設(shè)計(jì)功耗優(yōu)化型醫(yī)療保健可穿戴設(shè)備的最佳實(shí)踐

眾所周知，醫(yī)療保健行業(yè)由于其分散和高度復(fù)雜的系統(tǒng)，是新技術(shù)應(yīng)用的緩慢適應(yīng)者。但在當(dāng)今智能互聯(lián)世界的時(shí)代，醫(yī)療保健世界將進(jìn)行轉(zhuǎn)型，以提供互聯(lián)護(hù)理解決方案。根據(jù)研究，到2025年，物聯(lián)網(wǎng)中的醫(yī)療保健每年將花費(fèi)約1萬億美元。到2025年，將有250億到500億臺(tái)連接設(shè)備，醫(yī)療保健將在其中占有巨大的份額。得益于物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 每周 7 天、每天 24 小時(shí)監(jiān)測(cè)健康狀況，新技術(shù)將顯著改善患者的治療效果和便利性，并降低成本。

設(shè)計(jì)人員面臨的主要挑戰(zhàn)是解決功耗和性能的沖突要求。優(yōu)化的電源管理和低功耗解決方案成為醫(yī)療可穿戴設(shè)計(jì)的必要考慮因素。本文重點(diǎn)介紹醫(yī)療可穿戴設(shè)備的常見功耗方式、功耗優(yōu)化設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

醫(yī)療可穿戴設(shè)備獲取電力的常見方式：

醫(yī)療可穿戴系統(tǒng)是一組涉及數(shù)據(jù)收集、遙測(cè)、分析和警報(bào)的子系統(tǒng)。以下是醫(yī)療可穿戴設(shè)備消耗電源的一些常見方式/場(chǎng)景：

傳感器數(shù)據(jù)應(yīng)連續(xù)/頻繁采樣，以監(jiān)測(cè)患者的器官或行為

數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭苿?dòng)應(yīng)用程序或云需要（在正常健康狀況下，這將是每天一次/兩次）更多的功率

在警報(bào)情況下，快速和頻繁地向監(jiān)控設(shè)施傳輸數(shù)據(jù)會(huì)消耗過多的電力

Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)/藍(lán)牙移動(dòng)設(shè)備不可用會(huì)使醫(yī)療保健可穿戴設(shè)備處于預(yù)定義掃描持續(xù)時(shí)間的搜索模式。在此期間，設(shè)備消耗更多電量

分析患者身體傳感器數(shù)據(jù)的復(fù)雜算法（通常需要更多時(shí)間才能執(zhí)行）需要更多的功率

在低功耗條件下優(yōu)先考慮功能：

連續(xù)使用電池供電的醫(yī)療服和無法按時(shí)使用充電設(shè)施可能會(huì)使電池容量低于閾值限制，從而迫使設(shè)備在低功耗模式下運(yùn)行。但是，仍然需要快速執(zhí)行與患者重要變化或警報(bào)情況監(jiān)控相關(guān)的一些重要核心功能。可穿戴設(shè)備的電源管理方法應(yīng)允許為此類核心功能使用增加的功率。以下是一些這樣的例子：

即使在低功耗模式下，也需要用于監(jiān)測(cè)患者咳嗽/呼吸/喘息音頻模式以識(shí)別哮喘水平的可穿戴設(shè)備來連續(xù)捕獲和分析音頻

在異常情況/警報(bào)情況下，需要將數(shù)據(jù)快速報(bào)告給遠(yuǎn)程醫(yī)療機(jī)構(gòu)

應(yīng)使用振動(dòng)器或顯示設(shè)備通知用戶異常健康狀況

如果與監(jiān)控設(shè)備（云/移動(dòng)應(yīng)用程序）的連接丟失，則需要在電池完全耗盡之前將異常健康狀況數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器中。進(jìn)一步分析情況可能需要這些數(shù)據(jù)

電源優(yōu)化型醫(yī)療可穿戴設(shè)備的架構(gòu)和硬件選擇：

為了幫助設(shè)計(jì)人員應(yīng)對(duì)與醫(yī)療可穿戴設(shè)備相關(guān)的工程挑戰(zhàn)，制造商正在提供片上系統(tǒng)（SoC）解決方案，該解決方案結(jié)合了高能效微控制器和應(yīng)用處理器，用于復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析/算法。也可以分別選擇它們，并通過通信總線（I2C/UART/SPI 等）進(jìn)行接口。持續(xù)監(jiān)測(cè)患者健康（即連接到患者身體的傳感器）和可穿戴設(shè)備健康（即用于電池監(jiān)控的電量計(jì)）所需的外圍設(shè)備應(yīng)連接到低功耗控制器。

