Termometri a infrarossi non invasivi

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Il valore della temperatura corporea nella maggior parte dei casi è un parametro importante per una diagnosi medica accurata, a casa come in ambulatorio. In passato erano molto diffusi i termometri a mercurio, oggi moltissimi paesi hanno proibito l’utilizzo di termometri a mercurio per scopi medici, per evitare possibili danni all’ambiente. Questo articolo descrive l’utilizzo di termometri non invasivi a infrarossi per misurare la temperatura del corpo umano.
Il trasferimento di calore tra due superfici può avvenire utilizzando diverse modalità e più precisamente per conduzione, convezione e irraggiamento. Nel caso dei termometri a infrarossi, si considera il calore trasmesso per irraggiamento. Qualunque oggetto con una temperatura superiore allo zero assoluto (0 K, pari a -273,15 °C), emette radiazioni infrarosse. L’intensità di questa radiazione è direttamente proporzionale alla temperatura dell’oggetto.
Un corpo umano in buona salute normalmente è a una temperatura di 36.8 ÷ 37 °C che può variare da 36,5 °C a 37,5 °C, questa rappresenta la temperatura interna del corpo. I pirogeni scorrono nel sangue e, nel caso di uno stato febbrile, raggiungono l’ipotalamo all’interno del cervello. È l’ipotalamo che regola la temperatura del corpo umano. La temperatura corporea è superiore alla norma quando i pirogeni attaccano alcuni particolari recettori presenti nell’ipotalamo.
Per misurare correttamente la temperatura corporea interna è necessario adottare delle tecniche invasive. La misura della temperatura eseguita senza tecniche invasive, per esempio nella cavità rettale, orale o sull’arteria frontale (quindi sulla fronte) può variare notevolmente. La misura della temperatura in queste zone del corpo fornisce però una buona stima della effettiva temperatura interna. I dati ricavati in questo modo possono essere successivamente soggetti ad una elaborazione digitale.


Rilevazione della temperatura tramite infrarossi
Un termometro non invasivo che si basa sulla rilevazione della temperatura tramite radiazioni infrarosse è comunemente definito “termometro IR” o pirometri a infrarossi. Questi termometri, attraverso un sensore IR, raccolgono le radiazioni infrarosse emesse dall’oggetto e la focalizzano in uno speciale sensore termico che la trasforma in un segnale elettrico successivamente amplificato, convertito in digitale e visualizzato a display. L’ampiezza del segnale elettrico è proporzionale alla temperatura dei raggi proiettati. Questo segnale elettrico definisce la temperatura del corpo ottenuta in modo non invasivo. Al fine di ottenere la temperatura interna, è necessario quindi effettuare una elaborazione dei segnali elettrici ottenuti, per compensare eventuali differenze e convertire il risultato nella temperatura interna reale. Il valore così ottenuto viene poi inviato a un display a cristalli liquidi per la visualizzazione da parte dell’utente.
Il progetto illustrato nel seguito contiene anche una memoria EEPROM Dual-Interface (a doppia interfaccia) che memorizza il valore della temperatura e lo comunica a telefonini Android tramite interfaccia NFC, questo permette al paziente o allo staff medico di conservare lo storico delle misure effettuate.

Architettura del termometro
Consideriamo l'architettura di sistema di un termometro a infrarossi basato sull'STM8L052 di STMicroelectronics. I microcontrollori della serie STM8L052xx contengono una memoria EEPROM integrata per i dati e memoria Flash a basso consumo, bassa tensione e con un’unica alimentazione per il programma. Il sistema funziona nell’intervallo di tensione di alimentazione da 1,8 V a 3,6 V (con un valore minimo di 1,65 V in spegnimento) con Brown-Out-Reset, e tra 1,65 V e 3,6 V senza opzione di Brown-Out-Reset. Questo intervallo di alimentazione è pienamente compatibile con la batteria a bottone. L’applicazione funziona alla frequenza di 1 MHz per ridurre il consumo di corrente che, in modalità attiva, è compreso tra 1,5 mA e 3,2 mA, e può scendere fino a 1,2 µA in modalità dormiente; viene utilizzato il clock LSI (low speed internal, interno a bassa velocità) per la gestione delle funzioni in tempo reale. Sarebbe possibile anche utilizzare un segnale di clock esterno LSE (esterno, a bassa velocità) ma, per non incrementare i consumi in modalità dormiente progettualmente si è scelto di non usarlo. La capacità dell’STM8L di pilotare in modo nativo i display LCD garantisce una gestione ottimale dello stesso.
I raggi infrarossi emessi dalla superficie della pelle vengono proiettati al sensore a infrarossi (IR) e lo stato interno del sensore è utilizzato per calcolare la temperatura corporea. Il valore ottenuto dal sensore a infrarossi viene trasmesso al microcontrollore utilizzando una comunicazione I2C con protocollo SMBus (System Management Bus). Il valore così ottenuto viene inviato dal microcontrollore al display LCD e memorizzato anche nella memoria esterna EEPROM Dual-interface. Il sistema utilizza una batteria a bottone da 3 V (CR2032) per l’alimentazione e il convertitore ADC a 12 bit integrato nell’ STM8L052 permette di controllare lo stato della batteria.

L’applicazione Tele-health
ST Health Care è una applicazione Android per il controllo della salute sviluppata da STMicroelectronics per comunicare informazioni tra diverse piattaforme per la salute, tra cui il termometro a infrarossi. L’applicazione Android legge i dati dallo strumento tramite interfaccia Near Field Communication (NFC) e li memorizza nel database per ogni singolo utente. Gli utenti possono condividere le informazioni sulla loro salute e memorizzarle su Microsoft HealthVault. È possibile scaricare l’applicazione direttamente da Google PlayStore. I dati possono essere visualizzati in modo testuale o grafico nel dominio del tempo; possono successivamente essere analizzati e condivisi. È inoltre possibile modificare diversi parametri come la data e l’ora registrati dall’orologio in tempo reale e i dati identificativi del produttore. È possibile monitorare facilmente alcuni parametri sullo stato di salute utilizzando dispositivi portatili. In questo modo si ottiene un accesso veloce, affidabile e in tempo reale ai dati diagnostici. Il termometro a infrarossi è una scelta ideale per la misura della temperatura poiché garantisce una precisione dell’ordine di 0,5 °C. I risultati inoltre si ottengono in tempi decisamente più brevi rispetto ai tradizionali termometri a mercurio. Inoltre, gli strumenti a infrarossi sono più robusti e non creano problemi ambientali. STMicroelectronics ha sviluppato il progetto di diverse apparecchiature portatili per il controllo della salute dotate di interfaccia di connettività NFC. Inoltre, l’applicazione Android gratuita ‘ST Health Care’ di STMicroelectronics permette di gestire in modo sicuro i dati sulla salute e può essere integrata in Microsoft HealthVault per dimostrare l’ecosistema completo Tele-health. L’applicazione supporta diversi progetti di riferimento come il termometro infrarossi, la iontoforesi e il pulsossimetro. Il termometro a infrarossi presentato in questo articolo potrebbe essere utilizzato anche in applicazioni industriali, nella rilevazione di formazioni nuvolose nelle applicazioni di telescopia remota, nell’analisi di superfici destinate alla preparazione del cibo, nella rilevazione di punti caldi nelle schede circuitali elettriche, nella ricerca e sviluppo sui materiali durante i cambiamenti termici. I termometri non invasivi a infrarossi possono essere uno strumento particolarmente importante per i futuri progressi della medicina.

 

 

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