【導讀】遠程患者監護儀(RPM)在(zai)不(bu)斷(duan)發(fa)展(zhan)
，包(bao)含(han)的(de)功(gong)能(neng)越(yue)來(lai)越(yue)多(duo)，使(shi)醫(yi)生(sheng)能(neng)夠(gou)更(geng)深(shen)入(ru)地(di)了(le)解(jie)患(huan)者(zhe)的(de)健(jian)康(kang)狀(zhuang)況(kuang)。這(zhe)些(xie)功(gong)能(neng)對(dui)為(wei)監(jian)護(hu)儀(yi)供(gong)電(dian)的(de)單(dan)體(ti)電(dian)池(chi)提(ti)出(chu)了(le)更(geng)高(gao)要(yao)求(qiu)。本(ben)文(wen)為(wei)ECG（心電圖）遠程患者監測貼片提供了一個電源解決方案，旨在延長電池壽命
，充分發揮監測作用。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。

物聯網(IoT)gemingshiyiliaojigouliyongkejiweihuanzhetigongshishihulidefangshifashenglefanshizhuanbian。rujin
，yuanchenghuanzhejiancejiushizhezhongxinxingyiliaoshebeigaibianyishengyuhuanzhehudongfangshideqizhongyigelingyu。gengxiaodejichengdianluhewuxiantongxinshijishinianqiandejiushebeideyigengxin，gongnengdeyizengqiang，congertigaohuanzhedeyicongxingheliaoxiao。muqiandeyuanchenghuanzhejiancetiepianqudaileguoqubenzhongdeHolter設備，貼片中包含各種傳感器，能夠收集心率
、溫度和加速計數據。這些貼片將患者數據傳輸到雲端
，患者和醫生都可以實時訪問數據。

雖sui然ran這zhe些xie設she備bei有you助zhu於yu醫yi生sheng提ti升sheng護hu理li能neng力li
，但dan也ye給gei電dian源yuan設she計ji人ren員yuan帶dai來lai了le挑tiao戰zhan，他ta們men必bi須xu平ping衡heng兼jian顧gu係xi統tong性xing能neng與yu電dian池chi壽shou命ming要yao求qiu。隨sui著zhe第di二er代dai貼tie片pian采cai用yong多duo模mo態tai傳chuan感gan來lai提ti高gao精jing度du和he有you效xiao性xing，這zhe些xie挑tiao戰zhan進jin一yi步bu加jia大da
，進jin而er對dui電dian源yuan也ye提ti出chu更geng高gao的de要yao求qiu。

在本文中，我們將參考圖1所示的ECG RPM貼片示例。該貼片可連續監測ECG和加速計，同時每15分鍾檢查一次溫度。數據通過低能耗藍牙®(BLE)每2小時傳輸一次，每天總共進行12次BLE傳輸。該貼片有三種不同的模式
，每種模式都有不同的負載模式：標準監測
、溫度監測和傳輸模式。在標準監測模式下
，僅監控ECG和加速計。在溫度監測模式下，還要監測另一個溫度傳感器。在傳輸模式下
，BLE無線電在同時監測ECG和加速計數據的同時傳輸數據。

圖1. ECG貼片電源原理圖。用一個235 mAh的CR2032紐扣鋰電池為穩壓器、微控製器、ECG前端、溫度傳感器和加速度計供電。

電源挑戰

設計RPM
，比如ECG貼片
，對電源設計人員來說是一個多方麵的挑戰。設計通常受到空間方麵的限製，帶有多個傳感器的貼片可能需要多個電源導軌。由於RPMtiepiantongchangshiyicixingshiyongchanpin，yincishejirenyuanyibanhuixuanzeniukoudianchizhezhongjingjigaoxiaodedianyuan。ruguojinshiyongniukoudianchiweitiepiangongdian，shejirenyuanhaibixukaolvdianyuanzixitongdexiaolv。

