ADI健康和醫(yī)療生物傳感應用技術人員Fahad Masood

物聯(lián)網(wǎng)(IoT)革命，使醫(yī)療機構(gòu)實時護理患者的方式發(fā)生了范式轉(zhuǎn)變。其中，遠程患者監(jiān)測，是當前新型醫(yī)療設備改變醫(yī)患互動方式的重要領域。隨著集成電路微觀化、無線技術演進，傳統(tǒng)醫(yī)療設備舊貌換新顏，功能獲得增強，患者的依從性和療效逐步提高。

來自電源的挑戰(zhàn)

(資料圖片)

目前，遠程患者監(jiān)測貼片取代了傳統(tǒng)笨重的Holter設備，貼片中包含的各種傳感器，能夠收集心率、溫度和加速計數(shù)據(jù)，可將患者數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫?，利于患者和醫(yī)生實時訪問。雖然這些貼片有助于醫(yī)生提升護理能力，卻給電源設計人員帶來挑戰(zhàn)，他們必須平衡兼顧系統(tǒng)性能與電池壽命要求。隨著第二代貼片采用多模態(tài)傳感來提高精度和有效性，挑戰(zhàn)進一步凸顯，更對電源提出嚴苛指標。

圖1.ECG貼片電源原理圖。用一個235 mAh的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供電。

以ECG RPM貼片(如圖1)為例，該貼片可連續(xù)監(jiān)測ECG和加速計，同時每15分鐘檢查一次溫度。數(shù)據(jù)通過低能耗藍牙^?(BLE)每2小時傳輸一次，每天總共進行12次BLE傳輸。貼片支持三種不同的負載模式：標準監(jiān)測、溫度監(jiān)測和傳輸模式。在標準監(jiān)測模式下，僅監(jiān)控ECG和加速計。在溫度監(jiān)測模式下，還要監(jiān)測另一個溫度傳感器。在傳輸模式下，BLE無線電同時監(jiān)測ECG和加速計數(shù)據(jù)，并同步傳輸數(shù)據(jù)。

設計RPM，比如ECG貼片，對電源設計人員來說，挑戰(zhàn)會來自多個層面。設計通常受到空間方面的限制，帶有多個傳感器的貼片可能需要多個電源導軌。由于RPM貼片通常是一次性使用產(chǎn)品，因此設計人員一般會選擇紐扣電池這種經(jīng)濟高效的電源。如果僅使用紐扣電池為貼片供電，設計人員還必須考慮電源子系統(tǒng)的效率。

另外，電源設計人員經(jīng)常會忽視一個挑戰(zhàn)，是如何延長產(chǎn)品的保質(zhì)期。由于，關斷電流和電池自放電會縮短任何系統(tǒng)的壽命。因此，設計人員必須明確RPM貼片在保質(zhì)期之后能否滿足運行時間要求，如果不能，在貼片到達最終用戶手中之前，可以采取哪些措施來保持電池壽命。

洞悉電池運行時間

為了準確掌握電源解決方案是否符合電池壽命要求，必須確定負載曲線。負載曲線是系統(tǒng)負載占空比的簡單表示。對于遠程患者監(jiān)測貼片來說，可從標準監(jiān)測、溫度監(jiān)測和傳輸模式三種不同的工作模式入手。

在標準監(jiān)測模式下，圖1所示貼片的電流消耗（包括每個降壓變換器的330 nA靜態(tài)電流和MCU的電流消耗）為1.88 mA。在溫度監(jiān)測模式下，電流消耗為1.95 mA，每15分鐘持續(xù)200毫秒。在傳輸模式下，當貼片通過BLE傳輸數(shù)據(jù)時，電流消耗為7.90 mA，每2小時持續(xù)30秒。這些數(shù)值可以在相應的設備數(shù)據(jù)表中查看有源和靜態(tài)電流規(guī)格部分找到。

要進行負載曲線分析，需使用一天中每種工作模式的時間段來確定占空比計算值。使用公式1：

可以得出貼片的占空比，如表1所示。

表1.貼片在不同工作模式下的占空比

溫度測量百分比（%/天）

0.02%

BLE通信百分比（%/天）

0.42%

ECG監(jiān)測持續(xù)時間（%/天）

99.56%

圖2.負載曲線圖。

利用圖2中的負載曲線，可以計算出貼片的電流消耗。取每種工作模式下的有效電流消耗，通過公式2可以計算出每天的平均電流消耗近似值。

下面是一個計算示例：

標準監(jiān)測模式每天的電流 = 標準監(jiān)測模式電流×標準監(jiān)測模式占空比×24小時

標準監(jiān)測模式電流 = 1.88 mA標準監(jiān)測模式占空比 = 0.9956

標準監(jiān)測模式每天的電流 = 1.88 mA × 0.9956 × 24小時 = 44.92 mAh/天

一旦確定每種工作模式的每日電流消耗，就可以通過公式3確定電池的使用壽命。

下面是另一個計算示例：

電池容量 = 235 mAh

標準監(jiān)測模式每天的電流 = 44.92 mAh/天

溫度監(jiān)測模式每天的電流 = 0.01 mAh/天 傳輸模式每天的電流 = 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

這些計算結(jié)果表明，該器件將滿足5天的工作時間要求，電池壽命超過5.1天。然而，這個結(jié)果具有欺騙性，因為沒有考慮系統(tǒng)的保質(zhì)期。在醫(yī)療器械行業(yè)，最好是設計14個月的保質(zhì)期（貨架期12個月，運輸期兩個月）。

必須考量的保質(zhì)期因素

將系統(tǒng)中設備的關斷電流相加，同時使用CR2032電池每年1%到2%的典型自放電率，可以看出，14個月后，電池的容量不足以支持5天的工作時間，需要進行電池密封。

