遠程患者監護系統面臨的五大設計挑戰

作者：Sanjay Pithadia

系統工程師、醫療領域、系統工程和市場營銷

可穿戴式患者監護儀市場發展迅速。遠程患者監護儀幫助醫生實時監護患者，由此可預見醫療保健領域物聯網的未來。

遠程患者監護系統為患者和醫生節省了時間，可在門診的基礎上提供患者的關鍵信息?；颊咭苿有砸惨殉蔀橼厔?，通過與無線網絡的安全連接，遠程患者監護儀可縮短患者就診時間并避免過多電纜的干擾。如今的可穿戴醫療產品不僅可以測量生命體征，而且還可用作個人應急系統。由于這是一種復雜的終端設備，致使患者監護儀將面臨五大常見的主要設計挑戰：功耗（或電池壽命）、便攜性（或大?。?、患者安全、數據安全傳送和集成。

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

圖1：可穿戴式患者監護儀的高級框圖

設計可穿戴式患者監護儀時面臨的五大挑戰：

電池壽命

便攜式和可穿戴式患者監護儀通常由電池供電。對于消費者而言，電池壽命是購買時需要考量的一個關鍵因素。電池壽命至關重要，因為大多數患者監護儀都需進行連續測量和監測。電池的供電系統需要仔細分區、嚴格利用空間、有效利用可用電量。在狹小的空間內更有效地提供功率的同時，實現更多功能，延長時間是很重要的。諸如待機、睡眠、省電、休眠和關機等功能對于降低功耗和延長電池壽命至關重要。喚醒時間和待機功耗對于無線連接解決方案也起著關鍵作用。

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

大多數設計人員認為開關控制器或轉換器有助于實現高效的電源方案，而低損耗穩壓器（LDO）的效率很差。但是LDO拓撲已逐漸優化，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轉換器和LDO的前端電源路徑后，仍然可使用負荷開關來減少關斷電流。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。負荷開關可將關機電流降低到僅10 nA（見圖2）。

圖2：增加低泄漏負荷開關，降低停機電流

便攜性或尺寸

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

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

目前有一些新的技術應用在無線MCU內部集成了晶體。TI體聲波（BAW）技術可消除印刷電路板（PCB）的外部晶體足跡，從而減小布局尺寸并簡化布局布線。封裝技術的改進還可幫助實現更多的集成并節省空間。

對于遠程患者監護系統，TI BAW技術可通過安全的無線網絡提供可靠、實時的患者生命數據傳輸。

患者安全

患者安全是全球醫療衛生的優先考慮項。便攜式多參數患者監護儀可以測量生命體征，分別使用數字隔離器和隔離電源隔離數據和電源，來實現患者安全。與隔離的電源和數據相關的關鍵設計挑戰包括輸出調節、反饋機制、輸入電壓范圍、輸出功率和尺寸考量以及合適的電源架構。許多更新的隔離式電源模塊如德州儀器的小型UCC12050 DC / DC轉換器，都可通過增強隔離來支持500 mW的輸出功率。

安全的數據傳輸

醫療傳感器補丁和具有無線連接功能的便攜式病人監護儀需要具備一流的安全性。傳遞到護士站或醫生辦公室的患者數據是專有信息，防止數據盜竊是一個非常關鍵的方面。

多種安全措施可以保護患者和醫生之間的知識產權（IP）和數據。這些措施應支持防止攻擊和確保病人數據傳輸的安全，不僅在處理和轉換為顯示用的生命體征參數時如此，在傳輸過程中也應如此。這稱之為無線安全性。

集成

醫用患者監護儀的開發時間至關重要，因為上市時間涉及很多標準實驗室測試和批準（全球范圍內）。通過實現與各種云供應商的連接，可以最小的集成工作量實現家庭患者監護系統數據的傳輸，將患者數據直接上傳到云端，可以節省板載存儲卡的空間。

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

結論

醫用患者監護儀的下一個大浪潮將以極小的尺寸到來。隨著可穿戴設備和遠程患者監護儀的難題解決，并以更低、更實惠的價格將更優質的設備（尺寸更小且具有連接性）推向市場，醫學界將見證新的貼片被迅速采用。從發達國家的醫院到發展中國家的遠程醫療中心再到戰場上的傷兵診斷，可穿戴設備的快速發展正改變著醫療環境，且有助于提供更好的診療。

參考資料

用于醫療和消費類可穿戴設備的無線 ECG、SpO2、PTT 和心率監測儀參考設計

適用于可穿戴設備和物聯網的輕負載效率、低噪聲電源參考設計

“無線連接技術選擇指南”

“采用CC13x2和CC26x2傳感器控制器的超低功率設計”