【導(dǎo)讀】物聯(lián)網(wǎng)(IoT)革命,使醫(yī)療機(jī)構(gòu)實時護(hù)理患者的方式發(fā)生了范式轉(zhuǎn)變。其中,遠(yuǎn)程患者監(jiān)測,是當(dāng)前新型醫(yī)療設(shè)備改變醫(yī)患互動方式的重要領(lǐng)域。隨著集成電路微觀化、無線技術(shù)演進(jìn),傳統(tǒng)醫(yī)療設(shè)備舊貌換新顏,功能獲得增強(qiáng),患者的依從性和療效逐步提高。
來自電源的挑戰(zhàn)
目前,遠(yuǎn)程患者監(jiān)測貼片取代了傳統(tǒng)笨重的Holter設(shè)備,貼片中包含的各種傳感器,能夠收集心率、溫度和加速計數(shù)據(jù),可將患者數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫?,利于患者和醫(yī)生實時訪問。雖然這些貼片有助于醫(yī)生提升護(hù)理能力,卻給電源設(shè)計人員帶來挑戰(zhàn),他們必須平衡兼顧系統(tǒng)性能與電池壽命要求。隨著第二代貼片采用多模態(tài)傳感來提高精度和有效性,挑戰(zhàn)進(jìn)一步凸顯,更對電源提出嚴(yán)苛指標(biāo)。
圖1.ECG貼片電源原理圖。用一個235 mAh的CR2032紐扣鋰電池為穩(wěn)壓器、微控制器、ECG前端、溫度傳感器和加速度計供電。
以ECG RPM貼片(如圖1)為例,該貼片可連續(xù)監(jiān)測ECG和加速計,同時每15分鐘檢查一次溫度。數(shù)據(jù)通過低能耗藍(lán)牙?(BLE)每2小時傳輸一次,每天總共進(jìn)行12次BLE傳輸。貼片支持三種不同的負(fù)載模式:標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測、溫度監(jiān)測和傳輸模式。在標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測模式下,僅監(jiān)控ECG和加速計。在溫度監(jiān)測模式下,還要監(jiān)測另一個溫度傳感器。在傳輸模式下,BLE無線電同時監(jiān)測ECG和加速計數(shù)據(jù),并同步傳輸數(shù)據(jù)。
設(shè)計RPM,比如ECG貼片,對電源設(shè)計人員來說,挑戰(zhàn)會來自多個層面。設(shè)計通常受到空間方面的限制,帶有多個傳感器的貼片可能需要多個電源導(dǎo)軌。由于RPM貼片通常是一次性使用產(chǎn)品,因此設(shè)計人員一般會選擇紐扣電池這種經(jīng)濟(jì)高效的電源。如果僅使用紐扣電池為貼片供電,設(shè)計人員還必須考慮電源子系統(tǒng)的效率。
另外,電源設(shè)計人員經(jīng)常會忽視一個挑戰(zhàn),是如何延長產(chǎn)品的保質(zhì)期。由于,關(guān)斷電流和電池自放電會縮短任何系統(tǒng)的壽命。因此,設(shè)計人員必須明確RPM貼片在保質(zhì)期之后能否滿足運(yùn)行時間要求,如果不能,在貼片到達(dá)最終用戶手中之前,可以采取哪些措施來保持電池壽命。
洞悉電池運(yùn)行時間
為了準(zhǔn)確掌握電源解決方案是否符合電池壽命要求,必須確定負(fù)載曲線。負(fù)載曲線是系統(tǒng)負(fù)載占空比的簡單表示。對于遠(yuǎn)程患者監(jiān)測貼片來說,可從標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測、溫度監(jiān)測和傳輸模式三種不同的工作模式入手。
在標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測模式下,圖1所示貼片的電流消耗(包括每個降壓變換器的330 nA靜態(tài)電流和MCU的電流消耗)為1.88 mA。在溫度監(jiān)測模式下,電流消耗為1.95 mA,每15分鐘持續(xù)200毫秒。在傳輸模式下,當(dāng)貼片通過BLE傳輸數(shù)據(jù)時,電流消耗為7.90 mA,每2小時持續(xù)30秒。這些數(shù)值可以在相應(yīng)的設(shè)備數(shù)據(jù)表中查看有源和靜態(tài)電流規(guī)格部分找到。
