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①桂林联勤保障中心药品仪器监督检验站 广东 广州 510080作者简介：胡红波，男，(1985- )，硕士，工程师，从事医疗设备应用质量检测及医学信息化工作。
[文章编号] 1672-8270(2021)01-0137-04 [中图分类号] R197.324 [文献标识码] A
Design of early warning system of continuous monitoring body temperature for COVID-19/HU Hong-bo, YUAN Tian, XIE Tao, et al//China Medical Equipment,2021,18(1):137-140.
[Abstract] Objective: T o design early warning system of body temperature monitoring based on wireless transmission, which could be used to body temperature screening of population who closely c
ontacted Coronavirus Disease 2019 (COVID-19), the body temperature monitoring of population who accepted quarantine at assembly sites and the monitoring of adverse reaction of clinical volunteer for vaccine. Methods: Through investigated the data of the body temperature of patients and the environment temperature to analyze the corresponding relationship between the two kinds of temperatures, and to confirm the key factor and range of setting up the threshold value of body temperature. And the monitoring module of body temperature, early warning module, wireless control module, charger module and wearing module were adopted to design the monitoring and early warning system of body temperature. Results: The monitoring and early warning system of body temperature could be decomposed into the individual body temperature monitoring unit and the system monitoring unit. The 2.4 GHz frequency band transmission technique was selected as the data transmission method. Some abnormal body temperatures of monitoring terminal were used as the basis of early warning, and they included the body temperature that was higher than 37.3 ℃ at single monitoring terminal was set as threshold value, and the body temperature of individual monitoring terminal rose too fast (the body temperature rose 2 ℃ within 5 min), and the body temperature was larger than 20% of that the body temperature of monitoring terminal deviated the normal value. Conclusion: The data transmission of the designed system is stable, the temperature warning is sensitive, accurate and true. The system design can not only meet the monitoring requirements of key units, but also adapt to the monitoring requirements of the population.
