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嘉峪檢測(cè)網(wǎng) 2025-01-02 14:19
得益于物聯(lián)網(wǎng)和電子技術(shù)的發(fā)展，醫(yī)療護(hù)理越來越個(gè)性化、持續(xù)性。如今，需要接受密切監(jiān)測(cè)和持續(xù)用藥的患者可以借助可穿戴式醫(yī)用注射器進(jìn)行治療。醫(yī)務(wù)人員可以通過無線通信監(jiān)測(cè)并調(diào)整藥量和流速。較小的注射器尺寸可滿足患者日?；顒?dòng)的需求，讓患者擺脫有線設(shè)備的負(fù)擔(dān)或限制（圖1）。
圖1：互聯(lián)給藥系統(tǒng)正在顛覆患者的用藥方式
設(shè)計(jì)人員必須開發(fā)出隨時(shí)可靠運(yùn)行的產(chǎn)品。產(chǎn)品須盡量滿足高效的要求，以最大限度延長(zhǎng)電池的續(xù)航能力。鑒于注射器的空間和重量有限，設(shè)計(jì)人員須盡量減少組件數(shù)量，縮小組件尺寸，在集成所有基本功能的同時(shí)確保設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。
本文為設(shè)計(jì)人員提供了針對(duì)過流和靜電放電等電氣危險(xiǎn)的電路保護(hù)建議，并介紹了一些可實(shí)現(xiàn)低能耗電路設(shè)計(jì)的特殊傳感和檢測(cè)組件。采用這些組件可讓產(chǎn)品在滿足小型、輕便、低能耗的同時(shí)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠運(yùn)行。
1、可穿戴式醫(yī)用注射器的描述
圖2：可穿戴式醫(yī)用注射器示例及推薦保護(hù)和控制組件
圖2為一個(gè)可穿戴式醫(yī)用注射器。注射器圖示周圍展示了為注射器電路提供保護(hù)和有效控制的組件。圖3為可穿戴式醫(yī)用注射器的框圖?？驁D右側(cè)的表格列出了建議在特定電路模塊中使用的保護(hù)和控制組件。
長(zhǎng)壽命鋰離子（Li-ion）電池為醫(yī)用注射器供電。采用USB電源為電池充電。根據(jù)注射器電源要求，需使用USB-A、USB-B或USB-C接口為電池充電。USB-A和USB-B接口可提供20 W的充電功率，而USB-C接口可提供100 W的充電功率。
圖3：可穿戴式醫(yī)用注射器框圖
微控制器單元（MCU）驅(qū)動(dòng)注射器的電機(jī)，并根據(jù)活動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)和位置傳感器獲得定位反饋。注射器通過無線通信接口傳輸數(shù)據(jù)，并從醫(yī)務(wù)人員處接收修改設(shè)置。
2、穩(wěn)定的保護(hù)功能
設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行需要防止電氣危險(xiǎn)。使用專用組件可預(yù)防危險(xiǎn)，保護(hù)電路模塊。如果使用USB-A或USB-B接口，高分子聚合物正溫度系數(shù)（PPTC）的自恢復(fù)保險(xiǎn)絲可為USB輸入電路提供過流保護(hù)。請(qǐng)選擇電阻極低的PPTC保險(xiǎn)絲，以盡量減少電流通過保險(xiǎn)絲產(chǎn)生的功率損耗。對(duì)于大多數(shù)額定電流，PPTC保險(xiǎn)絲的內(nèi)部電阻均低于1Ω。PPTC保險(xiǎn)絲采用節(jié)省空間的小型表面貼裝封裝。
