遠(yuǎn)程患者監(jiān)護(hù)系統(tǒng)面臨的五大設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

作者：Sanjay Pithadia

系統(tǒng)工程師、醫(yī)療領(lǐng)域、系統(tǒng)工程和市場營銷

可穿戴式患者監(jiān)護(hù)儀市場發(fā)展迅速。遠(yuǎn)程患者監(jiān)護(hù)儀幫助醫(yī)生實(shí)時監(jiān)護(hù)患者，由此可預(yù)見醫(yī)療保健領(lǐng)域物聯(lián)網(wǎng)的未來。

遠(yuǎn)程患者監(jiān)護(hù)系統(tǒng)為患者和醫(yī)生節(jié)省了時間，可在門診的基礎(chǔ)上提供患者的關(guān)鍵信息?；颊咭苿有砸惨殉蔀橼厔荩ㄟ^與無線網(wǎng)絡(luò)的安全連接，遠(yuǎn)程患者監(jiān)護(hù)儀可縮短患者就診時間并避免過多電纜的干擾。如今的可穿戴醫(yī)療產(chǎn)品不僅可以測量生命體征，而且還可用作個人應(yīng)急系統(tǒng)。由于這是一種復(fù)雜的終端設(shè)備，致使患者監(jiān)護(hù)儀將面臨五大常見的主要設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)：功耗（或電池壽命）、便攜性（或大?。?、患者安全、數(shù)據(jù)安全傳送和集成。

圖1所示為可穿戴式患者監(jiān)護(hù)儀的高級框圖，重點(diǎn)介紹了電池管理、非隔離式DC/DC電源、隔離和無線接口等子系統(tǒng)。

圖1：可穿戴式患者監(jiān)護(hù)儀的高級框圖

設(shè)計(jì)可穿戴式患者監(jiān)護(hù)儀時面臨的五大挑戰(zhàn)：

電池壽命

便攜式和可穿戴式患者監(jiān)護(hù)儀通常由電池供電。對于消費(fèi)者而言，電池壽命是購買時需要考量的一個關(guān)鍵因素。電池壽命至關(guān)重要，因?yàn)榇蠖鄶?shù)患者監(jiān)護(hù)儀都需進(jìn)行連續(xù)測量和監(jiān)測。電池的供電系統(tǒng)需要仔細(xì)分區(qū)、嚴(yán)格利用空間、有效利用可用電量。在狹小的空間內(nèi)更有效地提供功率的同時，實(shí)現(xiàn)更多功能，延長時間是很重要的。諸如待機(jī)、睡眠、省電、休眠和關(guān)機(jī)等功能對于降低功耗和延長電池壽命至關(guān)重要。喚醒時間和待機(jī)功耗對于無線連接解決方案也起著關(guān)鍵作用。

用戶可以選擇低功耗微控制器（MCU）和模擬集成電路，但如果不優(yōu)化電源管理就無法在設(shè)計(jì)中利用大部分最新技術(shù)。為應(yīng)用選擇正確的電源架構(gòu)以提高效率并延長電池運(yùn)行時間非常重要。

大多數(shù)設(shè)計(jì)人員認(rèn)為開關(guān)控制器或轉(zhuǎn)換器有助于實(shí)現(xiàn)高效的電源方案，而低損耗穩(wěn)壓器（LDO）的效率很差。但是LDO拓?fù)湟阎饾u優(yōu)化，它們可提供極低的降壓電壓。在改善了電池充電器、中軌DC/DC轉(zhuǎn)換器和LDO的前端電源路徑后，仍然可使用負(fù)荷開關(guān)來減少關(guān)斷電流。例如，無線電模塊在深度睡眠或休眠模式下可能消耗超過10 μA的電流。負(fù)荷開關(guān)可將關(guān)機(jī)電流降低到僅10 nA（見圖2）。

圖2：增加低泄漏負(fù)荷開關(guān)，降低停機(jī)電流

便攜性或尺寸

心率監(jiān)測儀、多參數(shù)貼片、連續(xù)血糖監(jiān)測儀、手持式脈搏血氧儀、健身監(jiān)測儀和活動監(jiān)測儀之類的設(shè)備可以是便攜式且可穿戴類型。這些設(shè)備中有許多是一次性設(shè)備，或者需要更換電池，因此對整體的形式要求很嚴(yán)格。

