遠程患者監護系統面臨的五大設計挑戰

可穿戴式患者監護儀市場(chǎng)發(fā)展迅速。遠程患者監護儀幫助醫生實(shí)時(shí)監護患者,由此可預見(jiàn)醫療保健領(lǐng)域物聯(lián)網(wǎng)的未來(lái)。

遠程患者監護系統為患者和醫生節省了時(shí)間,可在門(mén)診的基礎上提供患者的關(guān)鍵信息?；颊咭苿?dòng)性也已成為趨勢,通過(guò)與無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的安全連接,遠程患者監護儀可縮短患者就診時(shí)間并避免過(guò)多電纜的干擾。如今的可穿戴醫療產(chǎn)品不僅可以測量生命體征,而且還可用作個(gè)人應急系統。由于這是一種復雜的終端設備,致使患者監護儀將面臨五大常見(jiàn)的主要設計挑戰:功耗(或電池壽命)、便攜性(或大小)、患者安全、數據安全傳送和集成。

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

圖1:   可穿戴式患者監護儀 的高級框圖

設計可穿戴式患者監護儀時(shí)面臨的五大挑戰:

電池壽命

便攜式和可穿戴式患者監護儀通常由電池供電。對于消費者而言,電池壽命是購買(mǎi)時(shí)需要考量的一個(gè)關(guān)鍵因素。電池壽命至關(guān)重要,因為大多數患者監護儀都需進(jìn)行連續測量和監測。電池的供電系統需要仔細分區、嚴格利用空間、有效利用可用電量。在狹小的空間內更有效地提供功率的同時(shí),實(shí)現更多功能,延長(cháng)時(shí)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(cháng)電池壽命至關(guān)重要。喚醒時(shí)間和待機功耗對于無(wú)線(xiàn)連接解決方案也起著(zhù)關(guān)鍵作用。

用戶(hù)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(wú)法在設計中利用大部分最新技術(shù)。為應用選擇正確的電源架構以提高效率并延長(cháng)電池運行時(shí)間非常重要。

大多數設計人員認為開(kāi)關(guān)控制器或轉換器有助于實(shí)現高效的電源方案,而低損耗穩壓器(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轉換器和LDO的前端電源路徑后,仍然可使用負荷開(kāi)關(guān)來(lái)減少關(guān)斷電流。例如,無(wú)線(xiàn)電模塊在深度睡眠或休眠模式下可能消耗超過(guò)10 μA的電流。負荷開(kāi)關(guān)可將關(guān)機電流降低到僅10 nA(見(jiàn)圖2)。

便攜性或尺寸

心率監測儀、多參數貼片、連續血糖監測儀、手持式脈搏血氧儀、健身監測儀和活動(dòng)監測儀之類(lèi)的設備可以是便攜式且可穿戴類(lèi)型。這些設備中有許多是一次性設備,或者需要更換電池,因此對整體的形式要求很?chē)栏瘛?/span>

電池類(lèi)型和充電器裝置的選型;降壓、升壓或降壓-升壓轉換器的選型;無(wú)線(xiàn)(或射頻)設備的封裝選型,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)應用在無(wú)線(xiàn)MCU內部集成了晶體。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(jiǎn)化布局布線(xiàn)。封裝技術(shù)的改進(jìn)還可幫助實(shí)現更多的集成并節省空間。

對于遠程患者監護系統,TI BAW技術(shù)可通過(guò)安全的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )提供可靠、實(shí)時(shí)的患者生命數據傳輸。

患者安全

患者安全是全球醫療衛生的優(yōu)先考慮項。便攜式多參數患者監護儀可以測量生命體征,分別使用數字隔離器和隔離電源隔離數據和電源,來(lái)實(shí)現患者安全。與隔離的電源和數據相關(guān)的關(guān)鍵設計挑戰包括輸出調節、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。許多更新的隔離式電源模塊如德州儀器的小型 UCC12050 DC / DC轉換器,都可通過(guò)增強隔離來(lái)支持500 mW的輸出功率。

安全的數據傳輸

醫療傳感器補丁和具有無(wú)線(xiàn)連接功能的便攜式病人監護儀需要具備一流的安全性。傳遞到護士站或醫生辦公室的患者數據是專(zhuān)有信息,防止數據盜竊是一個(gè)非常關(guān)鍵的方面。

多種安全措施可以保護患者和醫生之間的知識產(chǎn)權(IP)和數據。這些措施應支持防止攻擊和確保病人數據傳輸的安全,不僅在處理和轉換為顯示用的生命體征參數時(shí)如此,在傳輸過(guò)程中也應如此。這稱(chēng)之為無(wú)線(xiàn)安全性。

集成

醫用患者監護儀的開(kāi)發(fā)時(shí)間至關(guān)重要,因為上市時(shí)間涉及很多標準實(shí)驗室測試和批準(全球范圍內)。通過(guò)實(shí)現與各種云供應商的連接,可以最小的集成工作量實(shí)現家庭患者監護系統數據的傳輸,將患者數據直接上傳到云端,可以節省板載存儲卡的空間。

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

結論

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

圖2:增加低泄漏負荷開(kāi)關(guān),降低停機電流

參考資料

 用于醫療和消費類(lèi)可穿戴設備的無(wú)線(xiàn) ECG、SpO2、PTT 和心率監測儀參考設計 

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

 “ 無(wú)線(xiàn)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計 ”