眾所周知，醫(yī)療保健行業(yè)由于其分散和高度復(fù)雜的系統(tǒng)，是新技術(shù)應(yīng)用的緩慢適應(yīng)者。但在當(dāng)今智能互聯(lián)世界的時代，醫(yī)療保健世界將進(jìn)行轉(zhuǎn)型，以提供互聯(lián)護(hù)理解決方案。根據(jù)研究，到2025年，物聯(lián)網(wǎng)中的醫(yī)療保健每年將花費約1萬億美元。到2025年，將有250億到500億臺連接設(shè)備，醫(yī)療保健將在其中占有巨大的份額。得益于物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 每周 7 天、每天 24 小時監(jiān)測健康狀況，新技術(shù)將顯著改善患者的治療效果和便利性，并降低成本。

設(shè)計人員面臨的主要挑戰(zhàn)是解決功耗和性能的沖突要求。優(yōu)化的電源管理和低功耗解決方案成為醫(yī)療可穿戴設(shè)計的必要考慮因素。本文重點介紹醫(yī)療可穿戴設(shè)備的常見功耗方式、功耗優(yōu)化設(shè)計及其實現(xiàn)技術(shù)。

醫(yī)療可穿戴設(shè)備獲取電力的常見方式：

醫(yī)療可穿戴系統(tǒng)是一組涉及數(shù)據(jù)收集、遙測、分析和警報的子系統(tǒng)。以下是醫(yī)療可穿戴設(shè)備消耗電源的一些常見方式/場景：

傳感器數(shù)據(jù)應(yīng)連續(xù)/頻繁采樣，以監(jiān)測患者的器官或行為

數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭苿討?yīng)用程序或云需要（在正常健康狀況下，這將是每天一次/兩次）更多的功率

在警報情況下，快速和頻繁地向監(jiān)控設(shè)施傳輸數(shù)據(jù)會消耗過多的電力

Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)/藍(lán)牙移動設(shè)備不可用會使醫(yī)療保健可穿戴設(shè)備處于預(yù)定義掃描持續(xù)時間的搜索模式。在此期間，設(shè)備消耗更多電量

分析患者身體傳感器數(shù)據(jù)的復(fù)雜算法（通常需要更多時間才能執(zhí)行）需要更多的功率

在低功耗條件下優(yōu)先考慮功能：

連續(xù)使用電池供電的醫(yī)療服和無法按時使用充電設(shè)施可能會使電池容量低于閾值限制，從而迫使設(shè)備在低功耗模式下運行。但是，仍然需要快速執(zhí)行與患者重要變化或警報情況監(jiān)控相關(guān)的一些重要核心功能。可穿戴設(shè)備的電源管理方法應(yīng)允許為此類核心功能使用增加的功率。以下是一些這樣的例子：

即使在低功耗模式下，也需要用于監(jiān)測患者咳嗽/呼吸/喘息音頻模式以識別哮喘水平的可穿戴設(shè)備來連續(xù)捕獲和分析音頻

在異常情況/警報情況下，需要將數(shù)據(jù)快速報告給遠(yuǎn)程醫(yī)療機構(gòu)

應(yīng)使用振動器或顯示設(shè)備通知用戶異常健康狀況

如果與監(jiān)控設(shè)備（云/移動應(yīng)用程序）的連接丟失，則需要在電池完全耗盡之前將異常健康狀況數(shù)據(jù)存儲在非易失性存儲器中。進(jìn)一步分析情況可能需要這些數(shù)據(jù)

電源優(yōu)化型醫(yī)療可穿戴設(shè)備的架構(gòu)和硬件選擇：

為了幫助設(shè)計人員應(yīng)對與醫(yī)療可穿戴設(shè)備相關(guān)的工程挑戰(zhàn)，制造商正在提供片上系統(tǒng)（SoC）解決方案，該解決方案結(jié)合了高能效微控制器和應(yīng)用處理器，用于復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析/算法。也可以分別選擇它們，并通過通信總線（I2C/UART/SPI 等）進(jìn)行接口。持續(xù)監(jiān)測患者健康（即連接到患者身體的傳感器）和可穿戴設(shè)備健康（即用于電池監(jiān)控的電量計）所需的外圍設(shè)備應(yīng)連接到低功耗控制器。

