此，設(shè)計(jì)了一種可穿戴的、具有體溫監(jiān)測(cè)功能的裝置，通過(guò)檢測(cè)腕部體表溫度，有效實(shí)現(xiàn)腕部體表溫度與人體體溫間的補(bǔ)償，進(jìn)而監(jiān)測(cè)體溫變化，在實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單體溫連續(xù)測(cè)量的同時(shí)，提高體溫?cái)?shù)據(jù)的置信度，具有較強(qiáng)的意義和價(jià)值。

1 腕部測(cè)溫方案

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

由文獻(xiàn)[14]實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，環(huán)境溫度對(duì)皮膚溫度的影響最顯著，其余依次為服裝熱阻、風(fēng)速等因素。而具體到腕部體表溫度時(shí)，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(cè)情況居多，亦可忽略風(fēng)速等因素。由此，以腕部體表溫度為基礎(chǔ)推導(dǎo)以腋下溫度為基準(zhǔn)的機(jī)體體溫，簡(jiǎn)化情況下，建立腕部體表溫度、環(huán)境溫度、體溫三者間的補(bǔ)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(bǔ)償后的腋下體溫，計(jì)量單位均為℃，三者間的補(bǔ)償關(guān)系為

z=Ay2+By+Cx+Dxy+E

(1)

式中A，B，C，D，E為補(bǔ)償系數(shù)。

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

2 硬件電路設(shè)計(jì)

依據(jù)上述方案，測(cè)溫裝置需同時(shí)檢測(cè)腕部體表溫度和環(huán)境溫度。因此需要兩個(gè)溫度傳感器。持續(xù)檢測(cè)情況下，引入藍(lán)牙模塊，把數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙傳輸?shù)绞謾C(jī)端再進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算，從而降低測(cè)溫裝置的計(jì)算負(fù)荷，保證測(cè)溫的實(shí)時(shí)性。由此，腕部體溫監(jiān)測(cè)裝置整體框圖如圖1所示。

圖1 腕部體溫監(jiān)測(cè)裝置整體框圖

2.1 硬件器件選型

測(cè)溫裝置以腕部體表溫度為基礎(chǔ)推導(dǎo)以腋下溫度為基準(zhǔn)的機(jī)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(jì)、人體溫度監(jiān)視器等設(shè)備，在20～42 ℃范圍內(nèi)測(cè)溫精度為0.05 ℃，符合對(duì)腕部體表溫度檢測(cè)的精度需求。

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

環(huán)境溫度比體表溫度穩(wěn)定，短時(shí)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(duì)測(cè)溫的影響，符合環(huán)境溫度檢測(cè)要求。

測(cè)溫裝置和手機(jī)間存在一定的傳輸距離，因此要選用連接距離長(zhǎng)且功耗低的藍(lán)牙芯片。CC2540支持超長(zhǎng)有效連接距離的藍(lán)牙4.0技術(shù)，且功耗低，符合測(cè)溫裝置對(duì)傳輸距離的需求。

溫度數(shù)據(jù)由微控制器通過(guò)藍(lán)牙傳到手機(jī)端，為保證裝置的續(xù)航時(shí)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(cè)溫裝置對(duì)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(jì)

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

SHT20采集環(huán)境溫度后輸出數(shù)字信號(hào)，可直接通過(guò)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(shí)時(shí)接收到腕部體表溫度數(shù)據(jù)和同一時(shí)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(jì)如圖2(a)所示。

2.3 藍(lán)牙模塊設(shè)計(jì)

溫度采集后，需進(jìn)行溫度補(bǔ)償計(jì)算，擬合得到更接近于體溫的腋下溫度。為避免數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算消耗過(guò)多的資源而影響體溫?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，引入藍(lán)牙模塊，通過(guò)藍(lán)牙把兩種數(shù)據(jù)發(fā)送到手機(jī)端進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算，既能提高計(jì)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(shí)時(shí)性。藍(lán)牙模塊的電路設(shè)計(jì)如圖2(b)所示。

