Bateryjny system zasilania do aplikacji zdalnego monitorowania pacjenta

Aplikacje Internetu Rzeczy (IoT) zmieniają opiekę medyczną i pozwalają dzięki nowoczesnym technologiom zapewnić pacjentom nieprzerwaną opiekę i nadzór nad stanem zdrowia. Zdalne monitorowanie pacjentów to także obszar, w którym nowe urządzenia medyczne zmieniają sposób interakcji lekarzy z pacjentami. Miniaturyzacja i komunikacja bezprzewodowa umożliwiły ponadto unowocześnienie urządzeń znanych od dziesięcioleci w celu uzyskania większej wygody i funkcjonalności. Zastępują one dzisiaj stare i nieporęczne urządzenia holterowskie oraz zawierają różne czujniki, które gromadzą dodatkowe dane dotyczące tętna, temperatury ciała i dane na temat aktywności ruchowej. Takie dane pacjentów są przesyłane do chmury, umożliwiając pacjentom i lekarzom dostęp do nich w czasie rzeczywistym.

Z punktu widzenia projektantów elektroniki urządzenia te stanowią wyzwanie w zakresie zrównoważenia wydajności działania i żywotności baterii. Znalezienie kompromisu staje się coraz trudniejsze wraz z rozwojem liczby wykorzystywanych sensorów, w celu poprawy dokładności i skuteczności nadzoru, co z kolei zwiększa wymagania dotyczące zasilania.

Schemat blokowy przykładowego mobilnego kardiomonitora pokazano na rysunku 1. Urządzenie to stale monitoruje EKG oraz aktywność pacjenta za pomocą akcelerometru, a także co 15 minut sprawdza temperaturę ciała. Dane są przesyłane przez Bluetooth Low Energy (BLE) raz na 2 godziny, co daje łącznie 12 połączeń dziennie. Aplikacja działa w trzech różnych trybach, każdy o odrębnych wymaganiach w zakresie zasilania: monitorowanie EKG i ruchu, sprawdzanie temperatury i transmisja danych. EKG kontrolowane jest cały czas, ale w trybie monitorowania temperatury odczytywany jest ponadto czujnik temperatury. W trybie transmisji wysyłane są dane, ale jednocześnie odczytywane są dane EKG i stan akcelerometru.

Problemy z zasilaniem

Projektowanie aplikacji medycznych zasilanych z baterii, takich jak kardiomonitor, stawia przed projektantami zasilania wiele wyzwań. Konstrukcja urządzenia jest zwykle ograniczona przestrzennie, a użycie kilku czujników może wymagać więcej niż jednej szyny zasilającej. Taki monitor jest zwykle sprzętem jednorazowym, stąd niewymienna bateria guzikowa jest najbardziej opłacalnym źródłem energii. Jej użycie wymaga zwrócenia uwagi na dostępną wydajność podsystemów zasilania dla poszczególnych obwodów.

Często pomijanym zagadnieniem jest wydłużenie okresu trwałości produktu (okresu między wyprodukowaniem a pierwszym użyciem po zakupie). Rzadko brane pod uwagę są wartości prądów w stanie wyłączenia i proces samorozładowania ogniwa, które mogą skrócić trwałość każdego systemu. Dlatego ważne jest, aby projektant określił, czy monitor spełni wymagania dotyczące długiego czasu pracy, a jeśli nie wiedział jakie kroki można podjąć, aby przedłużyć trwałość produktu.

Określanie czasu pracy

 

Rys. 1. Schemat systemu zasilania kardiomonitora EKG. Bateria litowa CR2032 o pojemności 235 mAh zasila stabilizatory, mikrokontroler, głowicę EKG, czujnik temperatury i akcelerometr

Aby określić, czy system zasilania spełni wymagania dotyczące działania z użyciem baterii, należy stworzyć profil obciążenia. Pod tym hasłem kryje się opis cyklu pracy. W standardowym trybie monitorowania pobór prądu wynosi 1,88 mA (rys. 1). Wartość ta uwzględnia prąd spoczynkowy 330 nA każdego konwertera buck i pobór prądu przez MCU. W trybie monitorowania temperatury zwiększa się on do wartości 1,95 mA w czasie 200 ms co 15 minut. Z kolei w trybie transmisji pobór prądu wynosi 7,90 mA w czasie 30 s co 2 godziny, gdy przesyłane są dane przez BLE. Wartości te można obliczyć, posługując się kartami katalogowymi poszczególnych układów, patrząc na wartości prądu w stanie aktywnym i spoczynkowym. Do analizy profilu obciążenia oblicza się cykl pracy na podstawie czasu działania dla każdego stanu w ciągu dnia, a wyniki zebrano w tabeli 1:

Współczynnik wypełnienia = Czas działania × częstotliwość: 86400 sekund w ciągu dnia.

Zgodnie z pokazanym na rysunku 2 profilem obciążenia możemy obliczyć średni pobór prądu. Do tego należy wziąć pobór prądu w każdym trybie pracy i odnieść go do czasu, w którym jest pobierany:

Średni pobór prądu w ciągu dnia = Pobór prądu × Współczynnik wypełnienia × 24 h.

Przykładowo:

Średni pobór prądu w ciągu dnia = Pobór prądu× Współczynnik wypełnienia×24 h = 1,88 mA×0,9956×24 h = 44,92 mAh/dzień.

Po określeniu dziennego poboru prądu w każdym trybie, czas pracy urządzenia z użyciem baterii o danej pojemności można określić za pomocą:

Czas pracy z baterii = Pojemność ogniwa : Suma średnich poborów prądu w ciągu dnia.

