無(wú)論是為老齡化人口提供移動(dòng)性、幫助控制傳染病、縮短緊急響應時(shí)間或向農村地區提供醫療服務(wù)，在這樣的時(shí)代，遠程醫療都已變得十分重要。

 

在本白皮書(shū)中，我將介紹對遠程醫療行業(yè)產(chǎn)生重大影響的新技術(shù)發(fā)展，還會(huì )介紹醫院和家庭面臨的相關(guān)設計挑戰。這些挑戰包括如何感知生命體征、盡可能降低功耗、提高準確性和可靠性、改善連接性，以及在尺寸受限的應用中集成多種功能。

 

內容概覽

 

本白皮書(shū)介紹影響遠程醫療行業(yè)和相關(guān)設計挑戰的技術(shù)發(fā)展。

 

1 生物傳感

 

與生物傳感和可穿戴醫療設備相關(guān)的設計非常復雜。

 

2 電源優(yōu)化

 

便攜式和可穿戴式患者監護儀通常都是由電池供電，電池壽命便成為了差異所在。

 

3 連接 

 

連接性是患者監測系統和遠程醫療保健設備的一個(gè)關(guān)鍵方面。

 

4 數據安全性

 

患者數據是專(zhuān)有信息，數據盜竊是一個(gè)嚴重的威脅。

 

解決生物傳感應用中的設計挑戰

 

與生物傳感和可穿戴醫療設備相關(guān)的設計通常非常復雜。下一頁(yè)上的圖 1 顯示了如何通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式監控不同位置的多個(gè)患者，在醫院護士站的監視器上顯示他們的生命體征。由于每個(gè)患者的用例都不同，在功耗、尺寸和連通性方面，設計的復雜性也在增加。

 

圖 1.適合多個(gè)患者的無(wú)線(xiàn)生命體征監測。

 

模擬前端 (AFE) 器件（協(xié)助將數字電子產(chǎn)品與醫療應用中使用的噪聲、時(shí)間和光敏傳感器連接起來(lái)）對遠程醫療終端設備（例如，脈動(dòng)式血氧計和心率監測器）產(chǎn)生了重大影響。AFE 器件有助于應對與醫療應用相關(guān)的典型挑戰，包括患者監護系統的可靠性、可穿戴設備的功耗以及非標準外圍設備的靈活性。

 

生物傳感 AFE 支持心率監測和變異性，外周毛細血管血氧飽和度 (SpO2)、助聽(tīng)器和光學(xué)血壓測量，以及許多其他生物傳感功能。AFE4400 等 AFE 與用于傳感和 LED 故障檢測的片上光學(xué)元件和診斷程序完全集成在一起，從而提高了脈動(dòng)式血氧計系統的可靠性。用于非標準連接的高度可配置時(shí)序控制器以及在正常和待機運行期間能夠實(shí)現低靜態(tài)電流的超低功耗特性，使得 AFE 非常適合緊湊、電池供電的可穿戴電子設備和基于光學(xué)的測量和監測。

 

除了脈動(dòng)式血氧計，可穿戴式溫度貼片是患者溫度監測應用中的新興趨勢。鑒于體溫可以幫助揭示高?；颊叩慕】禒顩r，對于那些需要持續遠程監測的人來(lái)說(shuō)，這些貼片越來(lái)越受歡迎，而且價(jià)格也相當實(shí)惠。為醫學(xué)診斷目的而進(jìn)行的溫度測量必須符合美國測試與材料協(xié)會(huì )的最大誤差值，而滿(mǎn)足這些值需要考慮一些設計因素。例如，減小誤差值的一種方法是在隔離其他環(huán)境熱源的同時(shí)進(jìn)行良好的熱接觸。德州儀器 (TI) 優(yōu)化了高精度、低功耗TMP117M 數字溫度傳感器，以便更大限度地減少自發(fā)熱；該傳感器采用超薄型小外形尺寸無(wú)引線(xiàn)封裝，使其可以用于皮膚 IC 熱傳遞。如需了解更多信息，請閱讀我們的博客“可穿戴溫度監測系統的設計注意事項”。

 

圖 2 顯示了多參數患者生命體征監護儀前端參考設計，這一多參數患者監測設計由電池供電，用于測量心臟電活動(dòng)、SpO2 或呼吸等生命體征。此系統使用多個(gè) AFE（AFE4403 和 ADS1292R）和 TMP117 溫度傳感器，以便準確地測量脈沖特性、電氣活動(dòng)和皮膚溫度 (±0.1°C)，同時(shí)提供用于起搏器檢測應用的起搏檢測模塊的連接。盡管由于電極的特性和光信號的波動(dòng)，生物傳感應用通常需要可配置的增益和數據速率，但使用高度可編程的模數轉換器（例如，ADS1292R）有助于管理生物電勢。

 

圖 2.多參數前端參考設計。

 

電源優(yōu)化

 

由于便攜式和可穿戴式患者監護儀旨在持續測量和監測，因此它們通常都是由電池供電，這就使得電池壽命成為各產(chǎn)品的差異所在。電池供電系統需要細致的劃分、巧妙地利用小空間和降低能耗?；颊吆歪t生希望在更小的封裝中更有效地提供更多功能，并且希望充電間

 

設計人員可以使用低功耗微控制器 (MCU) 和模擬IC，但除非優(yōu)化電源管理，否則他們將無(wú)法利用設計中的大多數新技術(shù)。電源架構必須盡可能高效，并且可延長(cháng)電池使用壽命。

 