電池類型和充電器裝置的選型；降壓、升壓或降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的選型；無線（或射頻）設(shè)備的封裝選型，所有這些都有助于減小產(chǎn)品的尺寸。

目前有一些新的技術(shù)應(yīng)用在無線MCU內(nèi)部集成了晶體。TI體聲波（BAW）技術(shù)可消除印刷電路板（PCB）的外部晶體足跡，從而減小布局尺寸并簡化布局布線。封裝技術(shù)的改進(jìn)還可幫助實(shí)現(xiàn)更多的集成并節(jié)省空間。

對于遠(yuǎn)程患者監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，TI BAW技術(shù)可通過安全的無線網(wǎng)絡(luò)提供可靠、實(shí)時的患者生命數(shù)據(jù)傳輸。

患者安全

患者安全是全球醫(yī)療衛(wèi)生的優(yōu)先考慮項(xiàng)。便攜式多參數(shù)患者監(jiān)護(hù)儀可以測量生命體征，分別使用數(shù)字隔離器和隔離電源隔離數(shù)據(jù)和電源，來實(shí)現(xiàn)患者安全。與隔離的電源和數(shù)據(jù)相關(guān)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)包括輸出調(diào)節(jié)、反饋機(jī)制、輸入電壓范圍、輸出功率和尺寸考量以及合適的電源架構(gòu)。許多更新的隔離式電源模塊如德州儀器的小型UCC12050 DC / DC轉(zhuǎn)換器，都可通過增強(qiáng)隔離來支持500 mW的輸出功率。

安全的數(shù)據(jù)傳輸

醫(yī)療傳感器補(bǔ)丁和具有無線連接功能的便攜式病人監(jiān)護(hù)儀需要具備一流的安全性。傳遞到護(hù)士站或醫(yī)生辦公室的患者數(shù)據(jù)是專有信息，防止數(shù)據(jù)盜竊是一個非常關(guān)鍵的方面。

多種安全措施可以保護(hù)患者和醫(yī)生之間的知識產(chǎn)權(quán)（IP）和數(shù)據(jù)。這些措施應(yīng)支持防止攻擊和確保病人數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，不僅在處理和轉(zhuǎn)換為顯示用的生命體征參數(shù)時如此，在傳輸過程中也應(yīng)如此。這稱之為無線安全性。

集成

醫(yī)用患者監(jiān)護(hù)儀的開發(fā)時間至關(guān)重要，因?yàn)樯鲜袝r間涉及很多標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室測試和批準(zhǔn)（全球范圍內(nèi)）。通過實(shí)現(xiàn)與各種云供應(yīng)商的連接，可以最小的集成工作量實(shí)現(xiàn)家庭患者監(jiān)護(hù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸，將患者數(shù)據(jù)直接上傳到云端，可以節(jié)省板載存儲卡的空間。

諸如Bluetooth?、低功耗藍(lán)牙和Wi-Fi?之類的平臺之間的代碼兼容性可減少重復(fù)嘗試代碼的次數(shù)。在多核、通用異步收發(fā)器、接口標(biāo)準(zhǔn)和多個通用輸入/輸出方面的集成，為各種系統(tǒng)級需求和現(xiàn)成的接口提供了支持，同時還與其他處理器完成對接。

結(jié)論

醫(yī)用患者監(jiān)護(hù)儀的下一個大浪潮將以極小的尺寸到來。隨著可穿戴設(shè)備和遠(yuǎn)程患者監(jiān)護(hù)儀的難題解決，并以更低、更實(shí)惠的價格將更優(yōu)質(zhì)的設(shè)備（尺寸更小且具有連接性）推向市場，醫(yī)學(xué)界將見證新的貼片被迅速采用。從發(fā)達(dá)國家的醫(yī)院到發(fā)展中國家的遠(yuǎn)程醫(yī)療中心再到戰(zhàn)場上的傷兵診斷，可穿戴設(shè)備的快速發(fā)展正改變著醫(yī)療環(huán)境，且有助于提供更好的診療。

參考資料

用于醫(yī)療和消費(fèi)類可穿戴設(shè)備的無線 ECG、SpO2、PTT 和心率監(jiān)測儀參考設(shè)計(jì)

適用于可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)的輕負(fù)載效率、低噪聲電源參考設(shè)計(jì)

“無線連接技術(shù)選擇指南”

“采用CC13x2和CC26x2傳感器控制器的超低功率設(shè)計(jì)”