無論是為老齡化人口提供移動性、幫助控制傳染病、縮短緊急響應(yīng)時間或向農(nóng)村地區(qū)提供醫(yī)療服務(wù)，在這樣的時代，遠程醫(yī)療都已變得十分重要。

 

在本白皮書中，我將介紹對遠程醫(yī)療行業(yè)產(chǎn)生重大影響的新技術(shù)發(fā)展，還會介紹醫(yī)院和家庭面臨的相關(guān)設(shè)計挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)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(yīng)用中集成多種功能。

 

內(nèi)容概覽

 

本白皮書介紹影響遠程醫(yī)療行業(yè)和相關(guān)設(shè)計挑戰(zhàn)的技術(shù)發(fā)展。

 

1 生物傳感

 

與生物傳感和可穿戴醫(yī)療設(shè)備相關(guān)的設(shè)計非常復(fù)雜。

 

2 電源優(yōu)化

 

便攜式和可穿戴式患者監(jiān)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(jiān)測系統(tǒng)和遠程醫(yī)療保健設(shè)備的一個關(guān)鍵方面。

 

4 數(shù)據(jù)安全性

 

患者數(shù)據(jù)是專有信息，數(shù)據(jù)盜竊是一個嚴重的威脅。

 

解決生物傳感應(yīng)用中的設(shè)計挑戰(zhàn)

 

與生物傳感和可穿戴醫(yī)療設(shè)備相關(guān)的設(shè)計通常非常復(fù)雜。下一頁上的圖 1 顯示了如何通過無線方式監(jiān)控不同位置的多個患者，在醫(yī)院護士站的監(jiān)視器上顯示他們的生命體征。由于每個患者的用例都不同，在功耗、尺寸和連通性方面，設(shè)計的復(fù)雜性也在增加。

 

圖 1.適合多個患者的無線生命體征監(jiān)測。

 

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

 

生物傳感 AFE 支持心率監(jiān)測和變異性，外周毛細血管血氧飽和度 (SpO2)、助聽器和光學(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，從而提高了脈動式血氧計系統(tǒng)的可靠性。用于非標準連接的高度可配置時序控制器以及在正常和待機運行期間能夠?qū)崿F(xiàn)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(shè)備和基于光學(xué)的測量和監(jiān)測。

 

除了脈動式血氧計，可穿戴式溫度貼片是患者溫度監(jiān)測應(yīng)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(xù)遠程監(jiān)測的人來說，這些貼片越來越受歡迎，而且價格也相當實惠。為醫(yī)學(xué)診斷目的而進行的溫度測量必須符合美國測試與材料協(xié)會的最大誤差值，而滿足這些值需要考慮一些設(shè)計因素。例如，減小誤差值的一種方法是在隔離其他環(huán)境熱源的同時進行良好的熱接觸。德州儀器 (TI) 優(yōu)化了高精度、低功耗TMP117M 數(shù)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引線封裝，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(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計注意事項”。

 

圖 2 顯示了多參數(shù)患者生命體征監(jiān)護儀前端參考設(shè)計，這一多參數(shù)患者監(jiān)測設(shè)計由電池供電，用于測量心臟電活動、SpO2 或呼吸等生命體征。此系統(tǒng)使用多個 AFE（AFE4403 和 ADS1292R）和 TMP117 溫度傳感器，以便準確地測量脈沖特性、電氣活動和皮膚溫度 (±0.1°C)，同時提供用于起搏器檢測應(yīng)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，生物傳感應(yīng)用通常需要可配置的增益和數(shù)據(jù)速率，但使用高度可編程的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（例如，ADS1292R）有助于管理生物電勢。

 

圖 2.多參數(shù)前端參考設(shè)計。

 

電源優(yōu)化

 

由于便攜式和可穿戴式患者監(jiān)護儀旨在持續(xù)測量和監(jiān)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(tǒng)需要細致的劃分、巧妙地利用小空間和降低能耗。患者和醫(yī)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(shè)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，否則他們將無法利用設(shè)計中的大多數(shù)新技術(shù)。電源架構(gòu)必須盡可能高效，并且可延長電池使用壽命。

 

