标签: 便携式医疗设备

在医疗设备行业中 ， 移动和无线医疗设备的应用、种类和数量正在突飞猛进的增长 1 ， 为电池供电医疗设备 （ Battery Powered Medical Devices ， BPMD ） 提供新的、更为精确的耗电量分析方法已经迫在眉睫。   传统方法和测试挑战 常见的 BPMD 耗电量分析方法要求设计工程师集成多个仪器和各种外部电路。通常使用示波器、数字万用表或数字化仪执行测量。这些测试设备通常是双通道，分别测量电压和电流，电流测量时也会借助分流器，同时使用电源或电池对被测医疗设备供电。在测量的时候，需要采取一定手段来控制医疗设备，使其处于不同的工作状态，并控制仪器对电流、电压、功率等数据进行测试、分析和校正。测试的过程可以是手动控制，但更多是将仪器连接到计算机，通过编写软件来控制测试，获得测试结果并进行分析。在被测件每个工作状态下，都会获得一组相关的电压参数和电流波形的文件。设计人员进一步对这些数据进行分析，以确定 BPMD 每个工作状态下的耗电量。 图 1 被测件在休眠状态下电流测量的传统设置   传统方法所获得的信息是非常有限的，而且测量的精度也可能是个大问题。以下列举了其中的几个重要的原因： 1．       示波器、数字化仪等设备测量动态电流，虽然有很高的采样率，但电流测量的精度非常有限，而且还需要借助电流探讨或电流传感器。BPMD在休眠状态的工作电流只有微安极甚至更低，而工作状态的电流可以达到百毫安甚至更高。对如此高的动态范围的工作电流进行表征，示波器或数字化仪加电流传感器的方案显然是无法胜任的。 2．          数字万用表虽然对静态的工作电流有非常高的测量精度，但由于速度很慢，无法快速测量动态的电流，例如BPMD 从休眠模 式下的低电流状态瞬间转换到工作模式下峰值电流工作状态时的信息。 3．          BPMD 耗电量是动态变化的，这使表征工作变得更加复杂。 总之，利用传统的手段只能进行简单的耗电量分析，它无法帮助您深入了解和分析 BPMD 设计，对此进行有效的改进，以便提高可靠性和优化电池使用寿命。   一体化的 解决方案 一体化的 解决方案不止是帮助您节省集成系统的时间和成本， 它更可以提高测量精度，并对测量数据进行全面而细致的分析，无需集成多台仪器和编程。您可以专注于分析更有价值的结果，充满信心地修改设计，以开发出更可靠、更节能的 BPMD 。 新的一台化测量方案采用了配置安捷伦N6781A SMU数字源表模块的安捷伦N6705B直流电源分析仪，在安捷伦14585A耗电量分析软件的辅助下，对 BPMD 耗电量进行精密 和分析。 这套配置是 标准仪器，以大量应用在手机、蓝牙及各种器件的精密耗电分析。它可以同时对被测件提供最高20W的供电，并精确测量电压和电流。这样就构成了供电、电压测量、静态和动态电流测量、功率测量的一体化解决方案，无需外部的设备或电流传感器。 结合测量功能与内置的数据记录仪功能 ， 可以捕获随时间变化的电压、电流和功率。这样不仅可以获得 BPMD 不同工作状态下的工作特性，还能精确计算 BPMD 的电池耗电量（ Ah ）。这种方案极大地简化了 BPMD 耗电量测量与分析。以下这个实例，就是对全球首个 Wi-Fi 血压监测系统（ blip ）进行表征的结果。   图 2 blip 无线血 压 周期 ： 1) 初始睡眠模式 ， 2) 按下测量血压 （ BP ） 按钮 ， 3) 向血压袖带充气 ， 4) 测量血压 ， 5) 将信息传递至 Wi-Fi 模块， 6) 通过 Wi-Fi 把血压测量信息发送至网络 ， 7) 显示血压测量结果 ， 8) 返回睡眠模式。设置游标，捕获完整测量周期内的信息。血压工作过程中值电流为 619mA 。整个周期消耗的电池容量是 2.37mAh 。   安捷伦N6781A SMU 模块 在电流测量时利用了无缝量程切换的专利技术，在以200Ksa/s 的速度采样时，提供高达28bit的有效分辨率。其超高的动态范围允许用户在测量高达 3A 的峰值电流时，同时测量几十微安的睡眠电流，分辨率高达几十纳安（ 图 3a ）。而我们常用的数字万用表中采用的自动量程功能，是根据量程的不同来切换不同的前端衰减，导致测量系统遇到 短时中断 。