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)測貼片提供了電源解決方案，可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 通電之前延長其電池壽命的方法。

物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 革命使醫(yī)療保健提供商利用技術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)控是一個新的醫(yī)療設備正在改變醫(yī)生與患者互動方式的領域。更小的IC和無線通信使數(shù)十年前的設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計人員帶來了挑戰(zhàn)。隨著第二代貼片采用多模態(tài)傳感來提高精度和效率，挑戰(zhàn)進一步增加，這反過來又增加了對電源的需求。

圖 1.心電圖貼片電源圖。235 mAh CR2032鋰紐扣電池為穩(wěn)壓器、微控制器、ECG前端、溫度傳感器和加速度計供電。（資料來源：模擬公司）

在本文中，我們將參考圖1所示的ECG RPM補丁示例。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)每2小時通過藍牙低功耗（BLE）傳輸一次，每天總共12個BLE交易。此修補程序包含三種不同的模式，每種模式都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，會監(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)測ECG和加速度計數(shù)據(jù)。?

電源挑戰(zhàn)

設計 RPM（如 ECG 貼片）給電源設計人員帶來了多重挑戰(zhàn)。該設計通常空間受限，具有多個傳感器的貼片可能需要多個電源軌。由于 RPM 貼片通常旨在作為一次性產(chǎn)品，因此紐扣電池通常是設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，設計人員還必須了解電源子系統(tǒng)的效率。

對于電源設計人員來說，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，設計人員必須確定 RPM 貼片在典型的保質(zhì)期后是否能滿足工作時間要求，如果不能，則在貼片到達最終用戶之前可以采取哪些措施來保持電池壽命。

確定電池運行時間

要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。對于我們正在使用的遠程患者監(jiān)測補丁，我們將考慮之前提出的三種不同的操作模式：標準監(jiān)測，溫度監(jiān)測和傳輸模式。

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，電流消耗為每15分鐘1.95 mA，持續(xù)200 ms。在傳輸模式下，當補丁通過BLE傳輸數(shù)據(jù)時，電流消耗為7.90 mA，每2小時30秒。這些值可以在相應的器件數(shù)據(jù)手冊中找到，方法是查看有源和靜態(tài)電流規(guī)格。

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

這為我們提供了表1所示的補丁的占空比。

表 1.貼片工作模式的占空比

圖 2.負載配置文件圖。（資料來源：模擬公司）

使用圖2中的負載曲線，我們可以計算出補丁的電流消耗。以每種工作模式的有效電流消耗計算，每天的平均電流消耗可近似于公式2：

下面是一個示例計算：

標準監(jiān)控模式 每日電流 = 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確定電池的壽命：

下面是一個示例計算：

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 每天的電流 = 0.01 mAh/天的傳輸模式 每天的電流 = 0.79 mAh/天

電池壽命（天） = 235 毫安時/（44.92 毫安時/天 + 0.01 毫安時/天 + 0.79 毫安/天） = 5.14 天

這些計算的結(jié)果表明，該設備將滿足 5 天的運行時間要求，電池壽命超過 5.1 天。然而，這是欺騙性的，因為這沒有考慮到系統(tǒng)的保質(zhì)期。在醫(yī)療器械行業(yè)，最佳做法是設計14個月的保質(zhì)期（貨架上12個月，運輸2個月）。

保質(zhì)期注意事項

使用CR2032電池每年1%至2%的典型自放電率對系統(tǒng)中設備的關斷電流求和，可以看出，14個月后，電池沒有足夠的容量來支持5天的運行時間，并且需要電池密封。

表 2.14 個月后的電池容量

在貨架上放置14個月后，電池容量將嚴重減少。CR2032近40%的能量將被停機電流和電池自泄漏消耗，而閑置在架子上。將此電池容量插入公式3，可以確定更準確的運行時間：

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 毫安時/（44.92 毫安時/天 + 0.01 毫安時/天 + 0.79 毫安/天） = 3.21 天

在架子上放置一年多時，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，紐扣電池在休眠時可能會失去2%的容量。同時，BR2032電池具有單氟化鋰碳化學性質(zhì)，每年自放電率為0.3%。很容易假設該應用的最佳電池化學成分是放電速率最低的電池，但事實并非如此。雖然BR2032電池的放電速率較低，但其容量也低于200 mAh的CR2032電池單元。通過使用前面的公式重新計算，可以確定這種較低容量的電池是否足夠。

在該ECG貼片中，IC關斷電流是系統(tǒng)斷電時縮短電池壽命的最大因素。當IC被禁用并且沒有有源負載時，將消耗關斷電流。這些電流通常是由于IC和IC內(nèi)的ESD保護器件中的泄漏造成的，即使沒有負載，也會消耗少量電流。這些電流通常很?。ǖ陀? μA），但會對電池壽命產(chǎn)生巨大影響。在此 RPM 補丁中，關斷電流可在一年內(nèi)將電池容量降低多達 40%。電池密封可用于限制系統(tǒng)在關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形式的電池密封件。聚酯薄膜/塑料拉片提供機械電池密封，其中塑料卡舌位于電池和系統(tǒng)之間。當設備準備就緒可供使用時，用戶只需拔出塑料卡舌，電池即可開始為系統(tǒng)供電。這是一種簡單，便宜且經(jīng)過驗證的機械電池密封件，已使用多年。然而，對于醫(yī)療設備，這種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損傷。此外，對于靈巧度低的最終用戶來說，小塑料標簽可能難以使用。

一個簡單的負載開關，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，會將電池阻擋在系統(tǒng)其余部分，使 SiP32341 關斷電流成為電池上的唯一消耗。負載開關具有邏輯控制線，當器件準備就緒時，可通過按鈕將其打開。SiP32341的典型關斷電流為14 pA，如果沒有電池密封，則與整個系統(tǒng)的電流消耗相比，這是一個顯著的改進。當SiP32341用作電池密封件時，CR2032原電池在14個月內(nèi)保持其容量的99.97%。當不使用電池密封來保護電池免受ECG貼片關斷電流的影響時，CR2032原電池僅保留其原始電荷的62.39%。容量的37%差異使ECG貼片在14個月的保質(zhì)期后滿足5天的要求。

表 3.電池容量 14 個月后的電池容量，帶電池密封

電池密封可防止系統(tǒng)中的所有設備從電池中吸取關斷電流，從而保持電池容量。在 RPM 補丁閑置 14 個月后，超過 99.9% 的電池容量仍然存在。

將此電池容量插入公式3，可以確定更準確的運行時間：

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 毫安時/（44.92 毫安時/天 + 0.01 毫安時/天 + 0.79 毫安/天） = 5.04 天

結(jié)論

當系統(tǒng)處于活動狀態(tài)以及處于關斷/低功耗模式時，對系統(tǒng)進行電池分析對于設計滿足醫(yī)療設備所有要求的電源至關重要。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用于由原電池供電的任意數(shù)量的醫(yī)療設備系統(tǒng)。

審核編輯 黃昊宇