醫(yī)療設(shè)備正逐漸從便攜式設(shè)備發(fā)展為可穿戴式設(shè)備

醫(yī)療保健不再是醫(yī)院的專(zhuān)利，它們與人們?nèi)粘Ｉ畹年P(guān)系日益緊密。醫(yī)療設(shè)備正逐漸從便攜式設(shè)備發(fā)展為可穿戴式設(shè)備，這樣就意味著設(shè)備應(yīng)能夠長(zhǎng)期連續(xù)使用。這些新設(shè)備給設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了許多新的挑戰(zhàn)。本文將探討其中一些挑戰(zhàn)并給出解決之策。

藥物灌注療法人體可穿戴的醫(yī)療設(shè)備并不新鮮。許多人都熟悉尼古丁貼片和暈動(dòng)病貼片之類(lèi)的可穿戴式產(chǎn)品。它們?yōu)樾乱淮?a target="_blank">電子產(chǎn)品奠定了基礎(chǔ)。電離子透入貼片就是這種新生代產(chǎn)品的其中一員。

電離子透入療法通過(guò)電流使藥物透過(guò)皮膚完成注入。透皮藥物電離后溶解在水溶液中，并敷在貼片中的電極上。然后，這種經(jīng)過(guò)特殊配制的電離混合物可在直流電流的作用下透過(guò)皮膚，如圖1所示。目前使用的大多數(shù)貼片可在任何部位佩戴數(shù)分鐘到數(shù)小時(shí)，具體取決于藥物和所治療的病癥。

圖1：典型電離子透入過(guò)程電離子透入療法具有多種優(yōu)勢(shì)。首先，藥品可在局部達(dá)到極高的劑量水平，而不像注射器注射那樣使藥品分布在全身。這種局部用藥治療方法能提高療效并減小副作用。

隨著電子技術(shù)（如開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)）以及經(jīng)濟(jì)高效的高性能MCU的發(fā)展，生產(chǎn)低成本的一次性藥物分配器已成為可能。許多消費(fèi)者已經(jīng)在使用自助式電離子透入產(chǎn)品針對(duì)多種病癥（包括頭痛、感冒瘡和皺紋）進(jìn)行給藥。

設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)電離子透入貼片之類(lèi)的設(shè)備時(shí)面臨眾多挑戰(zhàn)，其中最大的挑戰(zhàn)是關(guān)鍵電子元件位于設(shè)備的可穿戴部分，而該部分在使用一次后就會(huì)被丟棄。這種情況迫使貼片電子元件必須小巧且廉價(jià)。同時(shí)，由于這是小型的一次性產(chǎn)品，電池成本和容量使設(shè)計(jì)受到了進(jìn)一步限制。而且，設(shè)計(jì)方案還應(yīng)便于修改以實(shí)現(xiàn)其他功能，例如更改藥物劑量和灌注的持續(xù)時(shí)間。

要使藥物透過(guò)皮膚完成注入，設(shè)備必須產(chǎn)生足夠的電壓，以提供能在規(guī)定的一段時(shí)間內(nèi)維持特定注入劑量率所需的電流。設(shè)計(jì)成本敏感的小型電離子透入設(shè)備所要完成的工作，可以像直流/直流升壓轉(zhuǎn)換器那樣簡(jiǎn)單，它可驅(qū)動(dòng)受控電流通過(guò)皮膚，并使用單片機(jī)（MCU）控制轉(zhuǎn)換器。

升壓穩(wěn)壓器用于將電池的低電壓升高到足夠高的水平，從而使所需電流通過(guò)皮膚?？墒褂昧畠r(jià)的紐扣式鋰電池或者堿性電池為貼片電子元件供電。

要同時(shí)滿(mǎn)足成本和功能要求，則需要小巧又高度集成的MCU.Microchip的8引腳8位PIC12F1822 MCU就可用于這種設(shè)備，其具有內(nèi)部10位ADC、固定參考電壓、比較器、PWM、硬件定時(shí)器和EEPROM，可滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的集成要求。固定參考電壓可消除對(duì)穩(wěn)壓器或外部參考電壓源的需求，并使設(shè)計(jì)保持在8引腳MCU范疇內(nèi)，以降低成本并減小電路板尺寸。

長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)電子技術(shù)的創(chuàng)新正在推動(dòng)穿戴式醫(yī)療設(shè)備的發(fā)展，患者可長(zhǎng)期將設(shè)備穿戴在身上，從而提高生活質(zhì)量和醫(yī)療保健質(zhì)量。連續(xù)血糖監(jiān)測(cè)儀和可穿戴式心臟監(jiān)護(hù)儀正是此類(lèi)設(shè)備的兩個(gè)眾所周知的示例。

排卵預(yù)測(cè)系統(tǒng)是此類(lèi)設(shè)備的一個(gè)特例，它將設(shè)備的長(zhǎng)期使用帶到了一個(gè)全新高度。該設(shè)備已被想要獲得最大懷孕機(jī)會(huì)的女性廣為使用。DuoFertility品牌的生育監(jiān)測(cè)器就是這樣一種可穿戴式設(shè)備，如圖2所示。此設(shè)備由Cambridge Temperature Concepts制造，集成了許多對(duì)于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通常必不可少的特性。

圖2：生育監(jiān)測(cè)器的閱讀器和傳感器女性體內(nèi)的排卵過(guò)程與基礎(chǔ)體溫的微小變化相關(guān)聯(lián)。準(zhǔn)確測(cè)量多個(gè)月經(jīng)周期內(nèi)的體溫變化可有助于估算排卵日。