要進(jìn)行負(fù)載曲線分析,需使用一天中每種工作模式的時間段來確定占空比計算值。使用公式1:
可以得出貼片的占空比,如表1所示。
表1.貼片在不同工作模式下的占空比
圖2.負(fù)載曲線圖。
利用圖2中的負(fù)載曲線,可以計算出貼片的電流消耗。取每種工作模式下的有效電流消耗,通過公式2可以計算出每天的平均電流消耗近似值。
下面是一個計算示例:
標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測模式每天的電流 = 標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測模式電流×標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測模式占空比×24小時
標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測模式電流 = 1.88 mA標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測模式占空比 = 0.9956
標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測模式每天的電流 = 1.88 mA × 0.9956 × 24小時 = 44.92 mAh/天
一旦確定每種工作模式的每日電流消耗,就可以通過公式3確定電池的使用壽命。
下面是另一個計算示例:
電池容量 = 235 mAh
標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測模式每天的電流 = 44.92 mAh/天
溫度監(jiān)測模式每天的電流 = 0.01 mAh/天 傳輸模式每天的電流 = 0.79 mAh/天
電池壽命(天)= 235 mAh/(44.92 mAh/天 + 0.01 mAh/天 + 0.79 mA/天)= 5.14天
這些計算結(jié)果表明,該器件將滿足5天的工作時間要求,電池壽命超過5.1天。然而,這個結(jié)果具有欺騙性,因為沒有考慮系統(tǒng)的保質(zhì)期。在醫(yī)療器械行業(yè),最好是設(shè)計14個月的保質(zhì)期(貨架期12個月,運(yùn)輸期兩個月)。
必須考量的保質(zhì)期因素
將系統(tǒng)中設(shè)備的關(guān)斷電流相加,同時使用CR2032電池每年1%到2%的典型自放電率,可以看出,14個月后,電池的容量不足以支持5天的工作時間,需要進(jìn)行電池密封。
表2.14個月后的電池容量
在貨架上放置14個月后,電池容量將顯著減少。當(dāng)CR2032閑置在貨架上時,近40%的能量將通過關(guān)斷電流和電池自泄漏消耗掉。將這個電池容量代入公式3,可以得出更準(zhǔn)確的運(yùn)行時間:
電池壽命(天)= 146.66 mAh/(標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測模式+溫度監(jiān)測模式+傳輸模式)
電池壽命(天)= 146.66 mAh/(44.92 mAh/天 + 0.01 mAh/天 + 0.79 mA/天)= 3.21天
上架時間超過一年,電池容量會受到電池自放電和系統(tǒng)關(guān)斷電流的影響。電池自放電與電池的化學(xué)性質(zhì)和環(huán)境有關(guān)。CR2032電池的化學(xué)成分是鋰錳,每年的自放電率為1%至2%。一年后,紐扣電池在休眠狀態(tài)下可能會損失2%的容量。對比之下,BR2032電池的化學(xué)成分是鋰-氟化碳聚合物,每年的自放電率為0.3%。我們通常會認(rèn)為,最適合應(yīng)用的電池化學(xué)成分是放電率最低的,但事實并非如此。雖然BR2032電池的放電率較低,但其容量也比200 mAh的CR2032電池低。使用前面的公式重新計算,可以確定這樣的低容量電池的電量是否足夠。
