原電池供電遠(yuǎn)程患者監(jiān)護(hù)儀的電源設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

遠(yuǎn)程患者監(jiān)護(hù)儀 （RPM） 不斷發(fā)展，包括更多功能，使醫(yī)生能夠更深入地了解患者的健康狀況。這些功能對(duì)為顯示器供電的單節(jié)電池提出了更高的要求。本文為ECG遠(yuǎn)程患者監(jiān)護(hù)貼片提供電源解決方案，以延長(zhǎng)電池壽命以利用這些功能。本文還介紹了準(zhǔn)確估計(jì) RPM 電池壽命的策略，以及在 RPM 通電之前延長(zhǎng)電池壽命的方法。

介紹

物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 革命使醫(yī)療保健提供商利用技術(shù)為患者提供實(shí)時(shí)護(hù)理的方式發(fā)生了范式轉(zhuǎn)變。如今，遠(yuǎn)程患者監(jiān)控是新醫(yī)療設(shè)備正在改變醫(yī)生與患者互動(dòng)方式的一個(gè)領(lǐng)域。更小的IC和無線通信使幾十年前的設(shè)備能夠更新為增強(qiáng)的功能外形，從而提高患者的依從性和結(jié)果。取代過去笨重的動(dòng)態(tài)心電圖設(shè)備，目前的遠(yuǎn)程患者監(jiān)測(cè)補(bǔ)丁包括各種傳感器，用于收集心率、溫度和加速度計(jì)數(shù)據(jù)。這些補(bǔ)丁將患者數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫?，允許患者和醫(yī)生實(shí)時(shí)訪問數(shù)據(jù)。

雖然這些器件提高了醫(yī)生提供更好的護(hù)理的能力，但它們給必須平衡系統(tǒng)性能和電池壽命要求的電源設(shè)計(jì)人員帶來了挑戰(zhàn)。隨著第二代貼片采用多模態(tài)檢測(cè)來提高精度和效率，挑戰(zhàn)進(jìn)一步增加，這反過來又增加了對(duì)電源的要求。

在本文中，我們將參考圖1所示的ECG RPM貼片示例。該貼片持續(xù)監(jiān)測(cè)心電圖和加速度計(jì)，同時(shí)每 15 分鐘檢查一次溫度。數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙低功耗 （BLE） 每 2 小時(shí)傳輸一次，每天總共 12 次 BLE 交易.此修補(bǔ)程序包含三種不同的模式，每種模式具有不同的負(fù)載配置文件：標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)控、溫度監(jiān)控和傳輸模式。在標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)模式下，僅監(jiān)測(cè)心電圖和加速度計(jì)。在溫度監(jiān)控模式下，監(jiān)控一個(gè)額外的溫度傳感器。在傳輸模式下，BLE無線電在傳輸數(shù)據(jù)的同時(shí)監(jiān)控ECG和加速度計(jì)數(shù)據(jù)。?

圖1.心電圖貼片電源示意圖。235 mAh 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。

電源挑戰(zhàn)

設(shè)計(jì) RPM（例如 ECG 貼片）給電源設(shè)計(jì)人員帶來了多重挑戰(zhàn)。該設(shè)計(jì)通?？臻g受限，具有多個(gè)傳感器的貼片可能需要多個(gè)電源軌。由于RPM貼片通常為一次性產(chǎn)品，因此紐扣電池通常是設(shè)計(jì)人員可用的最具成本效益的電源。僅使用紐扣電池為貼片供電，設(shè)計(jì)人員還必須認(rèn)識(shí)到電源子系統(tǒng)的效率。

對(duì)于電源設(shè)計(jì)人員來說，一個(gè)經(jīng)常被忽視的挑戰(zhàn)是延長(zhǎng)產(chǎn)品的保質(zhì)期。關(guān)斷電流和電池自放電會(huì)縮短任何系統(tǒng)的使用壽命。因此，設(shè)計(jì)人員必須確定RPM貼片在典型的保質(zhì)期后是否可以滿足工作時(shí)間要求，如果不能，可以采取哪些步驟來保持電池壽命。 修補(bǔ)程序到達(dá)最終用戶。