硬件平臺和組件選擇對于功耗優(yōu)化的醫(yī)療可穿戴產(chǎn)品設(shè)計也起著重要作用。以下是需要考慮的幾點：

選擇支持低功耗工作模式和低功耗要求的SoC，RAM，EEPROM，連接外圍設(shè)備（Wi-Fi，LTE，藍(lán)牙）等。在選擇之前，請參閱數(shù)據(jù)表并查看其功率要求

如果可能的話，使用一些現(xiàn)成的平臺來測量實際功耗，做足夠的可行性

與患者一起旅行的醫(yī)療設(shè)備的設(shè)計必須考慮到粗暴處理以及暴露在極端溫度和潮濕環(huán)境中的風(fēng)險

計算存儲患者健康數(shù)據(jù)的內(nèi)存需求。選擇低功耗要求的內(nèi)存

功率優(yōu)化可穿戴設(shè)備的設(shè)計和實現(xiàn)技術(shù)：

刪除/禁用未用于設(shè)備操作的不必要的軟件服務(wù)

大多數(shù)時候，使高級功耗處理器保持低功耗狀態(tài)。使用超低功耗控制器連續(xù)捕獲數(shù)據(jù)，并在需要時喚醒高級處理器

智能藍(lán)牙或低功耗藍(lán)牙?會自動內(nèi)置于大多數(shù)新智能手機中，因此是可穿戴設(shè)備無線通信的標(biāo)準(zhǔn)

將復(fù)雜的分析算法分為兩個步驟。第一步是在低功耗控制器上運行的簡單算法，用于分析異常情況的可能性。第二步是在高級功耗處理器上運行復(fù)雜的算法，以確認(rèn)異常情況

在健康狀況正常的情況下，減少向遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)施傳輸數(shù)據(jù)的頻率

不要使網(wǎng)絡(luò)掃描持續(xù)時間超時期限過長

在設(shè)備的低功耗模式操作情況下禁用非關(guān)鍵功能。即固件升級、設(shè)備自檢、校準(zhǔn)等。

禁用 SoC 中不需要的外設(shè)時鐘

定義優(yōu)化的數(shù)據(jù)幀格式，以減少從可穿戴設(shè)備到移動應(yīng)用程序/云服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳輸有效載荷

如果可能，用于通知患者異常情況的不同執(zhí)行器（如振動器、LED 或顯示器）應(yīng)與連續(xù) ON 超低功耗模式控制器連接，以便在設(shè)備運行的大部分時間內(nèi)保持高級處理器處于睡眠模式

結(jié)論：

盡管在即將到來的移動健康和醫(yī)療保健物聯(lián)網(wǎng)時代，將有關(guān)鍵組件，包括高靈敏度的生物傳感器，低功耗集成電子電路，低功耗和可靠的無線通信，以及顯然足夠的電源。由于納米技術(shù)和材料的最新進(jìn)展使得能夠?qū)崿F(xiàn)更小、更靈敏的傳感器，消耗更少的能量以及低功耗和更小尺寸的電子產(chǎn)品，對與其他設(shè)備和移動云的通信和交互的日益依賴需要更高的功率來操作新一代設(shè)備。

在設(shè)計醫(yī)療產(chǎn)品時，可靠性、準(zhǔn)確性和安全性是需要牢記的重要領(lǐng)域。但是，當(dāng)我們將此類醫(yī)療產(chǎn)品轉(zhuǎn)變?yōu)榭纱┐黝I(lǐng)域時，其電池壽命也成為需要考慮的一個非常重要的因素。

審核編輯：郭婷