ADI健康和醫(yī)療生物傳感應(yīng)用技術(shù)人員Fahad Masood

物聯(lián)網(wǎng)(IoT)革命，使醫(yī)療機(jī)構(gòu)實(shí)時(shí)護(hù)理患者的方式發(fā)生了范式轉(zhuǎn)變。其中，遠(yuǎn)程患者監(jiān)測(cè)，是當(dāng)前新型醫(yī)療設(shè)備改變醫(yī)患互動(dòng)方式的重要領(lǐng)域。隨著集成電路微觀化、無(wú)線技術(shù)演進(jìn)，傳統(tǒng)醫(yī)療設(shè)備舊貌換新顏，功能獲得增強(qiáng)，患者的依從性和療效逐步提高。

來(lái)自電源的挑戰(zhàn)

(資料圖片)

目前，遠(yuǎn)程患者監(jiān)測(cè)貼片取代了傳統(tǒng)笨重的Holter設(shè)備，貼片中包含的各種傳感器，能夠收集心率、溫度和加速計(jì)數(shù)據(jù)，可將患者數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫?，利于患者和醫(yī)生實(shí)時(shí)訪問(wèn)。雖然這些貼片有助于醫(yī)生提升護(hù)理能力，卻給電源設(shè)計(jì)人員帶來(lái)挑戰(zhàn)，他們必須平衡兼顧系統(tǒng)性能與電池壽命要求。隨著第二代貼片采用多模態(tài)傳感來(lái)提高精度和有效性，挑戰(zhàn)進(jìn)一步凸顯，更對(duì)電源提出嚴(yán)苛指標(biāo)。

圖1.ECG貼片電源原理圖。用一個(gè)235 mAh的CR2032紐扣鋰電池為穩(wěn)壓器、微控制器、ECG前端、溫度傳感器和加速度計(jì)供電。

以ECG RPM貼片(如圖1)為例，該貼片可連續(xù)監(jiān)測(cè)ECG和加速計(jì)，同時(shí)每15分鐘檢查一次溫度。數(shù)據(jù)通過(guò)低能耗藍(lán)牙^?(BLE)每2小時(shí)傳輸一次，每天總共進(jìn)行12次BLE傳輸。貼片支持三種不同的負(fù)載模式：標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)、溫度監(jiān)測(cè)和傳輸模式。在標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)模式下，僅監(jiān)控ECG和加速計(jì)。在溫度監(jiān)測(cè)模式下，還要監(jiān)測(cè)另一個(gè)溫度傳感器。在傳輸模式下，BLE無(wú)線電同時(shí)監(jiān)測(cè)ECG和加速計(jì)數(shù)據(jù)，并同步傳輸數(shù)據(jù)。

設(shè)計(jì)RPM，比如ECG貼片，對(duì)電源設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，挑戰(zhàn)會(huì)來(lái)自多個(gè)層面。設(shè)計(jì)通常受到空間方面的限制，帶有多個(gè)傳感器的貼片可能需要多個(gè)電源導(dǎo)軌。由于RPM貼片通常是一次性使用產(chǎn)品，因此設(shè)計(jì)人員一般會(huì)選擇紐扣電池這種經(jīng)濟(jì)高效的電源。如果僅使用紐扣電池為貼片供電，設(shè)計(jì)人員還必須考慮電源子系統(tǒng)的效率。

另外，電源設(shè)計(jì)人員經(jīng)常會(huì)忽視一個(gè)挑戰(zhàn)，是如何延長(zhǎng)產(chǎn)品的保質(zhì)期。由于，關(guān)斷電流和電池自放電會(huì)縮短任何系統(tǒng)的壽命。因此，設(shè)計(jì)人員必須明確RPM貼片在保質(zhì)期之后能否滿足運(yùn)行時(shí)間要求，如果不能，在貼片到達(dá)最終用戶手中之前，可以采取哪些措施來(lái)保持電池壽命。

洞悉電池運(yùn)行時(shí)間

為了準(zhǔn)確掌握電源解決方案是否符合電池壽命要求，必須確定負(fù)載曲線。負(fù)載曲線是系統(tǒng)負(fù)載占空比的簡(jiǎn)單表示。對(duì)于遠(yuǎn)程患者監(jiān)測(cè)貼片來(lái)說(shuō)，可從標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)、溫度監(jiān)測(cè)和傳輸模式三種不同的工作模式入手。

在標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)模式下，圖1所示貼片的電流消耗（包括每個(gè)降壓變換器的330 nA靜態(tài)電流和MCU的電流消耗）為1.88 mA。在溫度監(jiān)測(cè)模式下，電流消耗為1.95 mA，每15分鐘持續(xù)200毫秒。在傳輸模式下，當(dāng)貼片通過(guò)BLE傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，電流消耗為7.90 mA，每2小時(shí)持續(xù)30秒。這些數(shù)值可以在相應(yīng)的設(shè)備數(shù)據(jù)表中查看有源和靜態(tài)電流規(guī)格部分找到。