[Key words] Coronavirus Disease 2019 (COVID-19); Body temperature; Monitoring and early warning; Wireless transmission; Design
[First-author’s address] Station for Supervision and Inspection of Drug and Instrument, Guilin Joint Service Support Center, Guangzhou 510080, China.
[摘要] 目的：设计基于无线传输的体温监测预警系统，用于新型冠状病毒肺炎(COVID-19)密切接触体的体温筛查、集中隔离人的体温监测及疫苗临床志愿者不良反应的监控等。方法：通过临床调研患者体温数据及环境温度数据，分析两者的对应关系，确定体温阈值设置的关键因素和范围，采用体温监测模块、预警模块、无线控制模块、充电模块和佩戴模块对体温监测预警系统进行设计。结果：体温监测预警系统可分解为个体体温监测单元和系统监控单元，以2.4 GHz频段传输技术作为数据传输的方式，除能够将单个监测端体温＞37.3 ℃作为触发报警的阈值外，还可将个体监测端体温上升过快(5 min内体温升高2 ℃)和＞20%监测端体温偏离正常值多个监测端体温异常作为预警依据。结论：设计的体温监测预警系统数据传输稳定，体温预警灵敏、准确和真实，系统设计既可满足重点单元的监测需求，又能够适应体的监测需要。[关键词] 新型冠状病毒肺炎(COVID-19)；体温；监测和预警；无线传输；设计DOI: 10.3969/J.ISSN.1672-8270.2021.01.034 胡红波① 袁 田① 谢 涛① 杨 举① 王 辉①*
防控新型冠状病毒肺炎体温连续监测预警系统的设计
中国医学装备2021年1月第18卷第1期 China Medical Equipment 2021 January V ol.18 No.1
新型冠状病毒肺炎(COVID-19)自爆发以来，持续对人类健康造成重大危害，患者的主要临床表现为发热、乏力和干咳，而鼻塞、流涕等上呼吸道症状少见，且会出现缺氧和低氧状态[1]。“早发现、早诊断、早隔离、早”对控制疫情十分重要，其中体温监测是实施症状监测、实现“早发现”的重要方法和手段，对于提早发现疫情苗头和隐患，将疫情传播控制在萌芽状态具有极为重要的意义。在救治和康复阶段，体温监测也是对患者进行生理评估的重要参数之一，是判断患者是否出现代谢功能紊乱、内部脏器炎症等的重要指征[2]。1 COVID-19体温监测现状 1.1 早期筛查阶段
目前，针对早期的COVID-19主要采用额温、
耳温等红外温度计进行筛查，但红外温度计不能连续测量体温，仅反应某一测试时间点受试者的体温状况，无法完整呈现体温连续变化情况，可能丢失很多体温变化的“过程信息”[3]。实际应用中非专业医护人员中的社区志愿者、安检人员、门卫保安等可能会出现对红外温度计的使用不熟练、不专业问题，造成读数困难或不能准确记录数值的情况，对COVID-19早期筛查中体温的监测和评估产生不利影响，部分使用人员不注意个人防护，使用过程中甚至会造成交叉感染。而现行体温筛查手段受客观条件和主观因素影响比较大，需要人工测量、人工记录和人工发现体温异常者并报告，无法及时发
现未进行测温以及测温数据的人员，制约了体温监测在COVID-19早期发现和预警中的作用[4-5]。
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(2)预警模块。预警模块集成微型马达、蜂鸣器和
发光二极管(light emitting diode，LED)灯，实现震平均相对误差
动、鸣叫、闪光灯动作、声、光报警信号，根据个体
所在的环境不同，可以设置不同的预警模式，当出现
异常状态时，监测单元会发出声、光信号或者震动报
警信号，提示个体体温异常，提醒保持安静状态、密
切关注自身体征变化，等待进一步筛查或者诊断。
(3)无线控制模块。系统采用2.4GHz频段传输技
术，该技术相比于其他无线通信技术具有传输距离
远、功耗低、通信协议可自定义等优点[9]。频段是全
球通用的免许可证的频段，因此有大量的无线通信设
备工作在此频段上，同时为实现体温传感器端和无线
接收终端的多对一通信，防止无线传输中的数据丢失
和干扰，需要对频段进行编码加密等操作，保证温度
