遠程患者監(jiān)護系統(tǒng)面臨的五大設(shè)計挑戰(zhàn)

可穿戴式患者監(jiān)護儀市場發(fā)展迅速。遠程患者監(jiān)護儀幫助醫(yī)生實時監(jiān)護患者,由此可預(yù)見醫(yī)療保健領(lǐng)域物聯(lián)網(wǎng)的未來。

遠程患者監(jiān)護系統(tǒng)為患者和醫(yī)生節(jié)省了時間,可在門診的基礎(chǔ)上提供患者的關(guān)鍵信息?；颊咭苿有砸惨殉蔀橼厔?通過與無線網(wǎng)絡(luò)的安全連接,遠程患者監(jiān)護儀可縮短患者就診時間并避免過多電纜的干擾。如今的可穿戴醫(yī)療產(chǎn)品不僅可以測量生命體征,而且還可用作個人應(yīng)急系統(tǒng)。由于這是一種復(fù)雜的終端設(shè)備,致使患者監(jiān)護儀將面臨五大常見的主要設(shè)計挑戰(zhàn):功耗(或電池壽命)、便攜性(或大小)、患者安全、數(shù)據(jù)安全傳送和集成。

圖1所示為可穿戴式患者監(jiān)護儀的高級框圖,重點介紹了電池管理、非隔離式DC/DC電源、隔離和無線接口等子系統(tǒng)

圖1:   可穿戴式患者監(jiān)護儀 的高級框圖

設(shè)計可穿戴式患者監(jiān)護儀時面臨的五大挑戰(zhàn):

電池壽命

便攜式和可穿戴式患者監(jiān)護儀通常由電池供電。對于消費者而言,電池壽命是購買時需要考量的一個關(guān)鍵因素。電池壽命至關(guān)重要,因為大多數(shù)患者監(jiān)護儀都需進行連續(xù)測量和監(jiān)測。電池的供電系統(tǒng)需要仔細分區(qū)、嚴格利用空間、有效利用可用電量。在狹小的空間內(nèi)更有效地提供功率的同時,實現(xiàn)更多功能,延長時間是很重要的。諸如待機、睡眠、省電、休眠和關(guān)機等功能對于降低功耗和延長電池壽命至關(guān)重要。喚醒時間和待機功耗對于無線連接解決方案也起著關(guān)鍵作用。

用戶可以選擇低功耗微控制器(MCU)和模擬集成電路,但如果不優(yōu)化電源管理就無法在設(shè)計中利用大部分最新技術(shù)。為應(yīng)用選擇正確的電源架構(gòu)以提高效率并延長電池運行時間非常重要。

大多數(shù)設(shè)計人員認為開關(guān)控制器或轉(zhuǎn)換器有助于實現(xiàn)高效的電源方案,而低損耗穩(wěn)壓器(LDO)的效率很差。但是LDO拓撲已逐漸優(yōu)化,它們可提供極低的降壓電壓。在改善了電池充電器、中軌DC/DC轉(zhuǎn)換器和LDO的前端電源路徑后,仍然可使用負荷開關(guān)來減少關(guān)斷電流。例如,無線電模塊在深度睡眠或休眠模式下可能消耗超過10 μA的電流。負荷開關(guān)可將關(guān)機電流降低到僅10 nA(見圖2)。

便攜性或尺寸

心率監(jiān)測儀、多參數(shù)貼片、連續(xù)血糖監(jiān)測儀、手持式脈搏血氧儀、健身監(jiān)測儀和活動監(jiān)測儀之類的設(shè)備可以是便攜式且可穿戴類型。這些設(shè)備中有許多是一次性設(shè)備,或者需要更換電池,因此對整體的形式要求很嚴格。

電池類型和充電器裝置的選型;降壓、升壓或降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的選型;無線(或射頻)設(shè)備的封裝選型,所有這些都有助于減小產(chǎn)品的尺寸。

