滿足醫(yī)療設(shè)備電池的功率預(yù)算和尺寸要求

許多醫(yī)療設(shè)備使用來(lái)自電網(wǎng)的交流電和備用電池。這與典型的手持式消費(fèi)類設(shè)備（如智能手機(jī)或平板電腦）所需的功率預(yù)算形成了鮮明的對(duì)比。這意味著，在許多情況下，電池僅作為備份真正發(fā)揮作用，或者在設(shè)備在醫(yī)院周圍移動(dòng)時(shí)發(fā)揮作用。

但是，醫(yī)療器械環(huán)境中也有例外。例如，救護(hù)車上的吸氣器通常主要由電池供電。它將具有交流電源選項(xiàng)以及從電網(wǎng)充電。

創(chuàng)建功率預(yù)算

為了創(chuàng)建功率預(yù)算，醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)人員必須決定設(shè)備的當(dāng)前要求，包括需求，例如屏幕尺寸，壓縮機(jī)（如果需要），內(nèi)置泵或風(fēng)扇以及任何板載計(jì)算需求。這將使設(shè)計(jì)人員能夠確定需要多少功率，當(dāng)與運(yùn)行時(shí)結(jié)合使用時(shí)，這將產(chǎn)生功率預(yù)算。

管理設(shè)備功率預(yù)算的最佳方法是關(guān)閉不需要的東西 - 就像湯姆·漢克斯和桑德拉·布洛克在他們的電影中所做的那樣。例如，可以降低設(shè)備上的處理器速度或使屏幕變暗。

然后，在制定電池電源策略時(shí)，首先要回答的問題是需要多少電池來(lái)提供必要的功率。例如，如果功率預(yù)算為50瓦時(shí)（Wh），則容量小于100 Wh的單個(gè)鋰離子電池將綽綽有余。

這聽起來(lái)很簡(jiǎn)單，但是當(dāng)在設(shè)備、其電源要求和電池之間的關(guān)系中添加進(jìn)一步的功能時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)問題。例如，如果在使用過程中需要熱插拔電池，例如在保持患者心臟或肺部功能的灌注系統(tǒng)上，則設(shè)計(jì)中必須至少有兩個(gè)電池。即使在非熱插拔環(huán)境中只有一個(gè)可以滿足功率預(yù)算，情況也是如此。

在灌注系統(tǒng)示例中，設(shè)計(jì)將讓一個(gè)電池在大部分時(shí)間工作，另一個(gè)電池在熱插拔期間提供電力。在交換期間留在設(shè)備中的第一個(gè)電池稱為橋接電池。充電后，從橋接電池切換回可拆卸電池通常是自動(dòng)的。

熱插拔允許設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，而無(wú)需求助于電網(wǎng)的交流電源。唯一的限制是可用的充電備用電池的數(shù)量以及橋接電池的使用壽命，橋接電池本身最終會(huì)耗盡。利用這種橋接技術(shù)的醫(yī)療系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)際例子是用于患者運(yùn)輸?shù)暮粑鼨C(jī)。

關(guān)鍵是橋接電池必須能夠自行運(yùn)行整個(gè)設(shè)備。熱插拔在多個(gè)電池平均共享所有電池的電流的系統(tǒng)中不起作用。

醫(yī)療設(shè)備不斷變化的需求

技術(shù)在不斷變化，變得越來(lái)越小，越來(lái)越高效。因此，原始設(shè)備制造商（OEM）通常需要減少電池的占地面積，以減小設(shè)備本身的尺寸。這些尺寸減小需求是由對(duì)便攜性、消費(fèi)技術(shù)仿真或使用設(shè)備的醫(yī)療專業(yè)人員的需求增加所驅(qū)動(dòng)的。

為了符合要求，始終可以使用較小的電池，但OEM必須接受這將導(dǎo)致運(yùn)行時(shí)間縮短，循環(huán)壽命縮短或低溫性能差。

通用驅(qū)動(dòng)是設(shè)計(jì)一種更小更輕的設(shè)備，但電池往往是最后的想法，這可能會(huì)產(chǎn)生功率預(yù)算問題。請(qǐng)記住，電池沒有摩爾定律;鋰離子技術(shù)是能量密度最高，商業(yè)上可行的存儲(chǔ)功率的方式，如果不存儲(chǔ)更少的功率，它就無(wú)法變得更小。設(shè)計(jì)受到可用金屬的化學(xué)偶聯(lián)的限制。