传感器端和无线接收终端之间的唯一性和准确性。
(4)充电模块。拟采用独立电池为个体体温监测
单元供电，由于疫情防控体温监测时间相对较长，电
源使用的优化管理才能保证持续有效的体温监测。
对于采用电池供电的系统．为延长电池使用时间微
控制器大部分的时间(体温正常时)处于空闲和挂起模
式，当达到设定的监测时间时，微控制器具唤醒温
度传感器，进行体温监测和数据传输。本研究设计
采用BQ25120YFF型充电控制模块(德州仪器Texas
Instruments公司)，是一款高度集成的电池充电管理
芯片，集成了可穿戴监测设备的常用功能，包括线性
充电、稳压输出、负载开关、计时器手动复位及电池
电压监测[10]。芯片上集成的降压转换器是一款具有低
IQ的高效率开关，其采用集散控制技术，可进一步
提升轻载效率，负载电流可低至10μA。运行和关断
期间的低静态电流有助于延长电池寿命。器件支持
5～300mA的充电电流。输入电流限制、充电电流设
置等参数均可通过I2C接口进行编程。BQ25120YFF相对介电常数
型充电控制模块的接线电路见图2。
无生老母中国医学装备2021年1月第18卷第1期防控新型冠状病毒肺炎体温连续监测预警系统的设计-胡红波等
1.2 临床监护阶段
临床中对COVID-19患者主要采用多参数监护仪进行临床监护。监护仪体温监测模块的电子体温探头基于热敏电偶原理将患者体温以数字形式显示在监护仪屏上，测量时需要将探头粘贴或置于患者一侧腋下，通过监护仪器显示的体温曲线记录体温。多参监护仪的优势在于体温监测探头测温灵敏度和精
度高、采集速度快，实现对患者的连续性体温监测，从而达到实时监护的目的[6]。但多参监护仪临床数量较少，所使用的动态体温监测模块和探头价格昂贵，在对COVID-19患者的监护中，为防止交叉感染，体温探头专人专用。此外，现有多参监护仪的体温监测采取有线形式，体温探头一端连接在监护模块一端，传输线缆的长度有限，限制了患者的活动，不利于患者的康复训练。
2 体温监测预警系统整体设计
体温监测预警系统设计为可穿戴式，该系统基于无线信号传输，适用于密切接触体的体温筛查、集中隔离人的体温监测、疫苗临床志愿者不良反应的监控等，系统监控单元能够监测多个监测单元无线传输的温度值，并实时记录异常值，当异常值长时间持续或者发生大量个体体温异常时，通过体温数据分析判定人员是否存在感染风险及时预警，辅助下达进一步筛查或紧急救治的决策。
2.1 系统硬件模块
体温监测预警系统由个体体温监测单元和系统监控单元模块组成，其中包括体温监测模块、预警模块、无线控制模块、充电模块和佩戴模块。①个体体温监测单元的功能包括个体体温的监测、数据传输和体温异常预警；②系统监控单元对多个体温监测单元的数据进行统计分析，辅助医护人员下达进一步筛查、紧急救护等决策。各监测单元的组成和功能如下。
(1)体温监测模块。采用电子温度传感器作为感温元件，电子温度传感器由专用集成电路和其他的电子元器件组成的温度测量系统，具有数据读取快速、操作简便、便于与移动设备连接和数据传输等优点。同时，便于高集成度设计，方便实现低功耗、可穿戴式的体温监测产品[7]。根据测温原理、采样精度、稳定性、集成度和经济性等方面综合筛选，确定采用DS18B20型电子温度传感器(美信半导体Maxim Integrated公司)，该传感器属于单线电子温度传感器，其优点在于采用单总线接口方式，与微处理器连接时仅需要一条线即可实现双向通讯，在使用中无需任何外围元件，支持多点组网功能，性价比高，抗干扰能力强，适合于恶劣环境的现场温度测量，使用方便[8]。DS18B20型电子温度传感器接线电路见图1。
图1 DS18B20
电子温度传感器接线电路图
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中国医学装备2021年1月第18卷第1期 防控新型冠状病毒肺炎体温连续监测预警系统的设计-胡红波 等
图2 BQ25120YFF
型充电控制模块接线电路图(5)佩戴模块。按照穿戴方式及传感器设置位置的不同，可穿戴监测设备可分为头戴式、腕戴式、携带式及身穿式4种。临床的体温测量部位有口腔、腋下、直肠、额头、耳腔(鼓膜)和体表等。综合考虑温度采样的准确性要求和人员佩戴、检测的便利性(不干扰个体正常的行动，不对其造成心理压力)、信息传递的有效性(预警信号如震动、声光等的明确传递)和电气安全程度等方面，本研究设计采用的佩戴方式为腕带式，其主控制器模块：对系统进行控制，拟采用微电脑控制器实现控制功能，包括体温的监测与记录、报警信号的设置与触发、电池的充放电管理、无线信号的传输等控制，设计中采用MSP430F5528微控制器(德州仪器公司)，该微控制器集成功能完善的16位精简指令集中央处理器(central processing unit，CPU)，16位寄存器和恒定发生器，有助于实现最高的代码效率，具有功耗低、功能完备、易编程等特点，该架构结合广泛的低功耗模式进行了优化，以延长便携式测量应用的电池使用寿命[11]。基于MSP430F5528微控制器控制的可用于COVID-19体温连续监测预警系统的研究电路原理见图3。
