是什麼吃掉了醫療穿戴式裝置的電源?

May 8, 2017 Curt Schwaderer, Embedded Computing Design Contributing Editor

長久以來可靠性和安全性一直都是醫療設計的重心, 隨著穿戴式裝置和可攜式裝置的出現,使用性也已經變成醫療設計的主要考量。 這些以病患為主的新興設計在商業上是否可行會因為電池續航力、環境耐用性和易於使用性等因素而受到影響。

耗電量模式

打造容易使用的裝置就和設計任何行動裝置一樣,最好的其中一個辦法是儘量縮減尺寸和重量,但是這麼一來耗電量就變成首要問題。 畢竟就算裝置再纖薄,如果電池笨重還是一樣不可行。

以下是常見的裝置用電方式:

  • 醫療裝置中的一般用途 I/O (下文簡稱 GPIO) 和類比轉數位轉換器 (下文簡稱 ADC) 可能需要用來定期監控病患生命徵象
  • 如果施用藥劑,可能要定期啟動元件通訊匯流排
  • 當病患主動提示裝置或發生必須產生警示的情況時,螢幕就會開機以出現畫面
  • 生命徵象隨著時間連線回到醫療設施並產生報告的作業,每天可能會用到一或兩次的定期開機期間

彈性的電源管理

醫療裝置的電源管理規範攸關裝置的操作安全,因此非常獨特。 如果病患生命徵象出現某種變化,而且需要發出警示或施用預料之外的藥劑,那麼緊急功能的電源管理必須設有可以增量使用或立即開機的彈性。

就以胰島素幫浦為例, 一般情況下幫浦只要偶爾檢查一下血糖值即可, 但是如果病患異常亢奮或吃了含糖點心,導致血糖開始快速降低或升高,那麼就需要增加監控血糖值的頻率。

雖然螢幕這種較不緊急的元件有比較傳統的電源管理規範,但是仍然需要彈性。 舉例來說,一般情形下只有在使用者提出要求時螢幕才會開啟,而且畫面只會維持一下子, 但是如果裝置偵測到不良趨勢,螢幕可能就要自動開啟並維持顯示直到狀況解除為止。

由於醫療裝置的元件和電源管理準則如此分歧,所以才會需要全新的電源管理策略以便多管齊下區分緊急、次緊急和不緊急的功能。 因此,依不同元件等級來控制醫療裝置的電源管理功能是非常重要的。

優雅整合

整合對可攜式設備來說顯然也是很重要的一環, 挑選具有合適 I/O 的處理器就是好的開始。 預期的關鍵功能包含:

  • GPIO 和 ADC 可以連線至感應器以監控血糖值、心跳速率、血壓等項目。
  • 儲存和顯示介面可以記錄資料並產生報告
  • 序列、USB、WiFi 及其他介面可以互連至不同的醫療裝置並共用病患資料

Intel® Quark™ 微控制器 D2000 就是一個不錯的例子, 如圖 1 所示,它的晶片能提供豐富的 I/O 整合和一系列可能需要額外元件的功能。 舉例來說,處理器會整合內部電壓調節器。

圖 1. Intel Quark D2000 已高度整合。 (資料來源:Intel)

系統單晶片 (SoC) 中的每個子系統都有各自的電源狀態, 這樣用於緊急功能的元件就能實施有別於不緊急元件的電源管理策略。

當然處理器只是裝置中的一個元素, 工程師若想快點著手進行整體設計,可以使用 SBSQuark-2202 主機板 (圖 2)。 這款 25 x 35 公釐的小巧主機板整合了 Intel Quark 微控制器 D2000 與使用 RS232/485、I2C 及 SPI 供應序列通訊功能的接頭分路器, 同時還配備 32KB 的整合式快閃記憶體和 8KB 的 OTP 記憶體。

圖 2. SBS Quark-2202 堪稱麻雀雖小五臟俱全。 (資料來源:SBS)

堅固耐用和安全防護

病患隨攜式醫療裝置會遇到的風險可能就是被粗魯對待和暴露於極端溫度及濕度中。   從 SBS-2202 特別堅固耐用的設計就能看出考量這些風險有多麼重要, 它的主機板額定延伸溫度範圍為 -40C 至 +85C。 溫度監控和自動溫度超標保護可以預防裝置可能發生的損壞。

醫療物聯網也要求資料和裝置必須安全。 讓醫療裝置可以抵抗外部代理程式登入並控制可能損及裝置安全的行為是相當重要的措施。 好在 Intel Quark 微控制器 D2000 配備開機載入程式安全防護,可以為裝置執行安全的軟體更新驗證。 此外保護病患資訊也是另一個關鍵功能,晶片內建的非揮發性記憶體具備讀取/寫入存取控制功能,能夠在裝置層級就防止他人存取病患資訊,做到保護隱私的目的。

推動可攜式醫學的發展

使用者隨攜式醫療裝置持續為醫療設備帶來新興需求, 這些醫療產品不僅要符合安全性和可靠性的基本要求,還要能夠易於使用。 雖然這項挑戰一定比將醫療裝置變小更難辦到,簡潔俐落的設計永遠會比笨重累贅來得好用。

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