Przykład:

Pojemność baterii = 235 mAh

Prąd w trybie standardowym na dzień = 44,92 mAh/dzień

Prąd w trybie monitorowania temperatury na dzień = 0,01 mAh/dzień

Prąd na dzień w trybie transmisji = 0,79 mAh/dzień

Czas pracy z baterii = 235 mAh/(44,92 mAh/dzień + 0,01 mAh/dzień + 0,79 mA/dzień) = 5,14 dnia.

Wyniki tych obliczeń pokazują, że urządzenie spełni wymagania dotyczące 5-dniowego czasu pracy. Obliczenia nie uwzględniają jednak okresu, gdy wyprodukowany sprzęt będzie magazynowany i transportowany. W branży wyrobów medycznych najlepszą praktyką jest projektowanie na 14 miesięcy trwałości (12 miesięcy na półce, dwa miesiące w transporcie). To wymaga uwzględniania w szacunkach.

Rozważania dotyczące okresu przechowywania

Sumując prądy pobierane przez urządzenie w stanie wyłączenia, przy typowym współczynniku samorozładowania od 1% do 2% rocznie dla baterii CR2032, można zauważyć, że po 14 miesiącach bateria taka nie będzie miała wystarczającej energii, aby zapewnić wymagane 5 dni pracy. W takim przypadku konieczne będzie użycie plomby izolacyjnej dla baterii, a więc zapewnienie fizycznego jej rozłączenia w okresie przed użytkowaniem.

Po 14 miesiącach przechowywania pojemność baterii znacznie się zmniejszy – prawie 40% energii początkowej zostanie zużyte na skutek niezerowego prądu pobieranego w stanie wyłączenia i samoczynnego rozładowanie ogniwa. Wstawiając pozostałą po okresie magazynowania pojemność baterii do równania, można określić czas działania urządzenia w warunkach zmniejszonej pojemności:

Działanie przez dni = 146,66 mAh/(tryb standardowy + tryb monitorowania temperatury + okres transmisji) = 146,66 mAh/(44,92 mAh/dzień + 0,01 mAh/dzień + 0,79 mA/dzień) = 3,21 dnia,

Na dostępną w momencie zakupu produktu pojemność ogniwa wpływa jej samorozładowanie i prądy pobierane przez aplikację w stanie wyłączenia. Ogniwo CR2032 wykorzystuje chemię litowo-manganową i ma niewielki współczynnik samorozładowania, od 1% do 2% rocznie. Ale bateria BR2032 bazująca na monofluorku litowo-węglowym ma ten spółczynnik jeszcze mniejszy wynoszący ok. 0,3% rocznie. Pozornie można przypuszczać, że jest to lepsze ogniwo o niższym współczynniku rozładowania, ale niestety BR2032 ma również mniejszą pojemność niż ogniwo baterii CR2032 tj. 200 mAh, a więc nie tędy droga.

Co więcej, w największym stopniu na żywotność baterii w kardiomonitorze wpływają prądy pobierane przez układy scalone w stanie wyłączenia, gdy system przez długi czas nie działa. Są one wynikiem upływności w obwodach oraz w zabezpieczeniach elektrostatycznych. Wartości są zwykle małe (tj. poniżej 1 μA), ale mogą mieć ogromny wpływ na dostępną w chwili uruchomienia pojemność baterii, zmniejszając wartość początkową nawet o 40% w ciągu roku. Użycie plomby może pomóc w takim przypadku.

Plomba baterii na czas przechowywania to przekładka z folii mylarowej wyciągana z oprawki przed pierwszym użyciem. Po odpakowaniu użytkownik wyciąga plastikową blokadę i bateria zaczyna zasilać system. Jest to proste, tanie i sprawdzone mechaniczne rozwiązanie, które jest stosowane od wielu lat. Jednak w przypadku urządzeń medycznych takie rozwiązanie nie zawsze jest możliwe. W przypadku kardiomonitora wymagana jest wodoodporność, stąd szczelina, z której wystaje folia mylarowa, może wywołać uszkodzenie przez wodę. Ponadto mała plastikowa klapka może być potencjalnie trudna w użyciu dla starszej osoby o małej zręczności i o gorszym wzroku.

Uszczelnienie wycieku energii z baterii może też zapewnić prosty przełącznik zasilania, jak SiP32341 firmy Vishay. Układ ten zawiera tranzystor FET, który odcina baterię od reszty systemu, pobierając z niej jedynie własny niewielki prąd wyłączenia. Przełącznik ten ma logiczne wejście sterujące, które można podłączyć do przycisku mechanicznego, a jego typowy prąd w stanie wyłączenia (shutdown) to jedynie 14 pA, co stanowi ogromną poprawę w stosunku do poprzednio wymienionych wartości. Po dodaniu do aplikacji SiP32341 ogniwo CR2032 zachowa 99,97% swojej pojemności po upływie 14 miesięcy i w praktyce istotne dla czasu przechowywania będzie wyłącznie jego samorozładowanie. 37-procentowa różnica w dostępnej pojemności pozwala na spełnienie wymogu działania przez 5 dni po 14 miesiącach przechowywania i to z zapasem.

Przełącznik zasilania odcinający baterię od reszty systemu chroni ogniwo przed utratą energii, zapobiegając rozładowaniu przez prąd pobierany w stanie gotowości (standby). Dzięki temu rozwiązaniu po 14 miesiącach przechowywania pozostaje ponad 99,9% pierwotnej pojemności baterii. Chociaż w tym artykule omówiono rozwiązanie mobilnego kardiomonitora, która gromadzi dane dotyczące tętna, temperatury i przyspieszenia za pomocą komunikacji BLE, analizę i zasady projektowe zawarte w tym artykule można zastosować do podobnych systemów urządzeń medycznych zasilanych z baterii pierwotnych.

Fahad Masood, Analog Devices

Arrow Electronics Poland
tel. 22 558 82 66
www.arrow.com