包含 MCU、利用省電功能（例如，睡眠、休眠和關(guān)機）的電池供電設計可以幫助大大延長(cháng)電池壽命。喚醒時(shí)間和待機功耗對于無(wú)線(xiàn)連接也起著(zhù)至關(guān)重要的作用。

 

除了數字節能選項之外，設計人員還必須考慮使用模擬功率管理組件（例如，穩壓器或直流/直流轉換器）以更大限度地提升效率，并結合負載開(kāi)關(guān)以在不使用時(shí)禁用外圍設備，以及選擇電池類(lèi)型和優(yōu)化其充電曲線(xiàn)。

 

運輸模式在運輸過(guò)程中使用多個(gè)組件來(lái)延長(cháng)電池壽命，以及延長(cháng)電池供電電子產(chǎn)品（例如，可穿戴設備）的貨架期。TPS22916 負載開(kāi)關(guān)可充當獨立于主電子元件的非侵入性電路，盡量減少泄漏，并通過(guò)專(zhuān)用于 MCU 引腳的通用輸入/輸出信號或通過(guò)按鈕將電池與系統斷開(kāi)連接。圖 3 顯示了該電路的簡(jiǎn)單性。

 

圖 3. 在運輸模式中使用 TPS22916。

 

因為使用具有成本效益的電量計 IC 和提供超低功耗功能，除了運輸和存儲過(guò)程中的電源管理之外，電池壽命監測、報告和預測也有了很大的改進(jìn)。許多電量計 IC 采用超小型球柵陣列封裝，包含預編程的化學(xué)配置文件，以便使用 TI 的 ImpedanceTrack™ 技術(shù)算法來(lái)跟蹤電池容量、充電狀態(tài)和電壓。

 

遠程監測系統的連接技術(shù)

 

除了電源之外，連接性是患者監測系統和遠程醫療保健設備的另一個(gè)關(guān)鍵方面。需要高清晰顯示以及高分辨率可視化和讀數的患者監護儀可能需要高速或雙核處理。Arm 處理器（例如，Sitara™ 技術(shù)ARM® Cortex®-A 系列）為高端患者監護儀中的用戶(hù)界面提供支持。例如，AM3358 處理器包含可擴展 Arm Cortex-A8 核心和 3D 圖形顯示能力。

 

雖然更快的處理對于顯示很有用，但是在無(wú)線(xiàn)連接方面存在一些主要的挑戰，例如實(shí)時(shí)生命體征顯示的延遲和高數據率要求。TI 的 WiLink™ 8 技術(shù)器件系列等無(wú)線(xiàn)模塊包含雙頻段 Wi-Fi®、Bluetooth®或二者的組合（圖 4）；這些模塊適用于吞吐量高達 100Mbps 的應用，是 Sitara 處理器的補充。

 

圖 4. WiLink Wi-Fi 和藍牙組合技術(shù)。

 

它們提供企業(yè)級 Wi-Fi 安全、Wi-Fi 保護訪(fǎng)問(wèn) 3 和美國政府提供的聯(lián)邦信息處理標準 140-2 認證。設計無(wú)線(xiàn)連接（尤其是可穿戴設備）的另一個(gè)挑戰是與無(wú)線(xiàn)電傳輸相關(guān)的高功率使用，以及緊湊型應用中的大型無(wú)線(xiàn)電模塊的管理。支持藍牙技術(shù)的高精度皮膚溫度測量柔性 PCB 貼片參考設計（圖 5）展示了高精度溫度傳感 (±0.1°C) 如何與2.4GHz 無(wú)線(xiàn)電頻率收發(fā)器以及在小型靈活印刷電路板 (PCB) 上運行完整藍牙堆棧的低功耗、無(wú)線(xiàn)MCU 結合在一起，用于可以遠程報告溫度的電池供電溫度計貼片應用。支持藍牙技術(shù)的 PCB 貼片參考設計中包括的 CC2640R2F 等超低功率 MCU可以幫助優(yōu)化低功耗傳輸和待機或關(guān)機狀態(tài)，并縮短喚醒時(shí)間。

 

圖 5. CB 貼片參考設計。

 

數據安全性

 

無(wú)線(xiàn)醫療傳感器貼片和患者監護儀需要出色的安全性?；颊邤祿菍?zhuān)有信息，數據盜竊是一個(gè)嚴重的威脅。

 

目前已經(jīng)有數種安全措施旨在保護知識產(chǎn)權 (IP) 以及患者與醫生之間發(fā)送的數據。這些措施不僅要在處理和轉換為生命體征參數以進(jìn)行顯示時(shí)，而且要在傳輸過(guò)程中防止攻擊，并保證數據傳輸的安全。這稱(chēng)為無(wú)線(xiàn)安全。

 

盡管具有優(yōu)化外形尺寸、多模傳感和功耗的 AFE生物傳感器件為設計工程師提供了非常有用的工具和組件以用于開(kāi)發(fā)遠程醫療應用，但 MCU/無(wú)線(xiàn)電器件和多核處理器的組合還支持能夠實(shí)現高吞吐量、持續數據流的遠程應用，這對于患者可視化和讀數（例如，在護士站連續顯示生命體征信息）至關(guān)重要。

 

結論

 

隨著(zhù)生物醫療設計人員解決設計挑戰并以更實(shí)惠的價(jià)格（以及更小的尺寸，但具有連接性）向市場(chǎng)提供更好的無(wú)線(xiàn)患者監護儀和貼片，醫學(xué)界將迅速發(fā)展。從發(fā)達國家的醫院到發(fā)展中國家的遠程醫療中心，可穿戴設備將改變醫療保健格局并幫助提供更好的護理。

 

 

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