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如何解决可穿戴式患者监护仪的五大设计挑战

2020-07-07 Sanjay Pithadia 系统工程师、医疗领域、系统工程和市场营销 阅读:
如今的可穿戴医疗产品不仅可以测量生命体征,而且还可用作个人应急系统。由于这是一种复杂的终端设备,致使患者监护仪将面临五大常见的主要设计挑战:功耗(或电池寿命)、便携性(或大小)、患者安全、数据安全传送和集成。

可穿戴式患者监护仪市场发展迅速。远程患者监护仪帮助医生实时监护患者,由此可预见医疗保健领域物联网的未来。Gyfednc

远程患者监护系统为患者和医生节省了时间,可在门诊的基础上提供患者的关键信息。患者移动性也已成为趋势,通过与无线网络的安全连接,远程患者监护仪可缩短患者就诊时间并避免过多电缆的干扰。如今的可穿戴医疗产品不仅可以测量生命体征,而且还可用作个人应急系统。由于这是一种复杂的终端设备,致使患者监护仪将面临五大常见的主要设计挑战:功耗(或电池寿命)、便携性(或大小)、患者安全、数据安全传送和集成。Gyfednc

图1所示为可穿戴式患者监护仪的高级框图,重点介绍了电池管理、非隔离式DC/DC电源、隔离和无线接口等子系统。Gyfednc

无线接口

Gyfednc

图1:可穿戴式患者监护仪的高级框图Gyfednc

设计可穿戴式患者监护仪时面临的五大挑战:Gyfednc

电池寿命

便携式和可穿戴式患者监护仪通常由电池供电。对于消费者而言,电池寿命是购买时需要考量的一个关键因素。电池寿命至关重要,因为大多数患者监护仪都需进行连续测量和监测。电池的供电系统需要仔细分区、严格利用空间、有效利用可用电量。在狭小的空间内更有效地提供功率的同时,实现更多功能,延长时间是很重要的。诸如待机、睡眠、省电、休眠和关机等功能对于降低功耗和延长电池寿命至关重要。唤醒时间和待机功耗对于无线连接解决方案也起着关键作用。Gyfednc

用户可以选择低功耗微控制器(MCU)和模拟集成电路,但如果不优化电源管理就无法在设计中利用大部分最新技术。为应用选择正确的电源架构以提高效率并延长电池运行时间非常重要。Gyfednc

大多数设计人员认为开关控制器或转换器有助于实现高效的电源方案,而低损耗稳压器(LDO)的效率很差。但是LDO拓扑已逐渐优化,它们可提供极低的降压电压。在改善了电池充电器、中轨DC/DC转换器和LDO的前端电源路径后,仍然可使用负荷开关来减少关断电流。例如,无线电模块在深度睡眠或休眠模式下可能消耗超过10 µA的电流。负荷开关可将关机电流降低到仅10 nA(见图2)。Gyfednc

Gyfednc

图2:增加低泄漏负荷开关,降低停机电流Gyfednc

便携性或尺寸

心率监测仪、多参数贴片、连续血糖监测仪、手持式脉搏血氧仪、健身监测仪和活动监测仪之类的设备可以是便携式且可穿戴类型。这些设备中有许多是一次性设备,或者需要更换电池,因此对整体的形式要求很严格。Gyfednc

电池类型和充电器装置的选型;降压、升压或降压-升压转换器的选型;无线(或射频)设备的封装选型,所有这些都有助于减小产品的尺寸。Gyfednc

目前有一些新的技术应用在无线MCU内部集成了晶体。TI体声波(BAW)技术可消除印刷电路板(PCB)的外部晶体足迹,从而减小布局尺寸并简化布局布线。封装技术的改进还可帮助实现更多的集成并节省空间。Gyfednc

对于远程患者监护系统,TI BAW技术可通过安全的无线网络提供可靠、实时的患者生命数据传输。Gyfednc

患者安全

患者安全是全球医疗卫生的优先考虑项。便携式多参数患者监护仪可以测量生命体征,分别使用数字隔离器和隔离电源隔离数据和电源,来实现患者安全。与隔离的电源和数据相关的关键设计挑战包括输出调节、反馈机制、输入电压范围、输出功率和尺寸考量以及合适的电源架构。许多更新的隔离式电源模块如德州仪器的小型UCC12050 DC / DC转换器,都可通过增强隔离来支持500 mW的输出功率。Gyfednc

安全的数据传输

医疗传感器补丁和具有无线连接功能的便携式病人监护仪需要具备一流的安全性。传递到护士站或医生办公室的患者数据是专有信息,防止数据盗窃是一个非常关键的方面。Gyfednc

多种安全措施可以保护患者和医生之间的知识产权(IP)和数据。这些措施应支持防止攻击和确保病人数据传输的安全,不仅在处理和转换为显示用的生命体征参数时如此,在传输过程中也应如此。这称之为无线安全性。Gyfednc

集成

医用患者监护仪的开发时间至关重要,因为上市时间涉及很多标准实验室测试和批准(全球范围内)。通过实现与各种云供应商的连接,可以最小的集成工作量实现家庭患者监护系统数据的传输,将患者数据直接上传到云端,可以节省板载存储卡的空间。Gyfednc

诸如Bluetooth®、低功耗蓝牙和Wi-Fi®之类的平台之间的代码兼容性可减少重复尝试代码的次数。在多核、通用异步收发器、接口标准和多个通用输入/输出方面的集成,为各种系统级需求和现成的接口提供了支持,同时还与其他处理器完成对接。Gyfednc

结论

医用患者监护仪的下一个大浪潮将以极小的尺寸到来。随着可穿戴设备和远程患者监护仪的难题解决,并以更低、更实惠的价格将更优质的设备(尺寸更小且具有连接性)推向市场,医学界将见证新的贴片被迅速采用。从发达国家的医院到发展中国家的远程医疗中心再到战场上的伤兵诊断,可穿戴设备的快速发展正改变着医疗环境,且有助于提供更好的诊疗。Gyfednc

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