远程患者监护仪（RPM）的电源设计

远程患者监护仪（RPM）不断发展，包括更多功能，使医生能够更深入地了解患者的健康状况。这些功能对为显示器供电的单节电池提出了更高的要求。本文为ECG远程患者监测贴片提供了电源解决方案，可延长电池寿命以利用这些功能。本文还介绍了准确估计 RPM 电池寿命的策略，以及在 RPM 通电之前延长其电池寿命的方法。

物联网 （IoT） 革命使医疗保健提供商利用技术为患者提供实时护理的方式发生了范式转变。如今，远程患者监控是一个新的医疗设备正在改变医生与患者互动方式的领域。更小的IC和无线通信使数十年前的设备能够更新为增强的功能外形，从而提高患者的依从性和结果。取代过去笨重的动态心电图设备，目前的远程患者监测补丁包括各种传感器，用于收集心率，温度和加速度计数据。这些补丁将患者数据传输到云端，允许患者和医生实时访问数据。

虽然这些器件提高了医生提供更好护理的能力，但它们给必须平衡系统性能和电池寿命要求的电源设计人员带来了挑战。随着第二代贴片采用多模态传感来提高精度和效率，挑战进一步增加，这反过来又增加了对电源的需求。

图 1.心电图贴片电源图。235 mAh CR2032锂纽扣电池为稳压器、微控制器、ECG前端、温度传感器和加速度计供电。（资料来源：模拟公司）

在本文中，我们将参考图1所示的ECG RPM补丁示例。该贴片持续监测心电图和加速度计，同时每15分钟检查一次温度。数据每2小时通过蓝牙低功耗（BLE）传输一次，每天总共12个BLE交易。此修补程序包含三种不同的模式，每种模式都具有不同的负载配置文件：标准监控、温度监控和传输模式。在标准监测模式下，仅监测心电图和加速度计。在温度监控模式下，会监控一个额外的温度传感器。在传输模式下，BLE无线电在传输数据的同时监测ECG和加速度计数据。®

电源挑战

设计 RPM（如 ECG 贴片）给电源设计人员带来了多重挑战。该设计通常空间受限，具有多个传感器的贴片可能需要多个电源轨。由于 RPM 贴片通常旨在作为一次性产品，因此纽扣电池通常是设计人员可用的最具成本效益的电源。仅使用纽扣电池为贴片供电，设计人员还必须了解电源子系统的效率。

对于电源设计人员来说，一个经常被忽视的挑战是延长产品的保质期。关断电流和电池自放电会缩短任何系统的使用寿命。因此，设计人员必须确定 RPM 贴片在典型的保质期后是否能满足工作时间要求，如果不能，则在贴片到达最终用户之前可以采取哪些措施来保持电池寿命。

确定电池运行时间

要准确确定电源解决方案是否满足电池寿命要求，必须确定负载曲线。负载曲线是系统负载占空比的简单表示。对于我们正在使用的远程患者监测补丁，我们将考虑之前提出的三种不同的操作模式：标准监测，温度监测和传输模式。

在标准监控模式下，图1所示贴片的电流消耗（包括每个降压转换器的330 nA静态电流和MCU的电流消耗）为1.88 mA。在温度监控模式下，电流消耗为每15分钟1.95 mA，持续200 ms。在传输模式下，当补丁通过BLE传输数据时，电流消耗为7.90 mA，每2小时30秒。这些值可以在相应的器件数据手册中找到，方法是查看有源和静态电流规格。

要开始负载曲线分析，请使用一天中每种操作模式的时间段确定占空比计算。使用等式1：

这为我们提供了表1所示的补丁的占空比。

表 1.贴片工作模式的占空比

 

操作模式	占空比
温度测量百分比（%/天）	0.02%
BLE 通信百分比（%/天）	0.42%
心电图监测持续时间（%/天）	99.56%

 

图 2.负载配置文件图。（资料来源：模拟公司）

使用图2中的负载曲线，我们可以计算出补丁的电流消耗。以每种工作模式的有效电流消耗计算，每天的平均电流消耗可近似于公式2：

下面是一个示例计算：

标准监控模式 每日电流 = 标准监控模式电流 × 标准监控模式 占空比 × 24 小时

标准监控模式电流 = 1.88 mA 标准监控模式占空比 = 0.9956

标准监控模式每天电流 = 1.88 mA × 0.9956 × 24 小时 = 44.92 mAh/天

一旦找到每种工作模式每天的电流消耗，就可以通过公式3确定电池的寿命：

下面是一个示例计算：

电池容量 = 235 mAh

标准监控模式每天电流 = 44.92 mAh/天

温度监控模式 每天的电流 = 0.01 mAh/天的传输模式 每天的电流 = 0.79 mAh/天

电池寿命（天） = 235 毫安时/（44.92 毫安时/天 + 0.01 毫安时/天 + 0.79 毫安/天） = 5.14 天

这些计算的结果表明，该设备将满足 5 天的运行时间要求，电池寿命超过 5.1 天。然而，这是欺骗性的，因为这没有考虑到系统的保质期。在医疗器械行业，最佳做法是设计14个月的保质期（货架上12个月，运输2个月）。