图3
可用于新型冠状病毒肺炎体温连续监测预警系统研究的电路原理图
系统监控单元可安装在平板电脑、台式工作站等设备上的体温显示系统，用来连续监测多个个体监测
单元无线传输的温度值，并实时记录异常值，当异常值长时间持续或者发生大量个体体温异常时，辅助下达进一步筛查或紧急救治的决策。2.2 系统软件设计
根据系统设计，可用于COVID-19体温连续监测预警系统启动后，个体监测单元初始化，连续监测个体端的体温值，包括手腕温度以及所处的环境温度，当体温值出现异常且＞37.3 ℃预警值或5 min内
体温升高2 ℃时，监测单元一方面发出声、光信号或者震动报警信号，提示个体体温异常，提醒保持安静状态、密切关注自身体征变化，等待进一步筛查或者诊断，并向系统监控单元传输数据，系统监控单元将记录异常值，提醒值班医护人员，辅助下达进一步诊断、筛查等决策。软件流程设计见图4。
图4
体温监测预警系统软件设计流程图体温监测预警系统监护界面的设计使用Matlab 软件进行编程，具备较好的移植性，方便安装在各类台式电脑、平板电脑及移动工作站上，满足各类应用环境的需求。控制软件利用分时复用的方式，采用用
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140 户数据报协议(user datagram protocol，UDP)与各个体温传感器节点进行通讯，最大可同时采集24个个体监护端数据，并实现多个个体体温传感器的同步功能。同时，系统监护端控制软件采用一定安全验证，预设对频段进行编码加密等操作，保证温度传感器端和无线接收终端之间的唯一性，满足系统保密性的需要。体温检测系统监护界面见图5。
图5
体温监测预警系统监护界面图
3 体温监测预警系统测试3.1 系统测试结果
设计完成的体温监测预警系统原型搭建。由于其硬件部分采用分离元件，系统测试主要包括系统传输的稳定性，电子温度传感器的检测精度两部分。通过测试软件对系统传输的稳定性进行了实验，稳定性主要通过模拟数据的传输，测试监控端的反应时间及丢包情况。每次测试均设置系统监控单元连接6个个体体温监测单元，且每个个体相距10 m，采样时间为1 ms，测试过程为所有个体体温监测单元均连续工作至其电量完全耗尽，数据传输丢包率为0.2%，表明系统稳定性良好。
电子体温传感器的检测精度测试基于国家标准《医用电子体温计》(GB/T21416-2008)进行。实验过程中将个体体温监测单元的电子体温传感器置于恒温水浴锅中，测试时间为6 h，与系统传输稳定性同步测试，采样时间设置为1 ms，对系统监控单元接收并记录的数据进行分析。实验结果显示，当恒温水浴锅设置温度分别为35.3 ℃、36.0 ℃、37.0 ℃和37.5 ℃时，系统监控单元接收并记录的温度波动范围始终在0.1 ℃以内，与恒温水浴锅温度设定值对比，测量误差均≤0.1 ℃，重复性误差≤0.1 ℃，测试结果符合相关标准要求。当恒温水浴锅温度上升＞37.3 ℃时，个体体温检测单元能发出相应的温度报警。3.2 系统创新点
马达加斯加2电影(1)多预警阈值的选择。基于临床数据研究，除将个体监测端体温＞37.3 ℃作为触发报警的阈值之外，将个体监测端体温上升过快和多个监测端体温异常作为
判定依据，并充分考虑到环境温度对个体体温的影响，使得COVID-19的相关预警更为灵敏、准确和真实。
(2)多场景应用。从实用性出发，创造性的采用个体体温监测单元和系统监控单元组合的模式，由监测单元监控个体的体温，兼具预警功能，系统监控单元对体进行监测，既满足重点单元的监测需求，又适应体的监测需要。该系统简单设置体温报警阈值，并可应用于军队热射病的预警与救治。4 结论
体温连续监测预警系统的优点在于将电子温度传感器固定在被测对象体表，不影响受试者正常活动，可以消除由水银温度计消毒不彻底导致的交叉感染、红外温度计使用不规范造成的读数不准等弊端。测温
寄存器传输级过程由于无人为干扰因素，可在一定程度上消除受试者因紧张或读数不准确引起的测量误差。医护人员能够通过服务器实时监测受试者体温，并获得连续的体温变化数据，对体温进行管理和预警。系统通过无线传输，可以实现一台主机监测多个患者体温，减少交叉感染的风险，降低医护人员的劳动强度。未来将对电池的优化管理进行改进，并选择合适的佩戴方式，对样机进行人机实验，进行实际验
证及数据收集，根据临床应用单位及相关专家意见，逐步改进和完善系统设计。
中国医学装备2021年1月第18卷第1期 防控新型冠状病毒肺炎体温连续监测预警系统的设计-胡红波 等
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