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(shè)計可以幫助大大延長電池壽命。喚醒時間和待機功耗對于無線連接也起著至關(guān)重要的作用。

 

除了數(shù)字節(jié)能選項之外，設(shè)計人員還必須考慮使用模擬功率管理組件（例如，穩(wěn)壓器或直流/直流轉(zhuǎn)換器）以更大限度地提升效率，并結(jié)合負載開關(guān)以在不使用時禁用外圍設(shè)備，以及選擇電池類型和優(yōu)化其充電曲線。

 

運輸模式在運輸過程中使用多個組件來延長電池壽命，以及延長電池供電電子產(chǎn)品（例如，可穿戴設(shè)備）的貨架期。TPS22916 負載開關(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，并通過專用于 MCU 引腳的通用輸入/輸出信號或通過按鈕將電池與系統(tǒng)斷開連接。圖 3 顯示了該電路的簡單性。

 

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，除了運輸和存儲過程中的電源管理之外，電池壽命監(jiān)測、報告和預(yù)測也有了很大的改進。許多電量計 IC 采用超小型球柵陣列封裝，包含預(yù)編程的化學(xué)配置文件，以便使用 TI 的 ImpedanceTrack™ 技術(shù)算法來跟蹤電池容量、充電狀態(tài)和電壓。

 

遠程監(jiān)測系統(tǒng)的連接技術(shù)

 

除了電源之外，連接性是患者監(jiān)測系統(tǒng)和遠程醫(yī)療保健設(shè)備的另一個關(guān)鍵方面。需要高清晰顯示以及高分辨率可視化和讀數(shù)的患者監(jiān)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(jiān)護儀中的用戶界面提供支持。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，但是在無線連接方面存在一些主要的挑戰(zhàn)，例如實時生命體征顯示的延遲和高數(shù)據(jù)率要求。TI 的 WiLink™ 8 技術(shù)器件系列等無線模塊包含雙頻段 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(yīng)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 保護訪問 3 和美國政府提供的聯(lián)邦信息處理標準 140-2 認證。設(shè)計無線連接（尤其是可穿戴設(shè)備）的另一個挑戰(zhàn)是與無線電傳輸相關(guān)的高功率使用，以及緊湊型應(yīng)用中的大型無線電模塊的管理。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(shè)計（圖 5）展示了高精度溫度傳感 (±0.1°C) 如何與2.4GHz 無線電頻率收發(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、無線MCU 結(jié)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(yīng)用。支持藍牙技術(shù)的 PCB 貼片參考設(shè)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)，并縮短喚醒時間。

 

圖 5. CB 貼片參考設(shè)計。

 

數(shù)據(jù)安全性

 

無線醫(yī)療傳感器貼片和患者監(jiān)護儀需要出色的安全性?；颊邤?shù)據(jù)是專有信息，數(shù)據(jù)盜竊是一個嚴重的威脅。

 

目前已經(jīng)有數(shù)種安全措施旨在保護知識產(chǎn)權(quán) (IP) 以及患者與醫(yī)生之間發(fā)送的數(shù)據(jù)。這些措施不僅要在處理和轉(zhuǎn)換為生命體征參數(shù)以進行顯示時，而且要在傳輸過程中防止攻擊，并保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?。這稱為無線安全。

 

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(shè)計工程師提供了非常有用的工具和組件以用于開發(fā)遠程醫(yī)療應(yīng)用，但 MCU/無線電器件和多核處理器的組合還支持能夠?qū)崿F(xiàn)高吞吐量、持續(xù)數(shù)據(jù)流的遠程應(yīng)用，這對于患者可視化和讀數(shù)（例如，在護士站連續(xù)顯示生命體征信息）至關(guān)重要。

 

結(jié)論

 

隨著生物醫(yī)療設(shè)計人員解決設(shè)計挑戰(zhàn)并以更實惠的價格（以及更小的尺寸，但具有連接性）向市場提供更好的無線患者監(jiān)護儀和貼片，醫(yī)學(xué)界將迅速發(fā)展。從發(fā)達國家的醫(yī)院到發(fā)展中國家的遠程醫(yī)療中心，可穿戴設(shè)備將改變醫(yī)療保健格局并幫助提供更好的護理。

 

 

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