圖2 電路設(shè)計(jì)圖

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 微控制器配置設(shè)計(jì)

藍(lán)牙芯片通過(guò)串口與微控制器通信，方案選用的硬件串口在實(shí)施中用于微控制器程序燒錄。為實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙串口通信，需配置兩個(gè)普通的I/O口為軟件模擬串口。此外為保證時(shí)刻t測(cè)得的腕部體表溫度和同時(shí)刻測(cè)得的環(huán)境溫度嚴(yán)格匹配。采用數(shù)組存儲(chǔ)相匹配的兩個(gè)數(shù)據(jù)，再通過(guò)藍(lán)牙把匹配的數(shù)據(jù)發(fā)送到手機(jī)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(jì)流程圖

3.2 溫度數(shù)據(jù)補(bǔ)償計(jì)算

1)體溫補(bǔ)償系數(shù)的確定

為確定式(1)中各項(xiàng)系數(shù)，需進(jìn)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?cái)?shù)據(jù)。

為減少額外因素對(duì)測(cè)溫效果的影響，測(cè)溫環(huán)境選為常溫、無(wú)風(fēng)的室內(nèi)，被測(cè)者在測(cè)溫前靜坐10～15 min。選取男女被測(cè)者各10名，在早、中、晚3個(gè)時(shí)間點(diǎn)(環(huán)境溫度變化的范圍大致為25～32 ℃)分別對(duì)其進(jìn)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(cè)，腋下體溫用醫(yī)用電子體溫計(jì)檢測(cè)。先濾除明顯的噪聲數(shù)據(jù)點(diǎn)，再基于最小二乘法對(duì)數(shù)據(jù)擬合，確定各項(xiàng)系數(shù)，最后得到溫度補(bǔ)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(bǔ)償優(yōu)化

溫度傳感器檢測(cè)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(huì)把誤差帶入到后續(xù)的溫度補(bǔ)償計(jì)算中。為提高溫度檢測(cè)精度，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行如下處理：每接收到100組數(shù)據(jù)，對(duì)它們分別進(jìn)行升序排序，舍去前后各25組數(shù)據(jù)，再對(duì)剩余數(shù)據(jù)取均值。隨后的溫度補(bǔ)償計(jì)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(dòng)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(shí)驗(yàn)方案與結(jié)果

實(shí)現(xiàn)的腕部測(cè)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(shí)現(xiàn)了測(cè)溫裝置的可穿戴性。進(jìn)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(dǎo)熱性好的空心金屬帽中，置于手環(huán)內(nèi)側(cè)，佩戴時(shí)緊貼腕部皮膚；將SHT20置于手環(huán)外側(cè)，佩戴時(shí)暴露在空氣中。初步佩戴測(cè)溫及APP運(yùn)行界面如圖6所示。

圖5 腕部測(cè)溫的可穿戴體溫監(jiān)測(cè)裝置

圖6 佩戴測(cè)溫與APP運(yùn)行界面

為測(cè)試裝置的測(cè)溫精度，本文隨后對(duì)該裝置和醫(yī)用電子體溫計(jì)實(shí)施了測(cè)溫結(jié)果的對(duì)照實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)中，選取3組被測(cè)對(duì)象，每組男女各3名，測(cè)試前無(wú)劇烈運(yùn)動(dòng)，在室內(nèi)無(wú)風(fēng)的環(huán)境下分別體溫檢測(cè)。選用的醫(yī)用電子體溫計(jì)為OMRON MC—341，測(cè)量腋下體溫，精確到0.1 ℃。使用本裝置測(cè)溫時(shí)，將本裝置佩戴在被測(cè)者腕部，使LTM70緊貼腕部皮膚，檢測(cè)腕部體表溫度；使SHT20充分暴露在空氣中，檢測(cè)的環(huán)境溫度，并通過(guò)藍(lán)牙相連手機(jī)，在手機(jī)上讀取被測(cè)者的體溫。

