遠程患者監(jiān)護儀 （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遠程患者監(jiān)護貼片提供電源解決方案，以延長電池壽命以利用這些功能。本文還介紹了準確估計 RPM 電池壽命的策略，以及在 RPM 通電之前延長電池壽命的方法。

介紹

物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 革命使醫(yī)療保健提供商利用技術(shù)為患者提供實時護理的方式發(fā)生了范式轉(zhuǎn)變。如今，遠程患者監(jiān)控是新醫(yī)療設(shè)備正在改變醫(yī)生與患者互動方式的一個領(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。取代過去笨重的動態(tài)心電圖設(shè)備，目前的遠程患者監(jiān)測補丁包括各種傳感器，用于收集心率、溫度和加速度計數(shù)據(jù)。這些補丁將患者數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫耍试S患者和醫(yī)生實時訪問數(shù)據(jù)。

雖然這些器件提高了醫(yī)生提供更好的護理的能力，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)計人員帶來了挑戰(zhàn)。隨著第二代貼片采用多模態(tài)檢測來提高精度和效率，挑戰(zhàn)進一步增加，這反過來又增加了對電源的要求。

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)測心電圖和加速度計，同時每 15 分鐘檢查一次溫度。數(shù)據(jù)通過藍牙低功耗 （BLE） 每 2 小時傳輸一次，每天總共 12 次 BLE 交易.此修補程序包含三種不同的模式，每種模式具有不同的負載配置文件：標準監(jiān)控、溫度監(jiān)控和傳輸模式。在標準監(jiān)測模式下，僅監(jiān)測心電圖和加速度計。在溫度監(jiān)控模式下，監(jiān)控一個額外的溫度傳感器。在傳輸模式下，BLE無線電在傳輸數(shù)據(jù)的同時監(jiān)控ECG和加速度計數(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供電。

電源挑戰(zhàn)

設(shè)計 RPM（例如 ECG 貼片）給電源設(shè)計人員帶來了多重挑戰(zhàn)。該設(shè)計通?？臻g受限，具有多個傳感器的貼片可能需要多個電源軌。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)計人員還必須認識到電源子系統(tǒng)的效率。

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

確定電池運行時間

為了準確確定電源解決方案是否滿足電池壽命要求，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。對于我們使用的遠程患者監(jiān)護補丁，我們將考慮之前介紹的三種不同的操作模式：標準監(jiān)測、溫度監(jiān)控和 傳輸模式。

在標準監(jiān)控模式下，圖1所示貼片的電流消耗（包括每個降壓轉(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，當補丁傳輸時，電流消耗為 7.90 mA，每 2 小時持續(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)手冊中找到，方法是查看有功和靜態(tài)電流規(guī)格。

要開始負載曲線分析，使用一天中每種操作模式的時間段確定占空比計算。使用公式1：

這為我們提供了表 1 中所示的補丁的占空比。

使用圖 2 中的負載曲線，我們可以計算補丁的電流消耗。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：

下面是一個計算示例：

標準監(jiān)控模式電流/天 = 標準監(jiān)控模式電流 × 標準監(jiān)控模式占空比 × 24 小時

標準監(jiān)控模式電流 = 1.88 mA

標準監(jiān)控模式占空比 = 0.9956

標準監(jiān)控模式 每天電流 = 1.88 mA × 0.9956 × 24 小時 = 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：

下面是一個計算示例：

電池容量 = 235 mAh

標準監(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

這些計算結(jié)果表明，該器件將滿足 5 天運行時間要求，電池壽命超過 5.1 天。然而，這是欺騙性的，因為這沒有考慮系統(tǒng)的保質(zhì)期。在醫(yī)療器械行業(yè)，最佳做法是設(shè)計 14 個月的保質(zhì)期（12 個月在貨架上，兩個月在運輸中）。

保質(zhì)期注意事項

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個月后，電池沒有足夠的容量來支持5天的運行時間，需要電池密封。

貨架上14個月后的電池容量將嚴重減少。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行時間：

電池壽命（天）= 146.66 mAh/（標準監(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，電池容量會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和環(huán)境的函數(shù)。CR2032電池具有鋰錳化學性質(zhì)，每年的自放電率為1%至2%。在一年結(jié)束時，紐扣電池在休眠狀態(tài)下可能會失去2%的容量。同時，BR2032電池具有一氟化鋰化學性質(zhì)，自放電率為每年0.3%。很容易假設(shè)應(yīng)用的最佳電池化學成分是放電率最低的電池，但事實并非如此。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)斷電時縮短電池壽命的最大因素。當IC被禁用且沒有活動負載時，會消耗關(guān)斷電流。這些電流通常是由于IC中的泄漏和IC內(nèi)的ESD保護器件引起的，即使在沒有負載時也會消耗少量電流。這些電流通常很小 （低于 1 μA），但會對電池壽命產(chǎn)生巨大影響。在此RPM補丁中，關(guān)斷電流可以在一年內(nèi)使電池容量減少多達40%。電池密封件可用于限制系統(tǒng)在關(guān)斷時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械電池密封件和負載開關(guān)形式的電池密封件。聚酯薄膜/塑料拉片提供機械電池密封，塑料片位于電池和系統(tǒng)之間。當設(shè)備準備好使用時，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、便宜且經(jīng)過驗證的機械電池密封，已經(jīng)使用多年。但是，對于醫(yī)療設(shè)備，此解決方案并不總是可行的。對于需要防水的心電圖貼片，聚酯薄膜突出的槽會使貼片容易受到水的損壞。此外，對于靈活性低的最終用戶來說，小塑料標簽可能難以使用。

一個簡單的負載開關(guān)，如 Vishay SiP32341，將是電池密封的絕佳選擇。該器件是一個FET，當打開時，會阻止電池與系統(tǒng)其余部分的連接，使SiP32341關(guān)斷電流成為電池的唯一消耗。負載開關(guān)具有一條邏輯控制線，當設(shè)備準備好使用時，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，這比整個系統(tǒng)的電流消耗有了顯著改善。當SiP32341用作電池密封件時，CR2032原電池在14個月內(nèi)保持其99.97%的容量。當不使用電池密封來保護電池免受ECG貼片關(guān)斷電流的影響時，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 補丁閑置 14 個月后，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行時間：

電池壽命（天）= 230.25 mAh/（標準監(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)處于活動狀態(tài)和關(guān)斷/低功耗模式時的電池分析對于設(shè)計滿足醫(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