智能醫療：可穿戴式醫療設備設計挑戰及對策

醫療保健不再是醫院的專(zhuān)利，它們與人們日常生活的關(guān)系日益緊密。醫療設備正逐漸從便攜式設備發(fā)展為可穿戴式設備，這樣就意味著(zhù)設備應能夠長(cháng)期連續使用。這些新設備給設計人員帶來(lái)了許多新的挑戰。本文將探討其中一些挑戰并給出解決之策。

藥物灌注療法人體可穿戴的醫療設備并不新鮮。許多人都熟悉尼古丁貼片和暈動(dòng)病貼片之類(lèi)的可穿戴式產(chǎn)品。它們?yōu)樾乱淮娮赢a(chǎn)品奠定了基礎。電離子透入貼片就是這種新生代產(chǎn)品的其中一員。

電離子透入療法通過(guò)電流使藥物透過(guò)皮膚完成注入。透皮藥物電離后溶解在水溶液中，并敷在貼片中的電極上。然后，這種經(jīng)過(guò)特殊配制的電離混合物可在直流電流的作用下透過(guò)皮膚，如圖1所示。目前使用的大多數貼片可在任何部位佩戴數分鐘到數小時(shí)，具體取決于藥物和所治療的病癥。

圖1：典型電離子透入過(guò)程電離子透入療法具有多種優(yōu)勢。首先，藥品可在局部達到極高的劑量水平，而不像注射器注射那樣使藥品分布在全身。這種局部用藥治療方法能提高療效并減小副作用。

隨著(zhù)電子技術(shù)（如開(kāi)關(guān)電源設計）以及經(jīng)濟高效的高性能MCU的發(fā)展，生產(chǎn)低成本的一次性藥物分配器已成為可能。許多消費者已經(jīng)在使用自助式電離子透入產(chǎn)品針對多種病癥（包括頭痛、感冒瘡和皺紋）進(jìn)行給藥。

設計人員在設計電離子透入貼片之類(lèi)的設備時(shí)面臨眾多挑戰，其中最大的挑戰是關(guān)鍵電子元件位于設備的可穿戴部分，而該部分在使用一次后就會(huì )被丟棄。這種情況迫使貼片電子元件必須小巧且廉價(jià)。同時(shí)，由于這是小型的一次性產(chǎn)品，電池成本和容量使設計受到了進(jìn)一步限制。而且，設計方案還應便于修改以實(shí)現其他功能，例如更改藥物劑量和灌注的持續時(shí)間。

要使藥物透過(guò)皮膚完成注入，設備必須產(chǎn)生足夠的電壓，以提供能在規定的一段時(shí)間內維持特定注入劑量率所需的電流。設計成本敏感的小型電離子透入設備所要完成的工作，可以像直流/直流升壓轉換器那樣簡(jiǎn)單，它可驅動(dòng)受控電流通過(guò)皮膚，并使用單片機（MCU）控制轉換器。

升壓穩壓器用于將電池的低電壓升高到足夠高的水平，從而使所需電流通過(guò)皮膚?？墒褂昧畠r(jià)的紐扣式鋰電池或者堿性電池為貼片電子元件供電。

要同時(shí)滿(mǎn)足成本和功能要求，則需要小巧又高度集成的MCU.Microchip的8引腳8位PIC12F1822 MCU就可用于這種設備，其具有內部10位ADC、固定參考電壓、比較器、PWM、硬件定時(shí)器和EEPROM，可滿(mǎn)足設計的集成要求。固定參考電壓可消除對穩壓器或外部參考電壓源的需求，并使設計保持在8引腳MCU范疇內，以降低成本并減小電路板尺寸。

長(cháng)期監測電子技術(shù)的創(chuàng )新正在推動(dòng)穿戴式醫療設備的發(fā)展，患者可長(cháng)期將設備穿戴在身上，從而提高生活質(zhì)量和醫療保健質(zhì)量。連續血糖監測儀和可穿戴式心臟監護儀正是此類(lèi)設備的兩個(gè)眾所周知的示例。

排卵預測系統是此類(lèi)設備的一個(gè)特例，它將設備的長(cháng)期使用帶到了一個(gè)全新高度。該設備已被想要獲得最大懷孕機會(huì )的女性廣為使用。DuoFertility品牌的生育監測器就是這樣一種可穿戴式設備，如圖2所示。此設備由Cambridge Temperature Concepts制造，集成了許多對于長(cháng)期監測系統通常必不可少的特性。

圖2：生育監測器的閱讀器和傳感器女性體內的排卵過(guò)程與基礎體溫的微小變化相關(guān)聯(lián)。準確測量多個(gè)月經(jīng)周期內的體溫變化可有助于估算排卵日。