確定電池運(yùn)行時(shí)間

為了準(zhǔn)確確定電源解決方案是否滿足電池壽命要求，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)于我們使用的遠(yuǎn)程患者監(jiān)護(hù)補(bǔ)丁，我們將考慮之前介紹的三種不同的操作模式：標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)、溫度監(jiān)控和 傳輸模式。

在標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)控模式下，圖1所示貼片的電流消耗（包括每個(gè)降壓轉(zhuǎn)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)控模式下，每15分鐘200 ms的電流消耗為1.95 mA。在傳輸模式下，當(dāng)補(bǔ)丁傳輸時(shí)，電流消耗為 7.90 mA，每 2 小時(shí)持續(xù) 30 秒 數(shù)據(jù)來自 BLE。這些值可以在相應(yīng)的器件數(shù)據(jù)手冊(cè)中找到，方法是查看有功和靜態(tài)電流規(guī)格。

要開始負(fù)載曲線分析，使用一天中每種操作模式的時(shí)間段確定占空比計(jì)算。使用公式1：

這為我們提供了表 1 中所示的補(bǔ)丁的占空比。

使用圖 2 中的負(fù)載曲線，我們可以計(jì)算補(bǔ)丁的電流消耗。取每種工作模式的有效電流消耗，每天的平均電流消耗可以從公式2中近似得出：

下面是一個(gè)計(jì)算示例：

標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)控模式電流/天 = 標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)控模式電流 × 標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)控模式占空比 × 24 小時(shí)

標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)控模式電流 = 1.88 mA

標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)控模式占空比 = 0.9956

標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)控模式 每天電流 = 1.88 mA × 0.9956 × 24 小時(shí) = 44.92 mAh/天

一旦找到每種工作模式每天的電流消耗，就可以通過公式3確定電池的使用壽命：

下面是一個(gè)計(jì)算示例：

電池容量 = 235 mAh

標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)控模式每天電流 = 44.92 mAh/天

溫度監(jiān)控模式每天電流 = 0.01 mAh/天

每天傳輸模式電流 = 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 天運(yùn)行時(shí)間要求，電池壽命超過 5.1 天。然而，這是欺騙性的，因?yàn)檫@沒有考慮系統(tǒng)的保質(zhì)期。在醫(yī)療器械行業(yè)，最佳做法是設(shè)計(jì) 14 個(gè)月的保質(zhì)期（12 個(gè)月在貨架上，兩個(gè)月在運(yùn)輸中）。

保質(zhì)期注意事項(xiàng)

使用CR2032電池典型的每年1%至2%的自放電率，將系統(tǒng)中器件的關(guān)斷電流相加，可以看到，14個(gè)月后，電池沒有足夠的容量來支持5天的運(yùn)行時(shí)間，需要電池密封。

貨架上14個(gè)月后的電池容量將嚴(yán)重減少。CR2032 近 40% 的能量將被關(guān)斷電流和電池自漏耗消耗，同時(shí)閑置在架子上。將該電池容量插入公式3，可以確定更精確的運(yùn)行時(shí)間：

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

在架子上放置一年以上時(shí)，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。電池自放電是電池化學(xué)和環(huán)境的函數(shù)。CR2032電池具有鋰錳化學(xué)性質(zhì)，每年的自放電率為1%至2%。在一年結(jié)束時(shí)，紐扣電池在休眠狀態(tài)下可能會(huì)失去2%的容量。同時(shí)，BR2032電池具有一氟化鋰化學(xué)性質(zhì)，自放電率為每年0.3%。很容易假設(shè)應(yīng)用的最佳電池化學(xué)成分是放電率最低的電池，但事實(shí)并非如此。雖然BR2032電池的放電率較低，但它的容量也低于2032 mAh的CR2032電池。通過使用前面的公式重新計(jì)算，可以確定這種低容量電池是否足夠。

