Fjernmonitering af patienter (RPM) udvikler sig hele tiden for at aflaste læger gennem indblik i patienternes helbred i hjemmene. Monitering er ofte baseret på single-celle batteriforsyning, og vi skal i den følgende artikel se, hvordan man kan designe en EKG-patch til patientmonitering med længst mulig batterilevetid. Vi skal se, hvordan man meget præcist kan forudsige – og forlænge – batterilevetiden, også før den overhovedet bliver aktiveret
Artiklen har været bragt i Aktuel Elektronik nr. 2 – 2025 og kan læses herunder uden illustrationer
(læs originaludgaven her)
Af Fahad Masood, teknisk stabsmedlem, Analog Devices Inc.
IoT-revolutionen har givet et paradigmeskift inden for healthcare af patienter i real-time. I dag er fjernmonitering af patienter (RPM) et område, hvor nye elektroniske produkter ændrer måden, læger interagerer med deres patienter på. Mindre IC’er og trådløs kommunikation giver tidligere årtiers produkter markant forbedret ydelse trods mindre formfaktorer med bedre patientoplevelse og bedre måleresultater. RPM’er erstatter tidligere klumpede Holter-apparater med patientovervågnings-patches, hvor sensorer opsamler hjerterytme/puls, temperatur og accelerometerdata. De aktuelle patches transmitterer patientdata til clouden, hvorfra lægerne kan få adgang til patientdata i real-time.
De nye apparater giver lægerne mulighed for en bedre patientpleje, men de udgør også en udfordring for designet af strømforsyninger, der skal balancere systemydelsen med batterilevetiden. Udfordringerne bliver ikke mindre med den nyeste generation af multifunktionelle sensorer, som giver en øget præcision og effektivitet, hvilket igen stiller større krav til strømforsyningen.
Vi skal i det følgende bruge diagrammet i figur 1 for en EKG-patch som eksempel. Denne patch moniterer kontinuert EKG og accelerometerdata og tjekker patientens temperatur hvert 15. minut. Data bliver transmitteret via et BLE-link (Bluetooth Low Energy) hver anden time med samlet 12 BLE-transaktioner dagligt. Patchen har tre forskellige tilstande med hver sin belastningsprofil for standardmonitering, temperaturmonitering og transmission. Ved standardmoniteringstilstand overvåges alene EKG og accelerometeret. I temperaturmoniteringstilstand måles også temperaturen, og ved transmission kommunikerer BLE-radioen data med en fortsat monitering af EKG- og accelerometerdata.
Udfordringer i forsyningen
En EKG-patch giver multiple designudfordringer. Designet er typisk meget pladsmæssigt begrænset, og patches med flere sensorer kan have brug for flere forsynings-rails. Da en RPM-patch normalt er tænkt som et éngangsprodukt, er et coin cell-batteri typisk den mest effektive energikilde på markedet. Ved brug af kun én coin cell til forsyning af en EKG-patch skal designeren være opmærksom på effektiviteten af det samlede forsynings-subsystem.
En ofte overset udfordring for forsyningsdesigneren er et produkts hyldeliv. Shutdown-tilstande og selvafladning af batteriet forkorter ethvert produkts levetid. Det er derfor afgørende, at designeren vurderer, om en RPM-patch kan opretholde sin forventede driftstid efter et givent hyldeliv og – hvis det ikke er tilfældet – hvad kan man så gøre for at bevare batterilevetiden, indtil en patch når ud til slutbrugeren.
Determinering af batteriets runtime
En præcis beregning af, om forsyningen hænger sammen med batterilevetiden, afhænger af belastningsprofilen. Det er en simpel repræsentation af belastningscyklus for systemet. Til fjernmoniterings-patches til patienter skal vi forestille os de tre nævnte driftstilstande: standard- og temperaturmonitering samt transmissionstilstanden.
I standardmoniteringstilstand er forbruget i patchen det viste i figur 1 (inklusive 330nA-arbejdsstrøm i hver buck-konverter og strømtrækket i MCU’en) på 1,88mA. I temperaturmoniteringstilstand er strømtrækket 1,95mA for 200ms hvert 15. minut. I transmissionstilstand trækker patchen 7,90mA i 30 sekunder hver anden time via BLE’en. Værdierne kan ses i databladene, når man ser på de aktive- og arbejdsstrømtrækkenes specifikationer.
For at begynde analysen af belastningsprofilen skal man beregne en duty cycle gennem tidsperioderne for hver driftstilstand som vist i ligning 1.
Se ligning 1 i originalartiklen
Det giver de duty cycles for patchen, som vist i tabel 1.
Ved at bruge belastningsprofilen vist i figur 2 kan vi beregne forbruget i patchen – svarende til det gennemsnitlige, daglige forbrug som vist i ligning 2.
Se ligning 2 i originalartiklen
Et regneeksempel
I vores praktiske regneeksempel til strømtrækket i standardmoniteringstilstand på 1,88mA, med en tidsfaktor for daglig brug på 0,9956, svarer det til 1,88mA × 0,9956 × 24 timer = 44,92mAh/dag.
Når hver driftstilstands daglige strømtræk er fundet, kan batterilevetiden udregnes ud fra ligning 3.
Se ligning 3 i originalartiklen
Lad os nu tænke os, at vi har en batterikapacitet på 235mAh, et strømtræk for standardmonitering på 44,92mAh/dag, for temperaturmonitering på 0,01mAh/dag og i transmissionstilstand på 0,79mAh/dag. Det giver så en batterilevetid på 235mAh/(44,92mAh/dag + 0,01mAh/dag + 0,79mA/dag) = 5,14 dage.
