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远程患者监护仪的电源设计元素由原电池供电
(2025年3月29日更新)

物联网(IoT)革命改变了医疗机构实时护理患者的模式。其中,远程患者监测是改变医患互动模式的重要领域。随着集成电路的微观化和无线化AD一级代理随着技术的发展,传统医疗设备的旧貌发生了变化,功能增强,患者的依从性和疗效逐渐提高。

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来自电源的挑战


目前,远程患者监测贴片取代了传统的笨重Holter贴片中包含的各种传感器可以收集心率、温度和加速计数据,并将患者数据传输到云中,有利于患者和医生的实时访问。这些贴片虽然有助于医生提高护理能力,但却给电源设计师带来了挑战,他们必须平衡系统性能和电池寿命要求。随着第二代贴片采用多模态传感来提高精度和有效性,挑战进一步突出,对电源提出了严格的指标。


图1.ECG贴片电源原理图。使用235 mAh的CR稳压器、微控制器、2032纽扣锂电池ECG供电前端、温度传感器和加速度计。


以ECG RPM贴片的电流消耗(包括每个降压变换器的330) nA静态电流和MCU电流消耗)为1.88 mA。在温度监测模式下,电流消耗为1.95 mA,每15分钟持续200毫秒。当贴片通过传输模式时BLE传输数据时,电流消耗为7.90 mA,每2小时持续30秒。可在相应的设备数据表中查看有源和静态电流规格。


为了分析负载曲线,需要使用一天中每种工作模式的时间段来确定比例的计算值。使用公式1:



如表1所示,可以得出贴片的占空比。


表1.不同工作模式下贴片占空比


以下是计算示例:


标准监测模式的日电流 = 电流的标准监测模式×标准监测模式占空比×24小时

电流的标准监测模式 = 1.88 mA标准监测模式占空比 = 0.9956

标准监测模式的日电流 = 1.88 mA × 0.9956 × 24小时 = 44.92 mAh/天


每种工作模式的日常电流消耗一旦确定,电池的使用寿命可以通过公式3确定。



以下是另一个计算示例:


电池容量 = 235 mAh

标准监测模式的日电流 = 44.92 mAh/天

温度监测模式每天的电流 = 0.01 mAh/天 每日电流传输模式 = 0.79 mAh/天

电池寿命(天)= 235 mAh/(44.92 mAh/天 0.01 mAh/天 0.79 mA/天)= 5.14天


这些计算结果表明,该设备将满足5天的工作时间要求,电池寿命超过5.1天。然而,这个结果是欺骗性的,因为没有考虑系统的保质期。在医疗器械行业,最好设计14个月的保质期(货架期12个月,运输期2个月)。


保质期因素必须考虑


同时使用系统中设备的关闭电流CR2032电池每年1%到2%的典型自放电率,可以看出,14个月后,电池的容量不足以支持5天的工作时间,需要进行电池密封。


表2.14个月后的电池容量


在货架上放置14个月后,电池容量将显著降低。CR当2032年闲置在货架上时,近40%的能量将通过关闭电流和自泄漏电池来消耗。将电池容量替换为公式3,以获得更准确的运行时间:


电池寿命(天)= 146.66 mAh/(标准监控模式 温度监测模式 传输模式)

电池寿命(天)= 146.66 mAh/(44.92 mAh/天 0.01 mAh/天 0.79 mA/天)= 3.21天


上架一年以上,电池容量会受到电池自放电和系统关闭电流的影响。电池自放电与电池的化学性质和环境有关。CR锂锰是2032电池的化学成分,每年自放电率为1%至2%。一年后,纽扣电池在休眠状态下可能会损失2%的容量。对比之下,BR锂-氟化碳聚合物是2032电池的化学成分,年自放电率为0.3%。我们通常认为最合适的电池化学成分是放电率最低的,但事实并非如此。虽然BR2032电池的放电率较低,但其容量也低于200 mAh的CR2032电池低。重新计算前面的公式可以确定这种低容量电池的电量是否足够。


在这个ECG在贴片中,当系统断电时,IC关闭电流是降低电池寿命的最大因素。当IC被禁用且无有效负载时,会产生关闭电流。通常是因为这些电流IC中漏电和IC内的ESD即使没有负载,保护装置也会消耗少量电流。这些电流通常很小(低于1)μA),但对电池寿命影响很大。在这个RPM一年内关闭电流可使电池容量降低40%。使用电池密封可以限制系统在关闭时从电池中吸收过多的电流。


电池密封通常有两种方式:聚酯薄膜拉片机械电池密封和负载开关电池密封。聚酯薄膜/塑料拉片是一种位于电池和系统之间的机械电池密封。在准备使用设备时,用户只需拔出塑料片,电池就开始为系统供电。它是一种简单、低成本、成熟的电池机械密封,已使用多年。然而,这种解决方案并不总是对医疗设备可行的。需要防水的ECG对于贴片,聚酯薄膜突出的槽会使贴片容易被水损坏。另外,这种小塑料薄片对于不够灵巧的终端用户来说可能不太好用。


简单的负载开关,如Vishay SiP32341是密封电池的好选择。该器件是一个场效应晶体管,开启时,可将电池与系统的其它部分隔开,使SiP32341的关闭电流成为电池上唯一的消耗电流。负载开关有一条逻辑控制线,在准备使用设备时,可以通过按钮连接。SiP32341的关闭电流一般为14 pA,与没有电池密封时整个系统的电流消耗相比,电池密封显著改善。如果使用SiP32341作为电池密封件,CR原电池在14个月内可保持99.97%的容量。如果用电池密封保护电池免受影响ECG贴片关闭电流的影响,然后CR原电池只能保持原电量的62.39%。这37%的容量差一旦消除,就会产生ECG保质期14个月后,贴片仍能满足5天的寿命要求。


表3.使用电池密封件14个月后的电池容量


电池密封件保持电池容量,以防止系统中的所有设备消耗电池并关闭电流。RPM贴片闲置14个月后,剩余电池容量保持在99.9%以上。


将电池容量代入公式3,以获得更准确的运行时间:


电池寿命(天)= 230.25 mAh/(标准监控模式 温度监测模式 传输模式)

电池寿命(天)= 230.25 mAh/(44.92 mAh/天 0.01 mAh/天 0.79 mA/天)= 5.04天


结论


在AD在系统处于活动状态和关机/低功耗模式时,电池分析似乎非常重要,以满足医疗设备的所有要求。BLE通信收集心率、温度和加速度数据ECG不难发现贴片案例是基于AD公司的分析和原理可应用于任何由原电池供电的医疗设备系统,供更多设备制造商参考。


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