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作者：ADI健康和醫療生物傳感應用技術(shù)人員Fahad Masood 物聯(lián)網(wǎng)(IoT)革命，使醫療機構實(shí)時(shí)護理患者的方式發(fā)生了范式轉變。其中，遠程患者監測，是當前新型醫療設備改變醫患互動(dòng)方式的重要領(lǐng)域。隨著(zhù)集成電路微觀(guān)化、無(wú)線(xiàn)技術(shù)演進(jìn)，傳統醫療設備舊貌換新顏，功能獲得增強，患者的依從性和療效逐步提高。 來(lái)自電源的挑戰 目前，遠程患者監測貼片取代了傳統笨重的Holter設備，貼片中包含的各種傳感器，能夠收集心率、溫度和加速計數據，可將患者數據傳輸到云端，利于患者和醫生實(shí)時(shí)訪(fǎng)問(wèn)。雖然這些貼片有助于醫生提升護理能力，卻給電源設計人員帶來(lái)挑戰，他們必須平衡兼顧系統性能與電池壽命要求。隨著(zhù)第二代貼片采用多模態(tài)傳感來(lái)提高精度和有效性，挑戰進(jìn)一步凸顯，更對電源提出嚴苛指標。 
圖1.ECG貼片電源原理圖。用一個(gè)235 mAh的CR2032紐扣鋰電池為穩壓器、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，該貼片可連續監測ECG和加速計，同時(shí)每15分鐘檢查一次溫度。數據通過(guò)低能耗藍牙®(BLE)每2小時(shí)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載模式：標準監測、溫度監測和傳輸模式。在標準監測模式下，僅監控ECG和加速計。在溫度監測模式下，還要監測另一個(gè)溫度傳感器。在傳輸模式下，BLE無(wú)線(xiàn)電同時(shí)監測ECG和加速計數據，并同步傳輸數據。 設計RPM，比如ECG貼片，對電源設計人員來(lái)說(shuō)，挑戰會(huì )來(lái)自多個(gè)層面。設計通常受到空間方面的限制，帶有多個(gè)傳感器的貼片可能需要多個(gè)電源導軌。由于RPM貼片通常是一次性使用產(chǎn)品，因此設計人員一般會(huì )選擇紐扣電池這種經(jīng)濟高效的電源。如果僅使用紐扣電池為貼片供電，設計人員還必須考慮電源子系統的效率。 另外，電源設計人員經(jīng)常會(huì )忽視一個(gè)挑戰，是如何延長(cháng)產(chǎn)品的保質(zhì)期。由于，關(guān)斷電流和電池自放電會(huì )縮短任何系統的壽命。因此，設計人員必須明確RPM貼片在保質(zhì)期之后能否滿(mǎn)足運行時(shí)間要求，如果不能，在貼片到達最終用戶(hù)手中之前，可以采取哪些措施來(lái)保持電池壽命。 洞悉電池運行時(shí)間 為了準確掌握電源解決方案是否符合電池壽命要求，必須確定負載曲線(xiàn)。負載曲線(xiàn)是系統負載占空比的簡(jiǎn)單表示。對于遠程患者監測貼片來(lái)說(shuō)，可從標準監測、溫度監測和傳輸模式三種不同的工作模式入手。 在標準監測模式下，圖1所示貼片的電流消耗（包括每個(gè)降壓變換器的330 nA靜態(tài)電流和MCU的電流消耗）為1.88 mA。在溫度監測模式下，電流消耗為1.95 mA，每15分鐘持續200毫秒。在傳輸模式下，當貼片通過(guò)BLE傳輸數據時(shí)，電流消耗為7.90 mA，每2小時(shí)持續30秒。這些數值可以在相應的設備數據表中查看有源和靜態(tài)電流規格部分找到。 要進(jìn)行負載曲線(xiàn)分析，需使用一天中每種工作模式的時(shí)間段來(lái)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 溫度測量百分比（%/天）0.02% BLE通信百分比（%/天）0.42% ECG監測持續時(shí)間（%/天）99.56%
圖2.負載曲線(xiàn)圖。 利用圖2中的負載曲線(xiàn)，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(guò)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(gè)計算示例： 標準監測模式每天的電流 = 標準監測模式電流×標準監測模式占空比×24小時(shí) 標準監測模式電流 = 1.88 mA標準監測模式占空比 = 0.9956 標準監測模式每天的電流 = 1.88 mA × 0.9956 × 24小時(shí) = 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(guò)公式3確定電池的使用壽命。