連續(xù)血糖監(jiān)測(cè)儀可設(shè)計(jì)成最多連續(xù)工作一周，而生育監(jiān)測(cè)設(shè)備上的傳感器可連續(xù)測(cè)量基礎(chǔ)體溫長(zhǎng)達(dá)六個(gè)月。該設(shè)備使用此信息進(jìn)行預(yù)測(cè)，最多可提前六天預(yù)測(cè)出排卵活動(dòng)。持續(xù)監(jiān)測(cè)微小的體溫變化可消除女性必須手動(dòng)測(cè)量體溫時(shí)可能產(chǎn)生的許多變數(shù)。

此類(lèi)設(shè)備的設(shè)計(jì)人員所面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)是設(shè)計(jì)出可連續(xù)佩戴數(shù)月的物理外形。在此例中，解決方案是制造由兩個(gè)部分組成的系統(tǒng)。硬幣大小的傳感器單元通過(guò)具有生物相容性的粘性貼片附在用戶(hù)身體上。手持式閱讀器單元用于分析數(shù)據(jù)，并允許用戶(hù)將數(shù)據(jù)傳送給醫(yī)務(wù)專(zhuān)業(yè)人員進(jìn)行深入分析。這種功能劃分可以使人體佩戴的傳感器盡可能小和輕。監(jiān)測(cè)器的傳感器和閱讀器框圖如圖3所示。

圖3：傳感器和閱讀器的框圖另一個(gè)挑戰(zhàn)是預(yù)見(jiàn)用戶(hù)所處的所有環(huán)境以及用戶(hù)可能參與的活動(dòng)。由于使用期長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)月，可穿戴式設(shè)備必須適應(yīng)各種情況，包括睡覺(jué)、運(yùn)動(dòng)、淋浴甚至是滑雪。在這種情況下，傳感器的設(shè)計(jì)及其包裝必須使精確測(cè)量溫度成為可能，無(wú)論是傳感器處于對(duì)外界開(kāi)放的狀態(tài)還是被用戶(hù)的胳膊覆蓋。設(shè)計(jì)人員使用一對(duì)匹配的熱敏電阻來(lái)解決此問(wèn)題。這兩個(gè)熱敏電阻可測(cè)量溫度以及從傳感器一側(cè)到另一側(cè)的熱流，使傳感器的精度達(dá)到千分之幾度。此外，在傳感器設(shè)計(jì)中集成了一個(gè)加速計(jì)，從而可考慮到用戶(hù)的運(yùn)動(dòng)。

人體佩戴的電子元件必須非常小，這意味著可供安裝電池的空間非常有限。因此，傳感器設(shè)計(jì)的另一個(gè)挑戰(zhàn)是保持極低功耗。該傳感器的設(shè)計(jì)人員使用了8位PIC16F886 MCU，以盡可能減小傳感器的電流消耗。他們利用MCU的超低功耗喚醒功能實(shí)現(xiàn)了最小電流消耗。

當(dāng)需要讀數(shù)時(shí)，傳感器通電并進(jìn)行測(cè)量，然后恢復(fù)到休眠模式；所有操作在1 ms內(nèi)完成。這個(gè)短暫的喚醒時(shí)間使設(shè)備設(shè)計(jì)人員可實(shí)現(xiàn)小于1μA的平均功耗，因此使用小型鈕扣式CR1216鋰電池即可滿(mǎn)足設(shè)備連續(xù)工作六個(gè)月的要求。

另一個(gè)挑戰(zhàn)是傳送測(cè)量數(shù)據(jù)。此傳感器模塊使用改進(jìn)的RFID協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送到閱讀器，握住閱讀器靠近傳感器即可啟動(dòng)通信。相對(duì)于數(shù)據(jù)測(cè)量，數(shù)據(jù)傳送需要更高的功耗，因此設(shè)計(jì)人員將傳感器的溫度讀數(shù)保存在16兆字節(jié)的獨(dú)立閃存中，以便最大程度地減少電流消耗。這樣閱讀器數(shù)據(jù)將每隔幾天上傳一次。由于長(zhǎng)期傳感器收集的數(shù)據(jù)可能需要由經(jīng)過(guò)培訓(xùn)的人員進(jìn)行分析，因此創(chuàng)造一種直接且經(jīng)濟(jì)高效的方法來(lái)將測(cè)量數(shù)據(jù)傳送到PC和通過(guò)Internet進(jìn)行通信也是另外一個(gè)重要的設(shè)計(jì)考慮事項(xiàng)。此設(shè)備的第二個(gè)部分——手持式閱讀器即用于此目的。

閱讀器通過(guò)采用nanoWatt技術(shù)的Microchip 16位PIC24FJ256GB106 MCU內(nèi)部的片上USB外設(shè)將數(shù)據(jù)傳送到PC.用戶(hù)可通過(guò)前面板按鈕輸入附加數(shù)據(jù)，這些按鈕通過(guò)MCU的內(nèi)部充電時(shí)間測(cè)量單元（CTMU）和mTouch電容式觸摸技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

設(shè)備制造商可與閱讀器進(jìn)行通信，以提高排卵預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。利用這一功能還可以遠(yuǎn)程重新配置MCU.憑借其靈活性，制造商可以運(yùn)行診斷并將軟件更新發(fā)送到監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

隨著生物學(xué)、生理學(xué)、化學(xué)和電子學(xué)領(lǐng)域的不斷創(chuàng)新，旨在長(zhǎng)期使用的可穿戴式醫(yī)療設(shè)備將提供新的診斷和治療選項(xiàng)，來(lái)應(yīng)對(duì)更多的疾病和病癥。