远程患者监测补丁有助于医生提供更好的护理，但对必须平衡系统性能和电池寿命要求的电源设计人员来说，它们带来了挑战。

远程患者监测器（RPM）正在不断发展，以包括更多功能，使医生能够更深入地了解患者的健康状况。这些特性对为显示器供电的单电池提出了更高的要求。本文为ECG远程患者监测补丁提供了一种电源解决方案，该解决方案可延长电池寿命，以利用这些功能。本文还介绍了准确估计RPM电池寿命的策略，以及在RPM通电之前延长其电池寿命的方法。

物联网（IoT）革命使得医疗保健提供商利用技术为患者提供实时护理的方式发生了范式转变。如今，远程患者监控是一个新的医疗设备正在改变医生与患者互动方式的领域。更小的IC和无线通信使得几十年前的设备能够更新为增强的功能形状因子，从而提高患者的依从性和结果。取代过去笨重的Holter设备，目前的远程患者监测补丁包括各种传感器，可收集心率、温度和加速度计数据。这些补丁将患者数据传输到云，允许患者和医生实时访问数据。

虽然这些设备提高了医生提供更好护理的能力，但它们对电源设计师提出了挑战，他们必须平衡系统性能和电池寿命要求。随着第二代贴片采用多模态传感来提高准确性和效率，挑战进一步增加，这反过来又增加了对电源的需求。


图1。心电图贴片电源图。235毫安时CR2032锂纽扣电池为电压调节器、微控制器、ECG前端、温度传感器和加速计提供电源。（来源：模拟设备）

在本文中，我们将参考图1所示的ECG RPM补丁示例。该贴片持续监测心电图和加速计，每15分钟检查一次温度。数据通过蓝牙传输®低能量（BLE）每2小时一次，每天总共12次BLE交易。该补丁包含三种不同的模式，每种模式具有不同的负载分布：标准监测、温度监测和传输模式。在标准监测模式下，仅监测ECG和加速计。在温度监测模式下，监测额外的温度传感器。在传输模式下，BLE无线电通信数据，同时监测ECG和加速计数据。

电源挑战

设计RPM（如ECG贴片）对电源设计人员提出了多项挑战。该设计通常受到空间限制，具有多个传感器的补丁可能需要多个电源轨。因为RPM补丁通常是一次性使用的，所以硬币电池通常是设计师可用的最具成本效益的电源。仅使用硬币电池为贴片供电，设计者还必须了解电源子系统的效率。

电源设计人员经常忽视的一个挑战是延长产品的保质期。关闭电流和电池自放电会缩短任何系统的寿命。因此，设计者必须确定RPM补丁在典型的保质期后是否能够满足运行时间要求，如果不能满足，在补丁到达最终用户之前可以采取哪些步骤来保持电池寿命。

确定电池运行时间

为了准确确定电源解决方案是否满足电池寿命要求，必须确定负载分布。负载分布是系统负载占空比的简单表示。对于我们正在使用的远程患者监测补丁，我们将考虑之前介绍的三种不同的操作模式：标准监测、温度监测和传输模式。

在标准监测模式下，图1所示的贴片的电流消耗（包括每个降压转换器的330 nA静态电流和MCU的电流消耗）为1.88 mA。在温度监测模式中，每15分钟200 ms的电流消耗为1.95 mA。在传输模式下，当补丁通过BLE传输数据时，电流消耗为7.90 mA，每2小时持续30秒。通过查看活动和静态电流规格，可以在相应的设备数据表中找到这些值。

为了开始负载分布分析，使用一天中每个操作模式的时间段来确定占空比计算。使用公式1：

这给出了表1中所示的补丁的占空比。

表1。补丁操作模式的占空比

操作模式 占空比
温度测量百分比（%/天） 0.02%
BLE通信百分比（%/天） 0.42%
心电图监测持续时间（%/天） 99.56%


图2:负载分布图。（来源：模拟设备）

使用图2中的负载配置文件，我们可以计算补丁的电流消耗。取每种运行模式的有功电流消耗，每天的平均电流消耗可由公式2近似得出：

以下是计算示例：

标准监测模式每天电流=标准监测模式电流×标准监测模式占空比×24小时

标准监测模式电流=1.88 mA标准监测模式占空比=0.9956

标准监测模式每天电流=1.88 mA×0.9956×24小时=44.92 mAh/天

一旦找到了每种操作模式每天的电流消耗量，就可以通过等式3确定电池的寿命：

以下是计算示例：

电池容量=235毫安时

标准监测模式每天电流=44.92 mAh/天

每日温度监测模式电流=0.01 mAh/日传输模式电流=0.79 mAh/天

电池寿命（天）=235 mAh/（44.92 mAh/天+0.01 mAh/每天+0.79 mAh/日）=5.14天

这些计算结果表明，该设备将满足5天运行时间要求，电池寿命超过5.1天。然而，这是骗人的，因为这没有考虑系统的保质期。在医疗器械行业，最佳做法是设计14个月的保质期（12个月的货架期，两个月的运输期）。