連續血糖監測儀可設計成最多連續工作一周，而生育監測設備上的傳感器可連續測量基礎體溫長(cháng)達六個(gè)月。該設備使用此信息進(jìn)行預測，最多可提前六天預測出排卵活動(dòng)。持續監測微小的體溫變化可消除女性必須手動(dòng)測量體溫時(shí)可能產(chǎn)生的許多變數。

此類(lèi)設備的設計人員所面臨的一個(gè)挑戰是設計出可連續佩戴數月的物理外形。在此例中，解決方案是制造由兩個(gè)部分組成的系統。硬幣大小的傳感器單元通過(guò)具有生物相容性的粘性貼片附在用戶(hù)身體上。手持式閱讀器單元用于分析數據，并允許用戶(hù)將數據傳送給醫務(wù)專(zhuān)業(yè)人員進(jìn)行深入分析。這種功能劃分可以使人體佩戴的傳感器盡可能小和輕。監測器的傳感器和閱讀器框圖如圖3所示。

圖3：傳感器和閱讀器的框圖另一個(gè)挑戰是預見(jiàn)用戶(hù)所處的所有環(huán)境以及用戶(hù)可能參與的活動(dòng)。由于使用期長(cháng)達幾個(gè)月，可穿戴式設備必須適應各種情況，包括睡覺(jué)、運動(dòng)、淋浴甚至是滑雪。在這種情況下，傳感器的設計及其包裝必須使精確測量溫度成為可能，無(wú)論是傳感器處于對外界開(kāi)放的狀態(tài)還是被用戶(hù)的胳膊覆蓋。設計人員使用一對匹配的熱敏電阻來(lái)解決此問(wèn)題。這兩個(gè)熱敏電阻可測量溫度以及從傳感器一側到另一側的熱流，使傳感器的精度達到千分之幾度。此外，在傳感器設計中集成了一個(gè)加速計，從而可考慮到用戶(hù)的運動(dòng)。

人體佩戴的電子元件必須非常小，這意味著(zhù)可供安裝電池的空間非常有限。因此，傳感器設計的另一個(gè)挑戰是保持極低功耗。該傳感器的設計人員使用了8位PIC16F886 MCU，以盡可能減小傳感器的電流消耗。他們利用MCU的超低功耗喚醒功能實(shí)現了最小電流消耗。

當需要讀數時(shí)，傳感器通電并進(jìn)行測量，然后恢復到休眠模式；所有操作在1 ms內完成。這個(gè)短暫的喚醒時(shí)間使設備設計人員可實(shí)現小于1μA的平均功耗，因此使用小型鈕扣式CR1216鋰電池即可滿(mǎn)足設備連續工作六個(gè)月的要求。

另一個(gè)挑戰是傳送測量數據。此傳感器模塊使用改進(jìn)的RFID協(xié)議將數據發(fā)送到閱讀器，握住閱讀器靠近傳感器即可啟動(dòng)通信。相對于數據測量，數據傳送需要更高的功耗，因此設計人員將傳感器的溫度讀數保存在16兆字節的獨立閃存中，以便最大程度地減少電流消耗。這樣閱讀器數據將每隔幾天上傳一次。由于長(cháng)期傳感器收集的數據可能需要由經(jīng)過(guò)培訓的人員進(jìn)行分析，因此創(chuàng )造一種直接且經(jīng)濟高效的方法來(lái)將測量數據傳送到PC和通過(guò)Internet進(jìn)行通信也是另外一個(gè)重要的設計考慮事項。此設備的第二個(gè)部分——手持式閱讀器即用于此目的。

閱讀器通過(guò)采用nanoWatt技術(shù)的Microchip 16位PIC24FJ256GB106 MCU內部的片上USB外設將數據傳送到PC.用戶(hù)可通過(guò)前面板按鈕輸入附加數據，這些按鈕通過(guò)MCU的內部充電時(shí)間測量單元（CTMU）和mTouch電容式觸摸技術(shù)實(shí)現。

設備制造商可與閱讀器進(jìn)行通信，以提高排卵預測的準確性。利用這一功能還可以遠程重新配置MCU.憑借其靈活性，制造商可以運行診斷并將軟件更新發(fā)送到監測系統。

隨著(zhù)生物學(xué)、生理學(xué)、化學(xué)和電子學(xué)領(lǐng)域的不斷創(chuàng )新，旨在長(cháng)期使用的可穿戴式醫療設備將提供新的診斷和治療選項，來(lái)應對更多的疾病和病癥。