電(dian)源(yuan)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)經(jing)常(chang)會(hui)忽(hu)視(shi)的(de)一(yi)個(ge)挑(tiao)戰(zhan)是(shi)如(ru)何(he)延(yan)長(chang)產(chan)品(pin)的(de)保(bao)質(zhi)期(qi)。關(guan)斷(duan)電(dian)流(liu)和(he)電(dian)池(chi)自(zi)放(fang)電(dian)會(hui)縮(suo)短(duan)任(ren)何(he)係(xi)統(tong)的(de)壽(shou)命(ming)。因(yin)此(ci)，設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)必(bi)須(xu)明(ming)確(que)RPM貼片在典型的保質期之後能否滿足運行時間要求，如果不能，在貼片到達最終用戶手中之前
，可以采取哪些措施來保持電池壽命。

確定電池運行時間

為wei了le準zhun確que確que定ding電dian源yuan解jie決jue方fang案an是shi否fou符fu合he電dian池chi壽shou命ming要yao求qiu，必bi須xu確que定ding負fu載zai曲qu線xian。負fu載zai曲qu線xian是shi係xi統tong負fu載zai占zhan空kong比bi的de簡jian單dan表biao示shi。對dui於yu我wo們men使shi用yong的de遠yuan程cheng患huan者zhe監jian測ce貼tie片pian
，我wo們men將jiang考kao慮lv之zhi前qian介jie紹shao的de三san種zhong不bu同tong的de工gong作zuo模mo式shi：標準監測、溫度監測和傳輸模式。

為wei了le準zhun確que確que定ding電dian源yuan解jie決jue方fang案an是shi否fou符fu合he電dian池chi壽shou命ming要yao求qiu，必bi須xu確que定ding負fu載zai曲qu線xian。負fu載zai曲qu線xian是shi係xi統tong負fu載zai占zhan空kong比bi的de簡jian單dan表biao示shi。對dui於yu我wo們men使shi用yong的de遠yuan程cheng患huan者zhe監jian測ce貼tie片pian，我wo們men將jiang考kao慮lv之zhi前qian介jie紹shao的de三san種zhong不bu同tong的de工gong作zuo模mo式shi：標準監測、溫度監測和傳輸模式。

要進行負載曲線分析
，需使用一天中每種工作模式的時間段來確定占空比計算值。使用公式1：

可為我們得出貼片的占空比，如表1所示。

表1. 貼片在不同工作模式下的占空比

利用圖2中的負載曲線，我們可以計算出貼片的電流消耗。取每種工作模式下的有效電流消耗，通過公式2可以計算出每天的平均電流消耗近似值。

圖2. 負載曲線圖。

下麵是一個計算示例：

標準監測模式每天的電流 = 標準監測模式電流×標準監測模式占空比×24小時

標準監測模式電流 = 1.88 mA標準監測模式占空比 = 0.9956

標準監測模式每天的電流 = 1.88 mA × 0.9956 × 24小時 = 44.92 mAh/天

一旦確定每種工作模式的每日電流消耗

，就可以通過公式3確定電池的使用壽命。

下麵是一個計算示例：

電池容量 = 235 mAh

標準監測模式每天的電流 = 44.92 mAh/天

溫度監測模式每天的電流 = 0.01 mAh/天

傳輸模式每天的電流 = 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

這些計算結果表明，該器件將滿足5天的工作時間要求，電池壽命超過5.1天。然而，這個結果具有欺騙性，因為沒有考慮係統的保質期。在醫療器械行業
，最好是設計14個月的保質期（貨架期12個月
，運輸期兩個月）。

保質期的考慮因素

將係統中設備的關斷電流相加，同時使用CR2032電池每年1%到2%的典型自放電率
，可以看出，14個月後
，電池的容量不足以支持5天的工作時間，需要進行電池密封。

表2. 14個月後的電池容量

在貨架上放置14個月後
，電池容量將顯著減少。當CR2032閑置在貨架上時
，近40%的能量將通過關斷電流和電池自泄漏消耗掉。將這個電池容量代入公式3，可以得出更準確的運行時間：

