مقدر التكنولوجيا القابلة للارتداء لتكون أساسا لثورة الصحة الرقمية، ذكي والتحكم الآلي في الوقت الحقيقي / مراقبة ستكون معظم التطبيقات الهامة في المجال الطبي، يمكن أن توفر الرعاية عالية الجودة وتحسين نوعية الحياة للمرضى الذين يعانون من أمراض مزمنة . وتجدر الإشارة إلى أن الجهاز مشكلة في الطاقة يمكن ارتداؤها قد يكون عقبة يصعب التغلب عليها.
يتم دمج كل جيل جديد من الأساور اللياقة البدنية والساعات الذكية مع المزيد من الميزات، وهذه الأجهزة يمكن ارتداؤها المزيد والمزيد من الوظائف النتائج عادة في أعلى استهلاك الطاقة. بالطبع، ينطبق نفس القاعدة أيضا على الأجهزة الطبية. ومع ذلك، لسباقات المضمار والميدان مثل المريض مراقبة جهاز القيود يمكن ارتداؤها الفضاء صارمة، واستخدام بطاريات أكبر لا يمكن، بالتالي، تحتاج إلى تقنيات أكثر ابتكارا إدارة الطاقة للسيطرة على مستوى الميزانية طاقة النظام.
إذا كنت تريد أن تلعب دور جهاز يمكن ارتداؤها، يجب أن يكون المريض قادرا على أن ترتديه مريح لفترة طويلة (لأنه في معظم الحالات، قد تحتاج إلى أن ترتديه باستمرار، من أجل أن تكون قادرة على جمع البيانات المطلوبة). لا ينبغي أن يكون الجهاز يمكن ارتداؤها ثقيلة جدا، مما يؤدي إلى التعب المرضى، خصوصا عند النظر في المرضى المسنين تطبيق أو الرضع.
تصميم نقاط
تحتاج أي الأجهزة الطبية يمكن ارتداؤها لدمج مختلف المكونات الإلكترونية من المفتاح. وتشمل هذه:
وحدة متحكم (MCU)، وإدارة البيانات ومعالجة البيانات.
بعض شكل من أشكال بطارية لتخزين الطاقة اللازمة للتشغيل.
مجسات، مثل التسارع، والجيروسكوبات، وترصد معدل ضربات القلب، وما شابه ذلك.
دعم بلوتوث الطاقة منخفضة واجهة (بليه) التواصل أو الاتصال القريب المجال (NFC) وغيرها من التقنيات.
المسؤولين عن آلية التشفير لحماية البيانات (لضمان أن المعلومات الطبية الخاصة محمي).
MCU وأجهزة الاستشعار التي تحدد خصائص وقدرات الجهاز، وبالتالي يحدد التطبيق المقصود. يجب أن تكون الأجهزة الطبية السريرية درجة عالية من الدقة وموثوق بها وسهلة لإدارة وحماية البيانات ذات كفاءة عالية، قادرة على تسجيل البيانات في الوقت امتد إلى سنة أو أكثر. مثل هذا النظام لإدارة المشاريع هندسة الطاقة مستوى التصميم تضم عدد وافر من وحدات وظيفية، حيث امدادات الطاقة على أساس الاحتياجات المختلفة تتقاسم بعض نطاق السلطة التوالي. بهذه الطريقة، والتخطيط الأمثل يمكن أن تتحقق في كل مجال، لتحقيق أقصى قدر من الكفاءة في استهلاك الطاقة (الشكل 1). بعض المجالات يمكن تعطيل تماما عندما لا تكون قيد الاستعمال، مثل عضو RF، وغير حساس لارتفاع رسوم ظيفة دورة الزمن. تقع في جوهر النظام يجب أن تكون منخفضة للغاية MCU السلطة لإدارة الطاقة والتكامل عالية من الأجهزة الطرفية معا.
الشكل 1: النموذجية الداخلية المجالات الدائرة الكهربائية مع مختلف تكوين الجهاز يمكن ارتداؤها.
تكنولوجيا البطاريات
جهاز يمكن ارتداؤها الأكثر شيوعا مادة كيميائية هي بطارية ليثيوم أيون (ليثيوم أيون)، والليثيوم أيون بوليمر (ليبو). على العضوية بطارية أيون الليثيوم بالكهرباء تتكون من الجهد الاسمي 3.2V ~ 4V (الابتدائي والثانوي). هذه المواد الكيميائية اثنين في سعة التخزين المختلفة، التي بطارية ليثيوم أيون أعلى.