硬件平臺(tái)和組件選擇對(duì)于功耗優(yōu)化的醫(yī)療可穿戴產(chǎn)品設(shè)計(jì)也起著重要作用。以下是需要考慮的幾點(diǎn)：

選擇支持低功耗工作模式和低功耗要求的SoC，RAM，EEPROM，連接外圍設(shè)備（Wi-Fi，LTE，藍(lán)牙）等。在選擇之前，請(qǐng)參閱數(shù)據(jù)表并查看其功率要求

如果可能的話，使用一些現(xiàn)成的平臺(tái)來測(cè)量實(shí)際功耗，做足夠的可行性

與患者一起旅行的醫(yī)療設(shè)備的設(shè)計(jì)必須考慮到粗暴處理以及暴露在極端溫度和潮濕環(huán)境中的風(fēng)險(xiǎn)

計(jì)算存儲(chǔ)患者健康數(shù)據(jù)的內(nèi)存需求。選擇低功耗要求的內(nèi)存

功率優(yōu)化可穿戴設(shè)備的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)技術(shù)：

刪除/禁用未用于設(shè)備操作的不必要的軟件服務(wù)

大多數(shù)時(shí)候，使高級(jí)功耗處理器保持低功耗狀態(tài)。使用超低功耗控制器連續(xù)捕獲數(shù)據(jù)，并在需要時(shí)喚醒高級(jí)處理器

智能藍(lán)牙或低功耗藍(lán)牙?會(huì)自動(dòng)內(nèi)置于大多數(shù)新智能手機(jī)中，因此是可穿戴設(shè)備無線通信的標(biāo)準(zhǔn)

將復(fù)雜的分析算法分為兩個(gè)步驟。第一步是在低功耗控制器上運(yùn)行的簡單算法，用于分析異常情況的可能性。第二步是在高級(jí)功耗處理器上運(yùn)行復(fù)雜的算法，以確認(rèn)異常情況

在健康狀況正常的情況下，減少向遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)施傳輸數(shù)據(jù)的頻率

不要使網(wǎng)絡(luò)掃描持續(xù)時(shí)間超時(shí)期限過長

在設(shè)備的低功耗模式操作情況下禁用非關(guān)鍵功能。即固件升級(jí)、設(shè)備自檢、校準(zhǔn)等。

禁用 SoC 中不需要的外設(shè)時(shí)鐘

定義優(yōu)化的數(shù)據(jù)幀格式，以減少從可穿戴設(shè)備到移動(dòng)應(yīng)用程序/云服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳輸有效載荷

如果可能，用于通知患者異常情況的不同執(zhí)行器（如振動(dòng)器、LED 或顯示器）應(yīng)與連續(xù) ON 超低功耗模式控制器連接，以便在設(shè)備運(yùn)行的大部分時(shí)間內(nèi)保持高級(jí)處理器處于睡眠模式

結(jié)論：

盡管在即將到來的移動(dòng)健康和醫(yī)療保健物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，將有關(guān)鍵組件，包括高靈敏度的生物傳感器，低功耗集成電子電路，低功耗和可靠的無線通信，以及顯然足夠的電源。由于納米技術(shù)和材料的最新進(jìn)展使得能夠?qū)崿F(xiàn)更小、更靈敏的傳感器，消耗更少的能量以及低功耗和更小尺寸的電子產(chǎn)品，對(duì)與其他設(shè)備和移動(dòng)云的通信和交互的日益依賴需要更高的功率來操作新一代設(shè)備。

在設(shè)計(jì)醫(yī)療產(chǎn)品時(shí)，可靠性、準(zhǔn)確性和安全性是需要牢記的重要領(lǐng)域。但是，當(dāng)我們將此類醫(yī)療產(chǎn)品轉(zhuǎn)變?yōu)榭纱┐黝I(lǐng)域時(shí)，其電池壽命也成為需要考慮的一個(gè)非常重要的因素。

審核編輯：郭婷