保质期注意事项

使用CR2032电池每年1%至2%的典型自放电率对系统中设备的关断电流求和，可以看出，14个月后，电池没有足够的容量来支持5天的运行时间，并且需要电池密封。

表 2.14 个月后的电池容量

 

2% 电池容量泄漏 （毫安时）	230.30
待机电流消耗（mA）	0.0082
保质期 - 小时	28085.37
保质期 — 天	1170.22
保质期 — 年	3.21
14 个月后的容量 （毫安时）	146.66
14 个月后剩余容量百分比	63.68

 

在货架上放置14个月后，电池容量将严重减少。CR2032近40%的能量将被停机电流和电池自泄漏消耗，而闲置在架子上。将此电池容量插入公式3，可以确定更准确的运行时间：

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

电池寿命（天） = 146.66 毫安时/（44.92 毫安时/天 + 0.01 毫安时/天 + 0.79 毫安/天） = 3.21 天

在架子上放置一年多时，电池容量会受到电池自放电和系统关断电流的影响。电池自放电是电池化学和环境的函数。CR2032电池具有锂锰化学性质，每年的自放电率为1%至2%。在一年结束时，纽扣电池在休眠时可能会失去2%的容量。同时，BR2032电池具有单氟化锂碳化学性质，每年自放电率为0.3%。很容易假设该应用的最佳电池化学成分是放电速率最低的电池，但事实并非如此。虽然BR2032电池的放电速率较低，但其容量也低于200 mAh的CR2032电池单元。通过使用前面的公式重新计算，可以确定这种较低容量的电池是否足够。

在该ECG贴片中，IC关断电流是系统断电时缩短电池寿命的最大因素。当IC被禁用并且没有有源负载时，将消耗关断电流。这些电流通常是由于IC和IC内的ESD保护器件中的泄漏造成的，即使没有负载，也会消耗少量电流。这些电流通常很小（低于1 μA），但会对电池寿命产生巨大影响。在此 RPM 补丁中，关断电流可在一年内将电池容量降低多达 40%。电池密封可用于限制系统在关断时从电池吸收过多电流。

电池密封件的两种常见选择是聚酯薄膜拉片形式的机械电池密封件和负载开关形式的电池密封件。聚酯薄膜/塑料拉片提供机械电池密封，其中塑料卡舌位于电池和系统之间。当设备准备就绪可供使用时，用户只需拔出塑料卡舌，电池即可开始为系统供电。这是一种简单，便宜且经过验证的机械电池密封件，已使用多年。然而，对于医疗设备，这种解决方案并不总是可行的。对于需要防水的心电图贴片，聚酯薄膜突出的槽会使贴片容易受到水损伤。此外，对于灵巧度低的最终用户来说，小塑料标签可能难以使用。

一个简单的负载开关，如 Vishay SiP32341，将是电池密封的绝佳选择。该器件是一个 FET，当打开时，会将电池阻挡在系统其余部分，使 SiP32341 关断电流成为电池上的唯一消耗。负载开关具有逻辑控制线，当器件准备就绪时，可通过按钮将其打开。SiP32341的典型关断电流为14 pA，如果没有电池密封，则与整个系统的电流消耗相比，这是一个显着的改进。当SiP32341用作电池密封件时，CR2032原电池在14个月内保持其容量的99.97%。当不使用电池密封来保护电池免受ECG贴片关断电流的影响时，CR2032原电池仅保留其原始电荷的62.39%。容量的37%差异使ECG贴片在14个月的保质期后满足5天的要求。

表 3.电池容量 14 个月后的电池容量，带电池密封

 

2% 电池容量泄漏 （毫安时）	230.30
待机电流消耗（mA）	0.000005
保质期 - 小时	46060000.00
保质期 — 天	1919166.67
保质期 — 年	5257.99
14 个月后的容量 （毫安时）	230.25
14 个月后剩余容量百分比	99.98

 

电池密封可防止系统中的所有设备从电池中吸取关断电流，从而保持电池容量。在 RPM 补丁闲置 14 个月后，超过 99.9% 的电池容量仍然存在。

将此电池容量插入公式3，可以确定更准确的运行时间：

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

电池寿命（天） = 230.25 毫安时/（44.92 毫安时/天 + 0.01 毫安时/天 + 0.79 毫安/天） = 5.04 天

结论

当系统处于活动状态以及处于关断/低功耗模式时，对系统进行电池分析对于设计满足医疗设备所有要求的电源至关重要。虽然本文专门讨论了通过BLE通信收集心率，温度和加速度数据的ECG贴片，但本文中的分析和原理可以应用于由原电池供电的任意数量的医疗设备系统。

审核编辑 黄昊宇