電池壽命（天）= 146.66 mAh/（標準監測模式+溫度監測模式+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

上架時間超過一年
，電池容量會受到電池自放電和係統關斷電流的影響。電池自放電與電池的化學性質和環境有關。CR2032電池的化學成分是鋰錳，每年的自放電率為1%至2%。一年後，紐扣電池在休眠狀態下可能會損失2%的容量。對比之下，BR2032電池的化學成分是鋰-氟化碳聚合物

，每年的自放電率為0.3%。我們通常會認為，最適合應用的電池化學成分是放電率最低的，但事實並非如此。雖然BR2032電池的放電率較低

，但其容量也比200 mAh的CR2032電池低。使用前麵的公式重新計算，可以確定這樣的低容量電池的電量是否足夠。

在這個ECG貼片中，當係統斷電時
，IC關斷電流是減少電池壽命的最大因素。當IC被禁用且無有效負載時，會產生關斷電流。這些電流通常是由於IC中漏電和IC內的ESD保護裝置造成的，即使在沒有負載的情況下也會消耗少量的電流。這些電流通常很小（低於1μA），但對電池壽命卻有很大的影響。在這個RPM貼片中，關斷電流在一年內可使電池容量減少多達40%。使用電池密封可限製係統在關斷時從電池中吸取過多的電流。

電池密封通常采用兩種方式：聚酯薄膜拉片形式的機械電池密封

，以及負載開關形式的電氣電池密封。聚酯薄膜/塑su料liao拉la片pian是shi一yi種zhong機ji械xie電dian池chi密mi封feng，其qi中zhong塑su料liao拉la片pian位wei於yu電dian池chi和he係xi統tong之zhi間jian。當dang準zhun備bei使shi用yong設she備bei時shi，用yong戶hu隻zhi需xu拔ba出chu塑su料liao片pian
，電dian池chi就jiu開kai始shi為wei係xi統tong供gong電dian。這zhe是shi一yi種zhong簡jian單dan、低成本、成熟的電池機械密封，已經使用了很多年。然而，對於醫療設備來說
，這種解決方案並不是始終可行的。對於需要防水的ECG貼片來說，聚酯薄膜突出的槽會使貼片容易被水損壞。此外，對於不夠靈巧的終端用戶來說，這種小的塑料薄片可能不太好用。

簡單的負載開關
，如Vishay SiP32341，是電氣電池密封的一個不錯的選擇。該器件是一個場效應晶體管，開啟時，可將電池與係統的其它部分隔開
，使SiP32341的關斷電流成為電池上唯一的消耗電流。負載開關有一條邏輯控製線，當準備使用設備時，可以通過按鈕接通。SiP32341的關斷電流一般為14 pA，與沒有電池密封時整個係統的電流消耗相比，采用電池密封有顯著改善。如果使用SiP32341作為電池密封件，CR2032原電池在14個月內可保持99.97%的容量。如果不用電池密封件來保護電池免受ECG貼片關斷電流的影響，那麼CR2032原電池隻能保持62.39%的原始電量。消除這37%的容量差異，就可以使ECG貼片在14個月的保質期以後仍能滿足5天的壽命要求。

表3. 使用電池密封件14個月後的電池容量

電池密封件通過防止係統中的所有設備消耗電池關斷電流，從而保持電池容量。在RPM貼片閑置14個月後，剩餘電池容量還保持在99.9%以上。

將這個電池容量代入公式3，可以得出更準確的運行時間：

電池壽命（天）= 230.25 mAh/（標準監測模式+溫度監測模式+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

結論

在係統處於活動狀態和關機/低功耗模式時進行電池分析，對於設計能滿足醫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、溫度和加速度數據的ECG貼片，但文中的分析和原理也可應用於由原電池供電的任何數量的醫療設備係統。

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