保质期注意事项

当使用CR2032电池每年1%至2%的典型自放电率时，将系统中设备的停机电流相加，可以看出，14个月后，电池容量不足，无法支持5天的运行时间，需要电池密封。

表2。14个月后的电池容量

2%电池容量泄漏（mAh） 230.30
待机电流消耗（mA） 0.0082
保质期小时数 28085.37
保质期天数 1170.22
保质期（年） 3.21
14个月后的容量（mAh） 146.66
14个月后剩余容量百分比 63.68

上架14个月后的电池容量将严重降低。当CR2032闲置在货架上时，近40%的能量将被关闭电流和电池自泄漏消耗。将该电池容量代入方程3，可以确定更准确的运行时间：

电池寿命（天）=146.66 mAh/（标准监测模式+温度监测模式+传输模式）

电池寿命（天）=146.66 mAh/（44.92 mAh/天+0.01 mAh/每天+0.79 mAh/日）=3.21天

当在货架上放置一年以上时，电池容量会受到电池自放电和系统关闭电流的影响。电池自放电是电池化学和环境的函数。CR2032电池具有锂锰化学成分，每年自放电率为1%-2%。在一年结束时，硬币电池在休眠状态下可能会损失2%的容量。同时，BR2032电池具有一氟化锂碳化学性质，每年的自放电率为0.3%。很容易假设应用中最好的电池化学成分是放电率最低的电池，但事实并非如此。虽然BR2032电池的放电率较低，但其容量也低于200毫安时的CR2032电池。通过使用前面的公式重新计算，可以确定这样的低容量电池是否足够。

在该ECG补丁中，IC关闭电流是在系统断电时缩短电池寿命的最大因素。当IC被禁用且没有活动负载时，会产生关闭电流。这些电流通常是由于IC和IC内的ESD保护装置中的泄漏，即使在没有负载的情况下，这些装置也会消耗少量电流。这些电流通常很小（小于1μA），但会对电池寿命产生巨大影响。在这个RPM补丁中，关闭电流可以在一年内减少40%的电池容量。电池密封可用于限制系统在关机时从电池中汲取过多电流。

电池密封件的两种常见选择是聚酯薄膜拉片形式的机械电池密封件和负载开关形式的电动电池密封件。聚酯薄膜/塑料拉片提供机械电池密封，其中塑料拉片位于电池和系统之间。当设备准备好使用时，用户只需取出塑料标签，电池就开始为系统供电。这是一种简单、廉价且经验证的机械电池密封，已使用多年。然而，对于医疗设备，这种解决方案并不总是可行的。对于需要防水的ECG贴片，聚酯薄膜突出的缝隙会使贴片容易受到水损害。此外，小塑料片可能很难被灵巧度低的终端用户使用。

一个简单的负载开关，如Vishay SiP32341，将是电池密封的绝佳选择。该设备是一个FET，当打开时，它会将电池与系统的其他部分隔离开来，留下SiP32341关闭电流作为电池的唯一消耗。负载开关有一条逻辑控制线，当设备准备好使用时，可以通过按钮打开该逻辑控制线。SiP32341的典型关机电流为14pA，如果没有电池密封，这将大大提高整个系统的电流消耗。当SiP32341用作电池密封时，CR2032一次电池在14个月内保持99.97%的容量。当没有使用电池密封来保护电池免受ECG贴片关闭电流的影响时，CR2032主电池仅保留其原始电量的62.39%。这37%的容量差异使得ECG贴片在14个月的保质期后能够满足5天的要求。

表3。使用电池密封14个月后的电池容量

2%电池容量泄漏（mAh） 230.30
待机电流消耗（mA） 0.000005
保质期小时数 46060000
保质期天数 1919166.67
保质期（年） 5257.99
14个月后的容量（mAh） 230.25
14个月后剩余容量百分比 99.98

电池密封通过防止系统中的所有设备从电池中汲取关闭电流来保护电池容量。RPM补丁闲置14个月后，剩余电池容量超过99.9%。

将该电池容量代入方程3，可以确定更准确的运行时间：

电池寿命（天）=230.25 mAh/（标准监测模式+温度监测模式+传输模式）

电池寿命（天）=230.25 mAh/（44.92 mAh/天+0.01 mAh/每天+0.79 mAh/日）=5.04天

结论

当系统处于活动状态和关机/低功率模式时，系统的电池分析对于设计满足医疗设备所有要求的电源至关重要。虽然本文专门讨论了通过BLE通信收集心率、温度和加速度数据的ECG贴片，但本文中的分析和原理可应用于任何数量的由主电池供电的医疗设备系统。

参考

马克·史密斯。“应用说明7487：MAX30001的电源子系统-基于ECG的远程患者生命体征监测仪“模拟设备有限公司，2021 6月。

法哈德·马苏德是健康和医学生物传感应用技术人员的成员模拟设备他在医疗保健、计算和工业应用的电子开发方面拥有近十年的经验。Fahad获得了罗切斯特理工学院的理学学士学位，主修生物医学电子学。可以在fahad.masood@analog.com.