تأثير بطارية ليثيوم أيون على البيئة هي صغيرة نسبيا، ولها بنية متوسطة الحجم وخفيفة الوزن. ومع ذلك، ويرتبط بهذه قدرة البطارية مباشرة إلى حجمه، وبالتالي في التصاميم الفضاء مقيدة سبب انخفاض كبير لتخزين الطاقة. الجرافين وغيرها من المواد بطارية التكنولوجيا تقدما، ويضمن التكنولوجيا الجديدة أعلى بكثير من بطارية ليثيوم أيون الحالية، والتطبيقات المستقبلية يمكن أن تستفيد من مستوى تخزين الطاقة، وتهدف العديد من المشاريع البحثية الجارية في هذا الهدف. وتقدم أبحاث تكنولوجيا النانو سيمكن مكثف السوبر باعتباره طريقة تخزين الطاقة، ويمكن استخدامه للجهاز يمكن ارتداؤها.
منخفضة للغاية القوة MCU
تطبيقات الجهاز الطبي يمكن ارتداؤها، ويجب أن تكون قادرة على استهلاك ما يقرب غ المستوى الحالي في وضع الاستعداد، وهو أعلى الحالية في عدة مئات من أمبير تنفيذها بالكامل MCU. MCU فقط لمعالجة البيانات من أجهزة الاستشعار، ويجب أيضا إدارة السلطة، ويتم تزويد التيار إلا عند جزء معين من نظام المطلوبة، حتى لا تهدر الطاقة.
مكسيم المتكاملة MAX32660 MCU (انظر الشكل 2) لتطبيقات الأجهزة القابلة للارتداء، لتوفير مزيج مثالي من الأداء والكفاءة في استهلاك الطاقة. لديها 32 بت ARM اللحاء-M4 وبنيت النواة FPU يمكن الوصول إلى الذاكرة المتقدمة كافية لتشغيل الخوارزمية، ويمكن إدارة أي نوع من أجهزة الاستشعار مرتبطة بها. لديه MCU أيضا أداء الرائدة في صناعة الطاقة (تصل إلى 50W / ميغاهيرتز)، WLP حزمة مدمجة، وقياس فقط 1.6mm وس 1.6mm و.
رسم تخطيطي كتلة وظيفية من MAX32660: FIG.
رقاقة المتاحة في طائفة واسعة من منخفضة للغاية القوة MCU 32 بت، لطلب السوق يلتقي يمكن ارتداؤها الطبية، بما في ذلك على أساس الحد الأدنى SAM D MCU ARM اللحاء-M0 + العمارة، حتى سلسلة من أدنى مستوى قوة فائقة وعالية الأداء PIC32MX SAM L سلسلة XLP. وMCU في نشط استهلاك الطاقة وضع أقل من أسبوع 35A / ميغاهيرتز، 200nA الحالية في يستهلك وضع السكون فقط. إنهم السمات الغنية، بما في ذلك ميناء LCD، مكبر للصوت التشغيلي، وساعة الوقت الحقيقي mTouch الاستشعار عن بعد، واجهة DMA وUSB متكاملة. أنها مرتبطة أيضا إلى الأجهزة الطرفية المنخفضة للطاقة، من أجل تحقيق تبادل البيانات مع تأخر قليلا (انظر الشكل 3) في حالة حيث لا CPU المقاطعة.
FIG 3: كتلة مخطط وظيفي لرقاقة PIC32MX.
حلول MCU 32 بت الأخرى المستخدمة في مجال يمكن ارتداؤها مزيد تتألف السيليكون مختبرات EFM32 العملاق أبو بريص على أساس ARM اللحاء M3. عملاق أبو بريص MCU يمكن أن توفر الطاقة المنخفضة الأجهزة الطرفية تخصيص، بما في ذلك تحسين الأمن التشفير AES، UART، واجهة أجهزة الاستشعار واستهلاك الطاقة من مكبر للصوت التشغيلي (لمزيد من التفاصيل، انظر الشكل 4).
الشكل 4: EFM32 كتلة وظيفية الرسم التخطيطي.