在此ECG貼片中，IC關(guān)斷電流是系統(tǒng)斷電時(shí)縮短電池壽命的最大因素。當(dāng)IC被禁用且沒有活動(dòng)負(fù)載時(shí)，會(huì)消耗關(guān)斷電流。這些電流通常是由于IC中的泄漏和IC內(nèi)的ESD保護(hù)器件引起的，即使在沒有負(fù)載時(shí)也會(huì)消耗少量電流。這些電流通常很小 （低于 1 μA），但會(huì)對(duì)電池壽命產(chǎn)生巨大影響。在此RPM補(bǔ)丁中，關(guān)斷電流可以在一年內(nèi)使電池容量減少多達(dá)40%。電池密封件可用于限制系統(tǒng)在關(guān)斷時(shí)從電池吸收過多電流。

電池密封件的兩種常見選擇是聚酯薄膜拉片形式的機(jī)械電池密封件和負(fù)載開關(guān)形式的電池密封件。聚酯薄膜/塑料拉片提供機(jī)械電池密封，塑料片位于電池和系統(tǒng)之間。當(dāng)設(shè)備準(zhǔn)備好使用時(shí)，用戶只需拔出塑料片，電池就開始為系統(tǒng)供電。這是一種簡(jiǎn)單、便宜且經(jīng)過驗(yàn)證的機(jī)械電池密封，已經(jīng)使用多年。但是，對(duì)于醫(yī)療設(shè)備，此解決方案并不總是可行的。對(duì)于需要防水的心電圖貼片，聚酯薄膜突出的槽會(huì)使貼片容易受到水的損壞。此外，對(duì)于靈活性低的最終用戶來說，小塑料標(biāo)簽可能難以使用。

一個(gè)簡(jiǎn)單的負(fù)載開關(guān)，如 Vishay SiP32341，將是電池密封的絕佳選擇。該器件是一個(gè)FET，當(dāng)打開時(shí)，會(huì)阻止電池與系統(tǒng)其余部分的連接，使SiP32341關(guān)斷電流成為電池的唯一消耗。負(fù)載開關(guān)具有一條邏輯控制線，當(dāng)設(shè)備準(zhǔn)備好使用時(shí)，可以通過按鈕打開該線路。SiP32341 具有 14 pA典型關(guān)斷電流，在沒有電池密封的情況下，這比整個(gè)系統(tǒng)的電流消耗有了顯著改善。當(dāng)SiP32341用作電池密封件時(shí)，CR2032原電池在14個(gè)月內(nèi)保持其99.97%的容量。當(dāng)不使用電池密封來保護(hù)電池免受ECG貼片關(guān)斷電流的影響時(shí)，CR2032原電池僅保留其原始電量的62.39%。這 37% 的容量差異使 ECG 貼片在 14 個(gè)月的保質(zhì)期后能夠滿足 5 天的要求。

電池密封通過防止系統(tǒng)中的所有設(shè)備從電池吸收關(guān)斷電流來保持電池容量。RPM 補(bǔ)丁閑置 14 個(gè)月后，超過 99.9% 的電池容量剩余。

將該電池容量插入公式3，可以確定更精確的運(yùn)行時(shí)間：

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

系統(tǒng)處于活動(dòng)狀態(tài)和關(guān)斷/低功耗模式時(shí)的電池分析對(duì)于設(shè)計(jì)滿足醫(yī)療設(shè)備所有要求的電源至關(guān)重要。雖然本文專門討論了通過BLE通信收集心率，溫度和加速度數(shù)據(jù)的ECG貼片，但本文中的分析和原理可以應(yīng)用于由原電池供電的醫(yī)療設(shè)備系統(tǒng)。

審核編輯：郭婷