手持醫(yī)療設(shè)備供電系統(tǒng)方案

當(dāng)醫(yī)療設(shè)備的應(yīng)用范圍由醫(yī)院擴(kuò)展到緊急應(yīng)變和家庭醫(yī)療環(huán)境時(shí)，它的移動(dòng)性將由多種因素所決定。此外，在醫(yī)院內(nèi)的醫(yī)療設(shè)備也經(jīng)常需要電池的支持，以方便患者在不同的病房中轉(zhuǎn)移。而且，在生育高峰期出生的人們已步入了老年，他們?nèi)匀幌Ｍ奶幓顒?dòng)，這就為傳統(tǒng)固定設(shè)備的便攜應(yīng)用創(chuàng)造了需求，這些設(shè)備能夠方便患病老年人的活動(dòng)。它們包括了診斷儀器，如除纖維顫動(dòng)器、超聲設(shè)備和血分析儀；還有面向患者的設(shè)備，包括胰島素注射器、左心室輔助裝置（LVADs）和無線生命信號(hào)監(jiān)控器。

此外，當(dāng)多種手術(shù)器械只能在一定范圍內(nèi)使用時(shí)，一些器械則因使用電池組供電而擺脫了這種限制。像電動(dòng)整形工具或內(nèi)窺鏡這樣的外科設(shè)備使用電池供電的時(shí)候，外科醫(yī)生感受到了這種靈活性帶來的極大便利。

傳統(tǒng)電池組包含了提供主能源的電芯和集成了剩余電量計(jì)、保護(hù)電路、溫度傳感器、顯示電池組或電芯狀態(tài)的LED驅(qū)動(dòng)器和串行數(shù)據(jù)通信總線的電路板。電池組的外部則是一個(gè)典型的塑料外殼，附帶可以為同主設(shè)備的連接提供電接口的外接觸點(diǎn)和吸收外部振蕩和保持內(nèi)部元器件的絕緣。

1 使用概況

設(shè)計(jì)一個(gè)安全可靠系統(tǒng)的第一步是要準(zhǔn)確理解醫(yī)療設(shè)備使用模型的諸特性，這些特點(diǎn)包括了溫度范圍、放電曲線、充電方式、保存壽命和傳輸需要。在為移動(dòng)應(yīng)用設(shè)備挑選最優(yōu)電池的時(shí)候，所有外部的和內(nèi)部的工作溫度也都是重要的考慮因素。

制造商們標(biāo)明了電芯在理想的C/5 恒定電流和+20℃的外部溫度下的性能。然而，許多醫(yī)療設(shè)備被期望能夠工作在-20℃～+60℃的溫度范圍之間，且熱量可以在充放電過程中散發(fā)出來，因而當(dāng)電池系統(tǒng)同溫敏元件放在一起的時(shí)候，組合電池系統(tǒng)和設(shè)備外殼有最大的溫度閾值。

一個(gè)不一致的脈沖放電或是典型的去纖顫器的脈沖會(huì)導(dǎo)致電芯產(chǎn)生更多的熱量，相比非一致放電曲線，這種情況能更快的降低電池能力。而充電方式影響了電池?zé)崃可l(fā)的方式，也應(yīng)該被考慮進(jìn)電池的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。

2 最優(yōu)化學(xué)特性

為電池組選擇最優(yōu)的電芯決定著野外醫(yī)療工作設(shè)備能否正常工作，這就需要對(duì)電芯性能曲線有充分的了解。了解電壓、充放電周期、負(fù)載電流、能量密度、充電時(shí)間和放電率等指標(biāo)是為手持設(shè)備選擇電芯的第一步，下面就以這幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來分別介紹幾種電池。

首先是密封式鉛酸電池（SLA）。可充電SLA的特性包括：2V的額定電壓，棱柱或圓柱型結(jié)構(gòu)，大容量，低成本和簡(jiǎn)單的充電條件。SLA電池最大的挑戰(zhàn)包括：龐大笨重的體積因素，線性電壓衰減，缺少快速充電技術(shù)和對(duì)高溫度和高自放電的敏感度（這會(huì)影響保存壽命）。

其次是NiMH電池。它的特點(diǎn)包括：1.25V的額定電壓，壽命期內(nèi)的500充放電周期，100Wh/kg的平均能量密度，充電時(shí)間小于四小時(shí)，接近30％的月放電率以及嚴(yán)格的尺寸因素。在對(duì)低電壓有需求或價(jià)格敏感的場(chǎng)所，NiMH電池有著很好的表現(xiàn)，10個(gè)NiMH電池可以串連起來增加電壓，使總電壓達(dá)到12.5V。

最后是鋰離子電池。鋰離子電池的特點(diǎn)包括：3.6V的額定電壓，在壽命期內(nèi)500到1000的充放電周期，平均的能量密度為160Wh/kg, 充電時(shí)間小于4小時(shí)，每月的平均放電率為10％；7個(gè)鋰離子電池可以串接在一起，使總電壓達(dá)到25.2V。

3 電池組智能化

手持化和戶外化是當(dāng)今醫(yī)療設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)。鋰離子電池有更高的能量密度，更輕的質(zhì)量，更長(zhǎng)的工作周期，出眾的容量保持性和寬廣的環(huán)境溫度適應(yīng)能力，相對(duì)于同樣功率的NiMH和SLA解決方案，它需要的電芯數(shù)目更少。

電路板上的許多高級(jí)附件促進(jìn)了系統(tǒng)的智能化，這些附件包括剩余電量計(jì)、保護(hù)電路、溫度傳感器和串行數(shù)據(jù)總線。一個(gè)智能的電池組，當(dāng)終端用戶的放電曲線或特性經(jīng)過調(diào)整后，能提供更高的功率利用率。電池組對(duì)醫(yī)療應(yīng)用有價(jià)值的一個(gè)原因是它有能力監(jiān)控自己的狀態(tài)，能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)剩余的運(yùn)行時(shí)間并將其工組狀態(tài)發(fā)送到醫(yī)療設(shè)備。這些特點(diǎn)允許終端用戶能智能的管理設(shè)備使用，還能避免意外的故障或關(guān)機(jī)。一個(gè)智能化的電池組能根據(jù)它的使用歷史做出反饋，這樣為可追溯性和保證問題提供便利性。

4 安全性

醫(yī)療用電池組必須集成多重安全系統(tǒng)和可靠的保護(hù)電路。其中，活動(dòng)的安全電路是保證電池的化學(xué)物質(zhì)保持穩(wěn)定狀態(tài)的必須因素。安全電路保護(hù)電池組免受過充電、過放電、短路和極端溫度的影響，它可以將電壓限定在嚴(yán)格的工作范圍之內(nèi)。安全電路通過溫度傳感器使電池在特定的溫度下斷路，預(yù)防熱耗散和過熱。

對(duì)于多電池電池組，擁有一個(gè)活動(dòng)的電池平衡電路是明智的。將電路放置在電池組中尤其關(guān)鍵，因?yàn)檫@使得電池不再有過熱的危險(xiǎn)。