在這個ECG貼片中,當(dāng)系統(tǒng)斷電時,IC關(guān)斷電流是減少電池壽命的最大因素。當(dāng)IC被禁用且無有效負(fù)載時,會產(chǎn)生關(guān)斷電流。這些電流通常是由于IC中漏電和IC內(nèi)的ESD保護(hù)裝置造成的,即使在沒有負(fù)載的情況下也會消耗少量的電流。這些電流通常很小(低于1μA),但對電池壽命卻有很大的影響。在這個RPM貼片中,關(guān)斷電流在一年內(nèi)可使電池容量減少多達(dá)40%。使用電池密封可限制系統(tǒng)在關(guān)斷時從電池中吸取過多的電流。
電池密封通常采用兩種方式:聚酯薄膜拉片形式的機(jī)械電池密封,以及負(fù)載開關(guān)形式的電氣電池密封。聚酯薄膜/塑料拉片是一種機(jī)械電池密封,其中塑料拉片位于電池和系統(tǒng)之間。當(dāng)準(zhǔn)備使用設(shè)備時,用戶只需拔出塑料片,電池就開始為系統(tǒng)供電。這是一種簡單、低成本、成熟的電池機(jī)械密封,已經(jīng)使用了很多年。然而,對于醫(yī)療設(shè)備來說,這種解決方案并不是始終可行的。對于需要防水的ECG貼片來說,聚酯薄膜突出的槽會使貼片容易被水損壞。此外,對于不夠靈巧的終端用戶來說,這種小的塑料薄片可能不太好用。
簡單的負(fù)載開關(guān),如Vishay SiP32341,是電氣電池密封的一個不錯選擇。該器件是一個場效應(yīng)晶體管,開啟時,可將電池與系統(tǒng)的其它部分隔開,使SiP32341的關(guān)斷電流成為電池上唯一的消耗電流。負(fù)載開關(guān)有一條邏輯控制線,當(dāng)準(zhǔn)備使用設(shè)備時,可以通過按鈕接通。SiP32341的關(guān)斷電流一般為14 pA,與沒有電池密封時整個系統(tǒng)的電流消耗相比,采用電池密封有顯著改善。如果使用SiP32341作為電池密封件,CR2032原電池在14個月內(nèi)可保持99.97%的容量。如果不用電池密封件來保護(hù)電池免受ECG貼片關(guān)斷電流的影響,那么CR2032原電池只能保持62.39%的原始電量。一旦消除這37%的容量差異,可以使ECG貼片在14個月的保質(zhì)期以后仍能滿足5天的壽命要求。
表3.使用電池密封件14個月后的電池容量
電池密封件通過防止系統(tǒng)中的所有設(shè)備消耗電池關(guān)斷電流,從而保持電池容量。在RPM貼片閑置14個月后,剩余電池容量還保持在99.9%以上。
將這個電池容量代入公式3,可以得出更準(zhǔn)確的運(yùn)行時間:
電池壽命(天)= 230.25 mAh/(標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測模式+溫度監(jiān)測模式+傳輸模式)
電池壽命(天)= 230.25 mAh/(44.92 mAh/天 + 0.01 mAh/天 + 0.79 mA/天)= 5.04天
結(jié)論
在ADI看來,為了設(shè)計出能滿足醫(yī)療設(shè)備所有要求的電源,在系統(tǒng)處于活動狀態(tài)和關(guān)機(jī)/低功耗模式時進(jìn)行電池分析至關(guān)重要。通過BLE通信收集心率、溫度和加速度數(shù)據(jù)的ECG貼片案例不難發(fā)現(xiàn),基于ADI公司的分析和原理,可以應(yīng)用于由原電池供電的任何數(shù)量的醫(yī)療設(shè)備系統(tǒng)上,供更多設(shè)備廠商參考。
關(guān)于ADI公司
ADI是全球領(lǐng)先的高性能模擬技術(shù)公司,致力于解決最艱巨的工程設(shè)計挑戰(zhàn)。憑借杰出的檢測、測量、電源、連接和解譯技術(shù),搭建連接現(xiàn)實世界和數(shù)字世界的智能化橋梁,從而幫助客戶重新認(rèn)識周圍的世界。詳情請瀏覽ADI官網(wǎng)www.analog.com/cn。
作者簡介
Fahad Masood是ADI公司健康和醫(yī)療生物傳感應(yīng)用技術(shù)人員。他在醫(yī)療保健、計算和工業(yè)應(yīng)用的電子產(chǎn)品開發(fā)方面擁有近十年的經(jīng)驗。Fahad獲
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