حصاد الطاقة
كما ناقشنا أعلاه، الجهاز يمكن ارتداؤها لم تكن واحدة من الأسباب الرئيسية وتستخدم على نطاق واسع في السوق المهنية الطبية هي الحاجة لشحن البطارية على أساس منتظم، هؤلاء المرضى قد ينسى أو تتطلب الممرضات للقيام بالعمل. من خلال تحسين كيمياء البطارية الداخلية، هو استخدام تكنولوجيا بديلة حصاد الطاقة. ويمكن جمع هذه الخلايا من مصدر خارجي للطاقة (مثل أشعة الشمس، أو تحريك التدرج الحراري) لشحن الجهاز الطبي، فإنه يمكن تشغيل إلى أجل غير مسمى دون الحاجة لشحن البطارية.
للحصول على طاقة يعتمد على الطاقة تبدد من قبل الحركة أو حرارة الجسم وحينها. بالنسبة للشخص العادي، وهذا الرقم هو حوالي 107 جول / يوم، وهو ما يعادل تخزين البطارية من 20kg 2500MA / ساعة من الطاقة الكهربائية، من الناحية النظرية، يمكن استخدامها بشكل فعال إذا، سوف تكون قادرة على توفير احتياطيات كافية من الطاقة.
الطاقة الحرارية من خلال الاستفادة من تأثير التكنولوجيا Seebeck (تأثير Seebeck) الحرارة إلى كهرباء، والتي تعتمد على الفرق في درجة الحرارة بين الجانبين الساخنة والباردة التدرجات يتناسب مع فرق الجهد، لتصميم نظام لأشباه الموصلات التي تشكل العنصر بلتيير يتم توفيرها عنصرا ضروريا. للجهاز يمكن ارتداؤها لتشتيت الحرارة يمكن استخدامها في الجانب الدافئ من الجسم، في حين أن البيئة المحيطة يمكن استخدامها باعتبارها الجانب البارد للتكنولوجيا الحرارية جمع الطاقة اللازمة. على عكس (فقط خلال اليوم) لجمع الطاقة الشمسية من الخلايا الضوئية، واحدة من المزايا الرئيسية لهذا الترتيب هو أن ليلا ونهارا مع الاستخدام المستدام للطاقة.
شكل آخر من أشكال حصاد الطاقة باستخدام اهتزاز الأطراف وحركة المريض لإنتاج طاقة ميكانيكية. في هذه الحالة، فإن العنصر كهرضغطية توليد تيار بعد كل الحركة الميكانيكية. لجهاز حصاد الطاقة يمكن ارتداؤها، تم تصميم عنصر كهرضغطية عموما أن تكون حينها يمشي، والاهتزاز ولدت عند التنفس أو نقل الأسلحة والساقين لتوليد تيار. وورث إلكترونيات الطاقة حصاد الحل إلى العودة أدوات تطوير يمكن بسهولة الحصول على تقنيات حصاد الطاقة لتساعد المطورين بناء دوائر إدارة الطاقة للجهاز يمكن ارتداؤها.
تحويل DC / DC
DC / DC محول هو مهمة جميع الأجهزة الطرفية لتوفير والحفاظ على الجهد المستمر. تعليمات من خلال MCU، فمن الممكن لإدارة كل من الطاقة المخزنة في بطارية ليثيوم أيون، هذه المكونات تحتاج إلى مؤشرات تلبية متطلبات صارمة، في حين تستهلك القليل من الطاقة كما. LTC3107 الخطية للتقنية (FIG 5) هو درجة عالية من التكامل محولات DC / DC، وأنظمة محدودة السلطة تهدف إلى إطالة عمر البطارية من خلال آلية حصاد الطاقة الأولية. باستخدام جزء صغير من الطاقة الحرارية، فإنه يمكن تمديد عمر البطارية بشكل ملحوظ، والحد من تكاليف الصيانة غالبا ما ترتبط مع استبدال البطارية.
FIG 5: LTC3107 DC / DC تحويل الدائرة هو تطبيق نموذجي.
تواصل لبس الجهاز الطبي الاتجاه التصغير، مع التكامل أصغر حجما وأعلى من الحزمة، مما يتطلب نظام إدارة الطاقة أكثر تقدما، وفي كثير من الحالات، يتطلب أيضا شكلا من أشكال التكنولوجيا حصاد الطاقة. حدد الدوائر الرقمية المناسبة، وبطارية وحلول تحويل DC / DC المقابلة هو أساس منخفضة للغاية القوة المطلوبة لإكمال التصميم.