要進(jìn)行負(fù)載曲線分析，需使用一天中每種工作模式的時(shí)間段來(lái)確定占空比計(jì)算值。使用公式1：

可以得出貼片的占空比，如表1所示。

表1.貼片在不同工作模式下的占空比

溫度測(cè)量百分比（%/天）

0.02%

BLE通信百分比（%/天）

0.42%

ECG監(jiān)測(cè)持續(xù)時(shí)間（%/天）

99.56%

圖2.負(fù)載曲線圖。

利用圖2中的負(fù)載曲線，可以計(jì)算出貼片的電流消耗。取每種工作模式下的有效電流消耗，通過(guò)公式2可以計(jì)算出每天的平均電流消耗近似值。

下面是一個(gè)計(jì)算示例：

標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)模式每天的電流 = 標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)模式電流×標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)模式占空比×24小時(shí)

標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)模式電流 = 1.88 mA標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)模式占空比 = 0.9956

標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)模式每天的電流 = 1.88 mA × 0.9956 × 24小時(shí) = 44.92 mAh/天

一旦確定每種工作模式的每日電流消耗，就可以通過(guò)公式3確定電池的使用壽命。

下面是另一個(gè)計(jì)算示例：

電池容量 = 235 mAh

標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)模式每天的電流 = 44.92 mAh/天

溫度監(jiān)測(cè)模式每天的電流 = 0.01 mAh/天 傳輸模式每天的電流 = 0.79 mAh/天

電池壽命（天）= 235 mAh/（44.92 mAh/天 + 0.01 mAh/天 + 0.79 mA/天）= 5.14天

這些計(jì)算結(jié)果表明，該器件將滿足5天的工作時(shí)間要求，電池壽命超過(guò)5.1天。然而，這個(gè)結(jié)果具有欺騙性，因?yàn)闆](méi)有考慮系統(tǒng)的保質(zhì)期。在醫(yī)療器械行業(yè)，最好是設(shè)計(jì)14個(gè)月的保質(zhì)期（貨架期12個(gè)月，運(yùn)輸期兩個(gè)月）。

必須考量的保質(zhì)期因素

將系統(tǒng)中設(shè)備的關(guān)斷電流相加，同時(shí)使用CR2032電池每年1%到2%的典型自放電率，可以看出，14個(gè)月后，電池的容量不足以支持5天的工作時(shí)間，需要進(jìn)行電池密封。

表2.14個(gè)月后的電池容量

2%電池容量泄漏(mAh)

230.30

待機(jī)電流消耗(mA)

0.0082

保質(zhì)期（小時(shí)）

28085.37

保質(zhì)期（天）

1170.22

保質(zhì)期（年）

3.21

14個(gè)月后的容量(mAh)

146.66

14個(gè)月后剩余容量百分比

63.68

在貨架上放置14個(gè)月后，電池容量將顯著減少。當(dāng)CR2032閑置在貨架上時(shí)，近40%的能量將通過(guò)關(guān)斷電流和電池自泄漏消耗掉。將這個(gè)電池容量代入公式3，可以得出更準(zhǔn)確的運(yùn)行時(shí)間：

電池壽命（天）= 146.66 mAh/（標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)模式+溫度監(jiān)測(cè)模式+傳輸模式）

電池壽命（天）= 146.66 mAh/（44.92 mAh/天 + 0.01 mAh/天 + 0.79 mA/天）= 3.21天

上架時(shí)間超過(guò)一年，電池容量會(huì)受到電池自放電和系統(tǒng)關(guān)斷電流的影響。電池自放電與電池的化學(xué)性質(zhì)和環(huán)境有關(guān)。CR2032電池的化學(xué)成分是鋰錳，每年的自放電率為1%至2%。一年后，紐扣電池在休眠狀態(tài)下可能會(huì)損失2%的容量。對(duì)比之下，BR2032電池的化學(xué)成分是鋰-氟化碳聚合物，每年的自放電率為0.3%。我們通常會(huì)認(rèn)為，最適合應(yīng)用的電池化學(xué)成分是放電率最低的，但事實(shí)并非如此。雖然BR2032電池的放電率較低，但其容量也比200 mAh的CR2032電池低。使用前面的公式重新計(jì)算，可以確定這樣的低容量電池的電量是否足夠。

在這個(gè)ECG貼片中，當(dāng)系統(tǒng)斷電時(shí)，IC關(guān)斷電流是減少電池壽命的最大因素。當(dāng)IC被禁用且無(wú)有效負(fù)載時(shí)，會(huì)產(chǎn)生關(guān)斷電流。這些電流通常是由于IC中漏電和IC內(nèi)的ESD保護(hù)裝置造成的，即使在沒(méi)有負(fù)載的情況下也會(huì)消耗少量的電流。這些電流通常很?。ǖ陀?μA），但對(duì)電池壽命卻有很大的影響。在這個(gè)RPM貼片中，關(guān)斷電流在一年內(nèi)可使電池容量減少多達(dá)40%。使用電池密封可限制系統(tǒng)在關(guān)斷時(shí)從電池中吸取過(guò)多的電流。