下面是另一個(gè)計算示例： 電池容量 = 235 mAh 標準監測模式每天的電流 = 44.92 mAh/天 溫度監測模式每天的電流 = 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 這些計算結果表明，該器件將滿(mǎn)足5天的工作時(shí)間要求，電池壽命超過(guò)5.1天。然而，這個(gè)結果具有欺騙性，因為沒(méi)有考慮系統的保質(zhì)期。在醫療器械行業(yè)，最好是設計14個(gè)月的保質(zhì)期（貨架期12個(gè)月，運輸期兩個(gè)月）。 必須考量的保質(zhì)期因素 將系統中設備的關(guān)斷電流相加，同時(shí)使用CR2032電池每年1%到2%的典型自放電率，可以看出，14個(gè)月后，電池的容量不足以支持5天的工作時(shí)間，需要進(jìn)行電池密封。 表2.14個(gè)月后的電池容量 2%電池容量泄漏(mAh) 230.30 待機電流消耗(mA) 0.0082 保質(zhì)期（小時(shí)） 28085.37 保質(zhì)期（天） 1170.22 保質(zhì)期（年） 3.21 14個(gè)月后的容量(mAh) 146.66 14個(gè)月后剩余容量百分比 63.68 在貨架上放置14個(gè)月后，電池容量將顯著(zhù)減少。當CR2032閑置在貨架上時(shí)，近40%的能量將通過(guò)關(guān)斷電流和電池自泄漏消耗掉。將這個(gè)電池容量代入公式3，可以得出更準確的運行時(shí)間： 電池壽命（天）= 146.66 mAh/（標準監測模式+溫度監測模式+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(shí)間超過(guò)一年，電池容量會(huì )受到電池自放電和系統關(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(huì )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(huì )認為，最適合應用的電池化學(xué)成分是放電率最低的，但事實(shí)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(gè)ECG貼片中，當系統斷電時(shí)，IC關(guān)斷電流是減少電池壽命的最大因素。當IC被禁用且無(wú)有效負載時(shí)，會(huì )產(chǎn)生關(guān)斷電流。這些電流通常是由于IC中漏電和IC內的ESD保護裝置造成的，即使在沒(méi)有負載的情況下也會(huì )消耗少量的電流。這些電流通常很�。ǖ陀�1μA），但對電池壽命卻有很大的影響。在這個(gè)RPM貼片中，關(guān)斷電流在一年內可使電池容量減少多達40%。使用電池密封可限制系統在關(guān)斷時(shí)從電池中吸取過(guò)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械電池密封，以及負載開(kāi)關(guān)形式的電氣電池密封。聚酯薄膜/塑料拉片是一種機械電池密封，其中塑料拉片位于電池和系統之間。當準備使用設備時(shí)，用戶(hù)只需拔出塑料片，電池就開(kāi)始為系統供電。這是一種簡(jiǎn)單、低成本、成熟的電池機械密封，已經(jīng)使用了很多年。然而，對于醫療設備來(lái)說(shuō)，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(lái)說(shuō)，聚酯薄膜突出的槽會(huì )使貼片容易被水損壞。此外，對于不夠靈巧的終端用戶(hù)來(lái)說(shuō)，這種小的塑料薄片可能不太好用。 簡(jiǎn)單的負載開(kāi)關(guān)，如Vishay SiP32341，是電氣電池密封的一個(gè)不錯選擇。該器件是一個(gè)場(chǎng)效應晶體管，開(kāi)啟時(shí)，可將電池與系統的其它部分隔開(kāi)，使SiP32341的關(guān)斷電流成為電池上唯一的消耗電流。負載開(kāi)關(guān)有一條邏輯控制線(xiàn)，當準備使用設備時(shí)，可以通過(guò)按鈕接通。SiP32341的關(guān)斷電流一般為14 pA，與沒(méi)有電池密封時(shí)整個(gè)系統的電流消耗相比，采用電池密封有顯著(zhù)改善。如果使用SiP32341作為電池密封件，CR2032原電池在14個(gè)月內可保持99.97%的容量。如果不用電池密封件來(lái)保護電池免受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(gè)月的保質(zhì)期以后仍能滿(mǎn)足5天的壽命要求。 表3.使用電池密封件14個(gè)月后的電池容量 2%電池容量泄漏(mAh) 230.30 待機電流消耗(mA) 0.000005 保質(zhì)期（小時(shí)） 46060000.00 保質(zhì)期（天） 1919166.67 保質(zhì)期（年） 5257.99 14個(gè)月后的容量(mAh) 230.25 14個(gè)月后剩余容量百分比 99.98 電池密封件通過(guò)防止系統中的所有設備消耗電池關(guān)斷電流，從而保持電池容量。在RPM貼片閑置14個(gè)月后，剩余電池容量還保持在99.9%以上。 將這個(gè)電池容量代入公式3，可以得出更準確的運行時(shí)間： 電池壽命（天）= 230.25 mAh/（標準監測模式+溫度監測模式+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 結論 在A(yíng)DI看來(lái)，為了設計出能滿(mǎn)足醫療設備所有要求的電源，在系統處于活動(dòng)狀態(tài)和關(guān)機/低功耗模式時(shí)進(jìn)行電池分析至關(guān)重要。通過(guò)BLE通信收集心率、溫度和加速度數據的ECG貼片案例不難發(fā)現，基于A(yíng)DI公司的分析和原理，可以應用于由原電池供電的任何數量的醫療設備系統上，供更多設備廠(chǎng)商參考。 |
