消耗医疗可穿戴设备能源的是什么?

May 8, 2017 Curt Schwaderer, Embedded Computing Design Contributing Editor

可靠性和安全性一直是医疗设计的侧重点。 随着可穿戴设备和便携式设备的出现,可用性也成为了一项关键考虑因素。 电池寿命、适应环境能力和易用性等因素都会影响这些以病人为中心的新设计的商业可行性。

功耗模式

与任何移动设备一样,创建用户友好型设备的最佳方式之一是最大限度地减小尺寸和重量,并将功耗降至最低。 毕竟,您不能让构建出来的纤巧设备搭配一个庞大无比的电池。

设备耗电的一些常见方式包括:

  • 在医疗设备中,GPIO 和 ADC 可能涉及患者生命体征的定期监测
  • 如果涉及剂量,则可能定期激活组件通信总线
  • 当患者提示设备或需要生成警报时,显示器可能会打开
  • 保持连接,以及隔一段时间向医疗设施报告体征可能需要定期通电一段时间,每天一次或两次

灵活电源管理

医疗设备具有独特的电源管理要求,这些要求涉及设备的安全和操作。 关键功能的电源管理必须具有灵活性,以适应更多使用情况,或在患者体征发生某种改变以及需要报警或非预期剂量时立即打开。

以胰岛素泵为例。 在正常情况下,泵无需频繁检查血糖水平。 但是,如果患者的血糖开始迅速下降或上升(例如,如果患者异常活跃或吃含糖零食),则需要提高监测频率。

诸如显示器等不太关键的组件具有较传统的电源管理要求,但仍然需要灵活性。 例如,在正常情况下,显示器可以仅根据用户的请求打开,并只保持打开一小会。 但是如果设备检测到一个负面趋势,显示器可能需要打开,并保持打开状态直到情况好转。

这些不同的组件和电源管理配置文件不断推生新的电源管理策略,其中涉及面向关键、半关键和非关键功能的多个策略。 因此,必须实现医疗设备电源管理功能在逐个组件级别可控。

良好集成

集成对于便携式设备而言也非常重要。 选择包含恰当 I/O 能力的处理器是一个不错的起点。 需要查看的关键功能包括:

  • 用于连接监控血糖水平、心率、血压等指标的传感器的通用 I/O (GPIO) 和模数转换器 (ADC)
  • 用于记录和报告数据的存储器和显示接口
  • 用于互连不同医疗设备和共享患者数据的串行、USB、WiFi 和其他接口

英特尔® Quark™ 微控制器 D2000 就是一个典型示例。 如图 1 所示,该芯片提供了广泛的 I/O 集成和一系列若不使用该芯片则需要额外的组件才能提供的功能。 例如,处理器内置了一个内部稳压器。

图 1. 英特尔 Quark D2000 高度集成。 (资料来源:英特尔)

SoC 中的每个子系统都有自己的电源状态。 这使用于提供关键功能的组件能够实施与非关键组件不同的电源管理策略。

当然,处理器只是设备的一个元素。 要快速开始了解完整设计,工程师可使用诸如 SBS 出品的 Quark-2202 等电路板(图 2)。 这款 25 x 35 mm 的小型电路板使用 RS232/485、I2C 和 SPI 将英特尔 Quark 微控制器 D2000 与划时代的连接器产品结合,以用于串行通信功能。 它还具有 32KB 集成闪存和 8KB OTP 内存。

图 2. SBS Quark-2202 外形纤巧,功能齐全。 (来源:SBS)

耐用性和安全性

患者随身携带的医疗设备可能会受到粗暴处理,还可能会置于极端温度和湿度条件下。 极其耐用的 SBS-2202 设计彰显了这些考虑因素的重要性。 电路板的额定温度范围为 -40℃ 至 + 85℃。 温度监控和自动过温保护可防止潜在的设备损坏。

医疗物联网还需要确保数据和设备安全性。 外部代理登录和控制可能会影响设备安全性,确保医疗设备能够抵御这些方面至关重要。 幸运的是,英特尔 Quark 微控制器 D2000 具有引导加载程序安全功能,该功能能够启用安全软件更新身份认证。 保护患者信息是另一项重要功能,这是通过具有读/写访问控制(用于在设备级别防止患者信息访问)的片上非易失性存储器来解决的。

助力便携式医疗

用户随身携带医疗设备的现象对医疗设备提出了新的要求。 这些产品不但必须满足基本的安全性和可靠性要求,而且必须方便用户使用。 尽管这个挑战所涉及的方面远远不止实现设备外形小巧,但是小巧时尚的设计肯定更加讨喜。

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