對(duì)實(shí)驗(yàn)得到的3組數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以O(shè)MRON MC—341的結(jié)果為基準(zhǔn)，本裝置誤差的平均值為0.07 ℃，在合理范圍內(nèi)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本裝置比OMRON MC—341的測(cè)溫精度更高，為0.05 ℃；而且可以在手機(jī)終端實(shí)時(shí)讀取體溫?cái)?shù)據(jù)。其中一組被測(cè)對(duì)象的測(cè)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(biāo)之一，本文通過(guò)對(duì)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(zhǔn)的體溫間的補(bǔ)償方案；并從可穿戴的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種基于腕部測(cè)溫的可穿戴體溫監(jiān)測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)了腕部測(cè)體溫。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在室內(nèi)無(wú)風(fēng)的環(huán)境中，本裝置的精度比醫(yī)用電子體溫計(jì)的精度更高，且平均測(cè)溫誤差僅為0.07 ℃。此外，本裝置通過(guò)藍(lán)牙與手機(jī)相連，在實(shí)現(xiàn)檢測(cè)體溫的同時(shí)，還對(duì)檢測(cè)到的體溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行記錄，支持高頻率的、實(shí)時(shí)的體溫采集。

表1 6名被測(cè)者的測(cè)試結(jié)果對(duì)比 ℃

[1] 鄔俏璇,周 嬋,郭鳳娣,等.3種體溫計(jì)測(cè)量體溫效果分析[J].現(xiàn)代臨床護(hù)理,2011，10(1):9-11.

[2] 劉兆萍.醫(yī)用電子體溫測(cè)量記錄系統(tǒng)的研制與開(kāi)發(fā)[D].濟(jì)南：山東師范大學(xué),2004.

[3] 李松林.非接觸人體表面溫度測(cè)量方法的研究[D].天津：天津大學(xué),2005.

[4] Akinyinka O.Infrared ear thermometry versus rectal thermometry in children[J].The Lancet,2002,360(9333):584-585.

[5] Lahiri B B,Bagavathiappan S,Jayakumar T,et al.Medical applications of infrared thermography:A review[J].Infrared Physics & Technology,2012,55(4):211-235.

[6] 孫旭東,張 躍.基于AD8232和MLX90615的心電與體溫測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng),2014,33(9):81-84.

[7] 劉繼忠,賀清云.智能輪椅床的多方位紅外體溫檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng),2012,31(1):130-132.

[8] Chiappini E.Performance of non-contact infrared thermometer for detecting febrile children in hospital and ambulatory settings[J].Journal of Clinical Nursing,2011,20(9-10):1311-1318.

[9] 周明芳,舒 勤.體溫測(cè)量研究發(fā)展[J].中華護(hù)理雜志,2005,11(40):863-864.

[10] 張 飛.長(zhǎng)期規(guī)律性運(yùn)動(dòng)對(duì)人體體表溫度分布與變化調(diào)節(jié)的影響[D].福州：福建師范大學(xué),2011.

[11] 劉 靜,楊永杰,李 丹，等. 可穿戴式生理數(shù)據(jù)檢測(cè)儀的研制[J].傳感器與微系統(tǒng),2016,35(7):76-79.

[12] 陶毅陽(yáng).穿戴式體溫監(jiān)測(cè)設(shè)備的服務(wù)設(shè)計(jì)研究[D].杭州：浙江大學(xué),2015.

[13] 周 浩.人體皮膚溫度影響因素實(shí)驗(yàn)研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué),2013.

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(xué)合作重大項(xiàng)目(2016H6010)；福建省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2015J01420)；福建省引導(dǎo)性基金資助項(xiàng)目(2016Y0060)；福建省衛(wèi)生教育聯(lián)合攻關(guān)計(jì)劃資助項(xiàng)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。