在理想的世界中，很難為OEM提供他們想要的所有性能特征。因此，關(guān)于原始規(guī)范的哪些元素最重要，以及哪些元素可以取消優(yōu)先級(jí)的談判至關(guān)重要。

功率預(yù)算指標(biāo)

計(jì)算功率預(yù)算需要考慮諸如所需的輸入工作電壓、器件消耗的功率（用于計(jì)算所需電流）、預(yù)計(jì)運(yùn)行時(shí)間、允許電池重新充電多長(zhǎng)時(shí)間、可能的工作溫度、占空比和整體壽命等因素。

通常在醫(yī)療應(yīng)用中，在高溫下良好操作是比低溫操作更重要的問題。電池位于設(shè)備內(nèi)部，溫度可以連續(xù)高達(dá)120°F（49°C）。相比之下，充電需求在很大程度上是一場(chǎng)可移動(dòng)的盛宴;有些應(yīng)用必須電池在一小時(shí)內(nèi)充電，而有些應(yīng)用則需要24小時(shí)充電時(shí)間。

根據(jù)醫(yī)療應(yīng)用的不同，電池壽命也可能是一個(gè)完全不同的要求。在某些情況下，每年更換電池是可以的 - 從實(shí)際和財(cái)務(wù)角度來(lái)看。但是，如果為常用應(yīng)用設(shè)計(jì)的電池只能進(jìn)行300次循環(huán)，也就是說300次完全充電和300次完全放電，那么它甚至不太可能持續(xù)一年。醫(yī)院預(yù)計(jì)電池可以使用兩到三年。

認(rèn)證要求

在醫(yī)療環(huán)境中，電池滿足嚴(yán)格的安全標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要。例如，對(duì)于通過 IEC/EN60601-1 第 3 版認(rèn)證的醫(yī)療設(shè)備，必須根據(jù) IEC62133 對(duì)電池進(jìn)行測(cè)試。

在美國(guó)，電池可能還需要經(jīng)過UL2054測(cè)試，在歐洲，它需要CE標(biāo)志以確認(rèn)符合所有適用的歐盟法規(guī)。所有鋰離子電池的運(yùn)輸測(cè)試都是強(qiáng)制性的，能量超過100 Wh的電池的運(yùn)輸受到更嚴(yán)格的監(jiān)管。

但是，如果電池需要提供超過 100 Wh 的容量，則將其細(xì)分通常是明智的。這具有提高可靠性并允許熱插拔功能以及將其從危險(xiǎn)品分類中刪除的額外好處。最后，在美國(guó)，醫(yī)療器械制造商需要接受FDA審核，電池合作伙伴應(yīng)該能夠提供所有相關(guān)的測(cè)試證書，以便令人滿意地完成審核。

在這種情況下，設(shè)計(jì)人員可以采用預(yù)先測(cè)試和認(rèn)證的電池系列，例如安科銳的Entellion系列，并將它們?cè)O(shè)計(jì)成設(shè)備。這節(jié)省了大量的研究和評(píng)估時(shí)間，從而縮短了上市時(shí)間。

案例研究：減小電池尺寸

在最近的一次應(yīng)用中，一位現(xiàn)有客戶要求 Accutronics 將其產(chǎn)品的厚度減少 50%，以保持領(lǐng)先于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。這是通過從具有重型鋁罐的傳統(tǒng)鋰離子棱柱形電池轉(zhuǎn)向使用鋰聚合物技術(shù)（如平板電腦中使用的技術(shù)）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這導(dǎo)致更大的占地面積，但電池更薄。從液體電解質(zhì)轉(zhuǎn)移到凝膠是允許這種減少可能的一個(gè)因素。

這種對(duì)平板電腦技術(shù)的模擬可能聽起來(lái)很簡(jiǎn)單，但人們必須考慮到平板電腦通常有一個(gè)電池，而這個(gè)設(shè)備需要九個(gè)電池來(lái)提供其功率預(yù)算，并且電池必須是可拆卸的。此外，在設(shè)備使用壽命期間必須將其取出以進(jìn)行更換時(shí)，嵌入電池以節(jié)省空間不是一種選擇。

滿足困難的醫(yī)療設(shè)備功率預(yù)算

完整的設(shè)計(jì)過程可能看起來(lái)很艱巨，但如果要滿足新醫(yī)療設(shè)備的功率預(yù)算，這一點(diǎn)至關(guān)重要。這當(dāng)然比設(shè)計(jì)師在阿波羅13號(hào)和重力結(jié)束時(shí)發(fā)現(xiàn)自己陷入絕望的功率預(yù)算困境要好得多。

審核編輯：郭婷