Hvis kravet til runtime er fem dage, kan det valgte batteri opfylde kravet med en batterilevetid på mere end 5,1 dage. Det, der snyder i den forbindelse, er, at hyldetiden for patchen ikke er med i beregningerne. I medicoverdenen er best practice for et design 14 måneder (12 måneders hyldeliv og to måneder i transit).
Hyldelivsbetragtninger
Med summering af de specificerede shutdown-strømme for systemkomponenter og en typisk årlig selvafladning på mellem en og to procent årligt for et CR2032-batteri, så kan vi regne os frem til, at efter 14 måneder vil batteriet ikke have nok kapacitet til support af en 5-dages runtime, så en batteriforsegling er nødvendig.
Batterikapaciteten efter 14 måneder falder betragteligt. Tæt på 40 procent af et CR2032-batteris energi vil blive brugt af shutdown-strømme og batteriets selvafladning på hylden. Indsætter man batterikapaciteten i ligning 3, kan man beregne en mere præcis runtime:
Batterilevetid (dage) = 146,66mAh/(standardmoniteringstilstand + temperaturmoniteringstilstand + transmissionstilstand) bliver dermed: 146,66mAh/(44,92mAh/dag + 0,01mAh/dag + 0,79mA/dag) = 3,21 dage.
Batterikapaciteten spiller også ind i forhold til selvafladningen. Et CR2032-batteri har en litiummangan-kemi, så det på et år mister typisk to procent af sin energi på hylden. Et BR2032-batteri bruger en litiumkulstofmonofluorid-kemi og har en selvafladning på 0,3 procent årligt. Man kunne måske være fristet til at sige, at batteriet med den laveste selvafladning vil være bedst til formålet, men det er ikke nødvendigvis hele sandheden. Selv om et BR2032-batteri har en lavere selvafladning, så er et BR2032-batteri med sine 200mAh også ”svagere” i længden end et CR2032-batteri, og med beregningerne kan man se, at et BR2032-batteri heller ikke er tilstrækkeligt.
I en ECG-patch giver IC’ernes shutdown-strømme de største bidrag til en reduktion af batterilevetiden under systemets power-off. Normalt skyldes shutdown-strømme, når en IC ikke er aktiv, lækstrømme og ESD-beskyttelse, og selv om det typisk er strømme på mindre end 1μA, så kan det have en massiv indflydelse på batterilevetiden. I vores RPM-patch kan shutdown-strømme reducere batterikapaciteten med op til 40 procent årligt.
Forsegling af batteriet
Man kan bruge en forsegling af batteriet for at forhindre systemet i at trække for meget strøm under shutdown. Der er normalt to typiske forseglingsmetoder, dels en mekanisk pull-tab fremstillet i mylar i designet eller en elektrisk kontakt til on/off. Mylar-/plast-tabs sidder mellem batteri og system og er en meget anvendt løsning til blandt andet elektrisk legetøj. Man trækker simpelthen tab’en ud, når man skal bruge produktet, og så forsyner batteriet systemet. Det er dog ikke altid en mulig løsning. EKG-designs skal normalt være vandtæt, en udtagelig plast-tab ville gøre opgaven tæt på umulig.
En enkel belastnings-switch som Vishays SiP32341 er derimod et excellent valg til afbrydelse af batteriet. Komponenten er en FET, som i åben tilstand blokerer batteriet fra resten af systemet, så SiP32341’erens shutdown-strøm er det eneste strømtræk på batteriet. Switchen har en logisk styring, som kan tændes via et tryk på det anvendte produkt. En SiP32341 trækker kun 14pA (typisk) i shutdown-tilstand, hvilket er en dramatisk forbedring af shutdown-strømmen i hele systemet, hvis batteriet ikke var forseglet. Med SiP32341 som batteriforsegling opretholder CR2032 som primærcelle 99,97 procent af sin kapacitet efter 14 måneder mod de ”uforseglede” 62,39 procent. Denne forbedring på tæt på 38 procent af kapaciteten betyder, at EKG-patchen har energi nok i behold til at opfylde kravet om fem dages funktion selv efter 14 måneders hyldeliv.
I vores RPM-patche er udgangspunktet efter 14 måneders hyldeliv fortsat over 99,9 procent, og vi kan derfor beregne funktionstiden ud fra en kapacitet på nu 230,25mAh i en CR2032 coin cell: 230,25mAh/(44,92mAh/dag + 0,01mAh/dag + 0,79mA/dag) = 5,04 dage.
Batterianalysen af et system i aktiv- eller low-power tilstand er kritisk for beregningen af en korrekt forsyning, der skal opfylde alle krav i et stykke medicoelektronik. Selv om vi kun ser på en EKG-patch til opsamling af puls, temperatur og accelerationsdata med BLE-kommunikation, så kan analysen og principperne nævnt i denne artikel overføres til utallige andre medicodesigns, der skal forsynes af en primærcelle.
Billedtekster:
Figur 1: EKG patch-forsyningsdiagram. Et 235mAh CR2032 litiumbatteri forsyner spændingsregulatorer, en mikrocontroller, EKG’ens front-end, en temperatursensor og et accelerometer.
Figur 2: Diagram over belastningsprofilen.
Tabel 1: Duty cycles for patchens driftstilstande.
Tabel 2: Batterikapacitet efter 14 måneder.
Tabel 3: Batterikapacitet efter 14 måneder med batteriforsegling.