这样很明显会使 BPMD 的真实功耗失真。 无缝量程切换功能不会给测量带来这种中断干扰 。此外，大多数 自动量程 功能的速度远不足以检测到 短时电流脉冲 ，它可能出现过载或完全错失脉冲事件。假设仅使用一个量程（例如， blip 血压监测仪的 1V 量程、 1Ω 分流电阻）捕获峰值电流同时，还要测量 休眠 电流， 休眠 电流的测量值对于 A/D 本底噪声（ ~30µA ）而言是难以察觉的（ 图 3b ）。与传统方法不同的是，新方法能够精确地测量BPMU在打开执行器和射频传输中的动 态 瞬变 电流 ，从而更好地了解功率及对电池使用寿命的影响。   图 3a 使用无缝量程切换功能的电流测量结果 （ 平均值： 53.7µA ， 峰峰值 ： 5.5µA ） 图 3b 传统方法使用多台仪器加 Excel 的测量结果 （ 平均值：4 0.3µA ， 峰峰值： 87µA ）   图 3 休眠 模式电流测量 （未完待续）   下接： 便携医疗设备耗电分析（下）  

（接上篇） 如果希望从不同的视角更深入分析 BPMD 的功电量 ， 可使用互补累积分布函数 （ CCDF ） 。 CCDF 能够确定在所数据记录中，某部分的耗电量（ 图 4 ）。 X 轴是电流的对数标尺， y 轴是数据记录时间百分比的对数标尺。    假设接近 690mA 的 CCDF 线水平移动 ， 那么峰值电流值会发生变化。同样地，假设接近 30% 时间比的 CCDF 线垂直移动，这意味着 blip 显示其测量结果的时间百分比会发生变化。 CCDF 视图以全新的视角展示了设计中哪些功能的耗电量最大及其耗时，使您能够集中精力改善设计中消耗电量最高的部分。通过对比设计迭代的 CCDF 图形，可以快速验证改进后的效果。 CCDF 工具还可以比较不同的硬件和固化软件版本，您能够记录这些变化对 BPMD 耗电量产生的影响。 CCDF 提供非常有价值的分析和置信度，能够很好地优化您的 BPMD 耗电量。   图 4 互补累积分布函数 ： 1) 休眠模式电流 ， 2) 显示电流 3) 血压测量电流 ， 4) 袖带充气泵工作的峰值电流。 游标显示 7.7% 记录的电流消耗数据超过了 100mA 。    总结 移动和无线医疗设备的应用、种类、功能和数量正在发生翻天覆地的变化 ， 这要求设计人员更深入地了解 BPMD 的电池使用寿命 ， 完成可靠、节能的设计。传统的耗电量测量方法很难满足设计人员深层次地了解产品的耗电特性，无法精确获得动态功耗，也无法评估瞬态 功耗 对电池寿命的影响。而且，传统方法提供的测量结果，也很难为设计人员提供产品改进的线索和依据来优化 BPMD 的电池使用寿命。   借助安捷伦N6705B直流电源分析仪的一体化全新解决方案，设计人员不必再花费数周时间开发一个复杂的 BPMD 耗电量 测量系统。在新的方案中，借助电流的无缝量程切换技术、CCDF的设计分析方法等，是设计人员更轻松、更自信地优化 BPMD 产品，以延长 电池使用寿命。   安捷伦 电池耗电分析一体化解决方案 包 括了 N6705B 直流电源分析仪主机、具备无缝量程切换功能的 N6781A SMU 模块 、 14585A 控制和分析软件（ 图 5 ）。我们用它执行了图 2/3/ 4 中的测量。 图 5 安捷伦 电池耗电分析一体化解决方案 与全球首个 Wi-Fi 血压监测系统 blip   注 ： 1 据报道 ， 病患监护应用设备以 23% 的 复合年增长率 （ CAGR ） 增长 （ 2007-2011 年 ）， 预计仍将保持这一增长速率 ， 并在 2016 年达到 200 亿美元的市场规模 （ Kalorama Information ； 2012 年 7 月 ） 。与此同时，美国医疗器械促进协会（ AAMI ）认定电池管理和使用寿命将成为医院及生物医学部门面临的十大难题之一。为解决电池管理问题， FDA 与 2013 年 7 月召开 电池供电医疗设备（PBMD）研讨会：机遇与挑战 ，旨在提高公众对相关难题的认识，共同开发新的解决方案，以确保医疗设备的持续可靠性。研讨会的目标之一是“推动电池供电医疗设备的设计、制造、测试、系统集成、维护和标准化”。