電池密封通常采用兩種方式：聚酯薄膜拉片形式的機(jī)械電池密封，以及負(fù)載開(kāi)關(guān)形式的電氣電池密封。聚酯薄膜/塑料拉片是一種機(jī)械電池密封，其中塑料拉片位于電池和系統(tǒng)之間。當(dāng)準(zhǔn)備使用設(shè)備時(shí)，用戶只需拔出塑料片，電池就開(kāi)始為系統(tǒng)供電。這是一種簡(jiǎn)單、低成本、成熟的電池機(jī)械密封，已經(jīng)使用了很多年。然而，對(duì)于醫(yī)療設(shè)備來(lái)說(shuō)，這種解決方案并不是始終可行的。對(duì)于需要防水的ECG貼片來(lái)說(shuō)，聚酯薄膜突出的槽會(huì)使貼片容易被水損壞。此外，對(duì)于不夠靈巧的終端用戶來(lái)說(shuō)，這種小的塑料薄片可能不太好用。

簡(jiǎn)單的負(fù)載開(kāi)關(guān)，如Vishay SiP32341，是電氣電池密封的一個(gè)不錯(cuò)選擇。該器件是一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管，開(kāi)啟時(shí)，可將電池與系統(tǒng)的其它部分隔開(kāi)，使SiP32341的關(guān)斷電流成為電池上唯一的消耗電流。負(fù)載開(kāi)關(guān)有一條邏輯控制線，當(dāng)準(zhǔn)備使用設(shè)備時(shí)，可以通過(guò)按鈕接通。SiP32341的關(guān)斷電流一般為14 pA，與沒(méi)有電池密封時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的電流消耗相比，采用電池密封有顯著改善。如果使用SiP32341作為電池密封件，CR2032原電池在14個(gè)月內(nèi)可保持99.97%的容量。如果不用電池密封件來(lái)保護(hù)電池免受ECG貼片關(guān)斷電流的影響，那么CR2032原電池只能保持62.39%的原始電量。一旦消除這37%的容量差異，可以使ECG貼片在14個(gè)月的保質(zhì)期以后仍能滿足5天的壽命要求。

表3.使用電池密封件14個(gè)月后的電池容量

2%電池容量泄漏(mAh)

230.30

待機(jī)電流消耗(mA)

0.000005

保質(zhì)期（小時(shí)）

46060000.00

保質(zhì)期（天）

1919166.67

保質(zhì)期（年）

5257.99

14個(gè)月后的容量(mAh)

230.25

14個(gè)月后剩余容量百分比

99.98

電池密封件通過(guò)防止系統(tǒng)中的所有設(shè)備消耗電池關(guān)斷電流，從而保持電池容量。在RPM貼片閑置14個(gè)月后，剩余電池容量還保持在99.9%以上。

將這個(gè)電池容量代入公式3，可以得出更準(zhǔn)確的運(yùn)行時(shí)間：

電池壽命（天）= 230.25 mAh/（標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)模式+溫度監(jiān)測(cè)模式+傳輸模式）

電池壽命（天）= 230.25 mAh/（44.92 mAh/天 + 0.01 mAh/天 + 0.79 mA/天）= 5.04天

結(jié)論

在ADI看來(lái)，為了設(shè)計(jì)出能滿足醫(yī)療設(shè)備所有要求的電源，在系統(tǒng)處于活動(dòng)狀態(tài)和關(guān)機(jī)/低功耗模式時(shí)進(jìn)行電池分析至關(guān)重要。通過(guò)BLE通信收集心率、溫度和加速度數(shù)據(jù)的ECG貼片案例不難發(fā)現(xiàn)，基于ADI公司的分析和原理，可以應(yīng)用于由原電池供電的任何數(shù)量的醫(yī)療設(shè)備系統(tǒng)上，供更多設(shè)備廠商參考。

關(guān)于ADI公司

ADI是全球領(lǐng)先的高性能模擬技術(shù)公司，致力于解決最艱巨的工程設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。憑借杰出的檢測(cè)、測(cè)量、電源、連接和解譯技術(shù)，搭建連接現(xiàn)實(shí)世界和數(shù)字世界的智能化橋梁，從而幫助客戶重新認(rèn)識(shí)周圍的世界。詳情請(qǐng)瀏覽ADI官網(wǎng)www.analog.com/cn。

作者簡(jiǎn)介

Fahad Masood是ADI公司健康和醫(yī)療生物傳感應(yīng)用技術(shù)人員。他在醫(yī)療保健、計(jì)算和工業(yè)應(yīng)用的電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方面擁有近十年的經(jīng)驗(yàn)。Fahad獲得了羅徹斯特理工學(xué)院生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)學(xué)士學(xué)位。聯(lián)系方式：fahad.masood@analog.com.

關(guān)鍵詞： 電池容量 電流消耗 溫度監(jiān)測(cè) 設(shè)計(jì)人員 傳輸模式