目前有一些新的技術(shù)應(yīng)用在無線MCU內(nèi)部集成了晶體。TI體聲波(BAW)技術(shù)可消除印刷電路板(PCB)的外部晶體足跡,從而減小布局尺寸并簡化布局布線。封裝技術(shù)的改進還可幫助實現(xiàn)更多的集成并節(jié)省空間。

對于遠程患者監(jiān)護系統(tǒng),TI BAW技術(shù)可通過安全的無線網(wǎng)絡(luò)提供可靠、實時的患者生命數(shù)據(jù)傳輸。

患者安全

患者安全是全球醫(yī)療衛(wèi)生的優(yōu)先考慮項。便攜式多參數(shù)患者監(jiān)護儀可以測量生命體征,分別使用數(shù)字隔離器和隔離電源隔離數(shù)據(jù)和電源,來實現(xiàn)患者安全。與隔離的電源和數(shù)據(jù)相關(guān)的關(guān)鍵設(shè)計挑戰(zhàn)包括輸出調(diào)節(jié)、反饋機制、輸入電壓范圍、輸出功率和尺寸考量以及合適的電源架構(gòu)。許多更新的隔離式電源模塊如德州儀器的小型 UCC12050 DC / DC轉(zhuǎn)換器,都可通過增強隔離來支持500 mW的輸出功率。

安全的數(shù)據(jù)傳輸

醫(yī)療傳感器補丁和具有無線連接功能的便攜式病人監(jiān)護儀需要具備一流的安全性。傳遞到護士站或醫(yī)生辦公室的患者數(shù)據(jù)是專有信息,防止數(shù)據(jù)盜竊是一個非常關(guān)鍵的方面。

多種安全措施可以保護患者和醫(yī)生之間的知識產(chǎn)權(quán)(IP)和數(shù)據(jù)。這些措施應(yīng)支持防止攻擊和確保病人數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?不僅在處理和轉(zhuǎn)換為顯示用的生命體征參數(shù)時如此,在傳輸過程中也應(yīng)如此。這稱之為無線安全性。

集成

醫(yī)用患者監(jiān)護儀的開發(fā)時間至關(guān)重要,因為上市時間涉及很多標(biāo)準(zhǔn)實驗室測試和批準(zhǔn)(全球范圍內(nèi))。通過實現(xiàn)與各種云供應(yīng)商的連接,可以最小的集成工作量實現(xiàn)家庭患者監(jiān)護系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸,將患者數(shù)據(jù)直接上傳到云端,可以節(jié)省板載存儲卡的空間。

諸如Bluetooth?、低功耗藍牙和Wi-Fi?之類的平臺之間的代碼兼容性可減少重復(fù)嘗試代碼的次數(shù)。在多核、通用異步收發(fā)器、接口標(biāo)準(zhǔn)和多個通用輸入/輸出方面的集成,為各種系統(tǒng)級需求和現(xiàn)成的接口提供了支持,同時還與其他處理器完成對接。

結(jié)論

醫(yī)用患者監(jiān)護儀的下一個大浪潮將以極小的尺寸到來。隨著可穿戴設(shè)備和遠程患者監(jiān)護儀的難題解決,并以更低、更實惠的價格將更優(yōu)質(zhì)的設(shè)備(尺寸更小且具有連接性)推向市場,醫(yī)學(xué)界將見證新的貼片被迅速采用。從發(fā)達國家的醫(yī)院到發(fā)展中國家的遠程醫(yī)療中心再到戰(zhàn)場上的傷兵診斷,可穿戴設(shè)備的快速發(fā)展正改變著醫(yī)療環(huán)境,且有助于提供更好的診療。

圖2:增加低泄漏負荷開關(guān),降低停機電流

參考資料

 用于醫(yī)療和消費類可穿戴設(shè)備的無線 ECG、SpO2、PTT 和心率監(jiān)測儀參考設(shè)計 

 適用于可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)的輕負載效率、低噪聲電源參考設(shè)計 

 “ 無線連接技術(shù)選擇指南 ” 

“ 采用CC13x2和CC26x2傳感器控制器的超低功率設(shè)計 ”