表2.14個月后的電池容量

2%電池容量泄漏(mAh)

230.30

待機電流消耗(mA)

0.0082

保質(zhì)期（小時）

28085.37

保質(zhì)期（天）

1170.22

保質(zhì)期（年）

3.21

14個月后的容量(mAh)

146.66

14個月后剩余容量百分比

63.68

在貨架上放置14個月后，電池容量將顯著減少。當CR2032閑置在貨架上時，近40%的能量將通過關斷電流和電池自泄漏消耗掉。將這個電池容量代入公式3，可以得出更準確的運行時間：

電池壽命（天）= 146.66 mAh/（標準監(jiān)測模式+溫度監(jiān)測模式+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

上架時間超過一年，電池容量會受到電池自放電和系統(tǒng)關斷電流的影響。電池自放電與電池的化學性質(zhì)和環(huán)境有關。CR2032電池的化學成分是鋰錳，每年的自放電率為1%至2%。一年后，紐扣電池在休眠狀態(tài)下可能會損失2%的容量。對比之下，BR2032電池的化學成分是鋰-氟化碳聚合物，每年的自放電率為0.3%。我們通常會認為，最適合應用的電池化學成分是放電率最低的，但事實并非如此。雖然BR2032電池的放電率較低，但其容量也比200 mAh的CR2032電池低。使用前面的公式重新計算，可以確定這樣的低容量電池的電量是否足夠。

在這個ECG貼片中，當系統(tǒng)斷電時，IC關斷電流是減少電池壽命的最大因素。當IC被禁用且無有效負載時，會產(chǎn)生關斷電流。這些電流通常是由于IC中漏電和IC內(nèi)的ESD保護裝置造成的，即使在沒有負載的情況下也會消耗少量的電流。這些電流通常很小（低于1μA），但對電池壽命卻有很大的影響。在這個RPM貼片中，關斷電流在一年內(nèi)可使電池容量減少多達40%。使用電池密封可限制系統(tǒng)在關斷時從電池中吸取過多的電流。

電池密封通常采用兩種方式：聚酯薄膜拉片形式的機械電池密封，以及負載開關形式的電氣電池密封。聚酯薄膜/塑料拉片是一種機械電池密封，其中塑料拉片位于電池和系統(tǒng)之間。當準備使用設備時，用戶只需拔出塑料片，電池就開始為系統(tǒng)供電。這是一種簡單、低成本、成熟的電池機械密封，已經(jīng)使用了很多年。然而，對于醫(yī)療設備來說，這種解決方案并不是始終可行的。對于需要防水的ECG貼片來說，聚酯薄膜突出的槽會使貼片容易被水損壞。此外，對于不夠靈巧的終端用戶來說，這種小的塑料薄片可能不太好用。

簡單的負載開關，如Vishay SiP32341，是電氣電池密封的一個不錯選擇。該器件是一個場效應晶體管，開啟時，可將電池與系統(tǒng)的其它部分隔開，使SiP32341的關斷電流成為電池上唯一的消耗電流。負載開關有一條邏輯控制線，當準備使用設備時，可以通過按鈕接通。SiP32341的關斷電流一般為14 pA，與沒有電池密封時整個系統(tǒng)的電流消耗相比，采用電池密封有顯著改善。如果使用SiP32341作為電池密封件，CR2032原電池在14個月內(nèi)可保持99.97%的容量。如果不用電池密封件來保護電池免受ECG貼片關斷電流的影響，那么CR2032原電池只能保持62.39%的原始電量。一旦消除這37%的容量差異，可以使ECG貼片在14個月的保質(zhì)期以后仍能滿足5天的壽命要求。

表3.使用電池密封件14個月后的電池容量

2%電池容量泄漏(mAh)

230.30

待機電流消耗(mA)

0.000005

保質(zhì)期（小時）

46060000.00

保質(zhì)期（天）

1919166.67

保質(zhì)期（年）

5257.99

14個月后的容量(mAh)

230.25

14個月后剩余容量百分比

99.98

電池密封件通過防止系統(tǒng)中的所有設備消耗電池關斷電流，從而保持電池容量。在RPM貼片閑置14個月后，剩余電池容量還保持在99.9%以上。

將這個電池容量代入公式3，可以得出更準確的運行時間：

電池壽命（天）= 230.25 mAh/（標準監(jiān)測模式+溫度監(jiān)測模式+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

在ADI看來，為了設計出能滿足醫(yī)療設備所有要求的電源，在系統(tǒng)處于活動狀態(tài)和關機/低功耗模式時進行電池分析至關重要。通過BLE通信收集心率、溫度和加速度數(shù)據(jù)的ECG貼片案例不難發(fā)現(xiàn)，基于ADI公司的分析和原理，可以應用于由原電池供電的任何數(shù)量的醫(yī)療設備系統(tǒng)上，供更多設備廠商參考。

關于ADI公司

ADI是全球領先的高性能模擬技術公司，致力于解決最艱巨的工程設計挑戰(zhàn)。憑借杰出的檢測、測量、電源、連接和解譯技術，搭建連接現(xiàn)實世界和數(shù)字世界的智能化橋梁，從而幫助客戶重新認識周圍的世界。詳情請瀏覽ADI官網(wǎng)www.analog.com/cn。

作者簡介

Fahad Masood是ADI公司健康和醫(yī)療生物傳感應用技術人員。他在醫(yī)療保健、計算和工業(yè)應用的電子產(chǎn)品開發(fā)方面擁有近十年的經(jīng)驗。Fahad獲得了羅徹斯特理工學院生物醫(yī)學電子學學士學位。聯(lián)系方式：fahad.masood@analog.com.

關鍵詞： 電池容量 電流消耗 溫度監(jiān)測 設計人員 傳輸模式