針對(duì)更高功率的USB-C接口，可采用更全面的USB輸入電路保護(hù)替代方案。這是一張單芯片解決方案，即一種四側(cè)引腳表面貼裝集成電路，集過流、過壓和過熱故障保護(hù)功能于一身。圖4展示了該組件的框圖，屬于Littelfuse eFuse™電子保險(xiǎn)絲保護(hù)集成電路系列。除了過流、過壓和過熱故障保護(hù)外，該電子保險(xiǎn)絲還具有軟啟動(dòng)電路，可最大限度減少浪涌電流，并具有欠壓鎖定功能，可在電源電壓達(dá)到適當(dāng)水平之前阻止操作。為了最大限度地降低功率損耗，該電子保險(xiǎn)絲采用導(dǎo)通電阻（26 mΩ）極低的串聯(lián)負(fù)載開關(guān)FET。一旦檢測(cè)到任何故障情況，負(fù)載開關(guān)FET就會(huì)將輸入電壓降至可關(guān)閉注射器的水平。這款電子保險(xiǎn)絲采用DFN1.2×1.6_4L表面貼裝封裝，可節(jié)省空間。
圖4：低能耗電子保險(xiǎn)絲（型號(hào)：LS0504EDD12；5.5V、4A）（圖片來源：Littelfuse）
電池管理集成電路監(jiān)控電池的充電狀態(tài)（SoC）和健康狀態(tài)（SoH），最大限度延長(zhǎng)電池壽命。要保障電路穩(wěn)定運(yùn)行，就必須提供靜電放電保護(hù)。瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）的雙向二極管陣列包含兩個(gè)陽極對(duì)陽極連接的TVS二極管，可安全吸收高達(dá)±30 kV的靜電放電沖擊。該型號(hào)的TVS二極管可達(dá)到納秒級(jí)響應(yīng)，并將電壓箝位至10V，以保障電池集成電路穩(wěn)定運(yùn)行。
電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路需預(yù)防電源浪涌和靜電放電。TVS二極管可保護(hù)電路免受這兩種危害?，F(xiàn)有的表面貼裝組件可安全吸收高達(dá)400 W的浪涌脈沖功率和30 kV的靜電放電沖擊。這些TVS二極管的瞬態(tài)響應(yīng)速度非?？欤坏? ps。有兩種配置可供選擇，單向單二極管設(shè)計(jì)和雙向陰極對(duì)陰極器件。
TVS二極管還具有保護(hù)顯示、預(yù)防無線通信電路靜電放電的功能。低電容TVS二極管可以最大限度減少低電平射頻信號(hào)失真，避免接收信號(hào)時(shí)產(chǎn)生的誤差。只需少量組件就能保護(hù)電路免受電氣危險(xiǎn)。這些組件能耗極低，采用表面貼裝封裝，有效節(jié)省空間。
3、不斷優(yōu)化的高效傳感和控制功能
要最大限度降低能耗并節(jié)約空間，就需要高效、小型的傳感和控制電路模塊。設(shè)計(jì)人員可以采用以下方法實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)。
劑量輸送檢測(cè)電路需要借助開關(guān)來指示藥瓶的位置。可提供寬3.5毫米×深2.8毫米×高3.35毫米、作動(dòng)力低至35克的表面貼裝檢測(cè)開關(guān)。接觸電阻低至500 mΩ，使用壽命超過100,000次。設(shè)計(jì)人員可選擇頂部或側(cè)面啟動(dòng)。
活動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)電路具有多種功能，包括藥瓶安全指示、注射器輸出電流是否接觸患者皮膚的驗(yàn)證。該電路還能激活藥物注射并進(jìn)行藥物劑量監(jiān)測(cè)。設(shè)計(jì)人員可以采用以下幾種方法檢測(cè)這些狀態(tài)。
第一種啟動(dòng)方式是小尺寸、隱秘、通過頂部操作、表面貼裝的按壓式開關(guān)。尺寸為寬2.5 mm×深1.65 mm×高0.55 mm。該開關(guān)的防潮和防塵等級(jí)為IP67級(jí)。使用壽命可高達(dá)30萬次，接觸電阻低至500 mΩ。第二種是檢測(cè)開關(guān)，可通過電路檢測(cè)到輸注的劑量。
第三種是磁簧開關(guān)。設(shè)計(jì)人員可以采用靈敏度可變的超小型密封磁簧開關(guān)。磁驅(qū)動(dòng)不會(huì)消耗電路中的電能，開關(guān)的漏電流微不足道，僅能以皮安計(jì)量。
第四種選擇是隧穿磁阻（TMR）開關(guān)。它由一個(gè)磁隧道結(jié)傳感器和CMOS電路組成。這種磁力觸發(fā)數(shù)字開關(guān)集高靈敏度和超低能耗于一體。圖5是隧穿磁阻開關(guān)的框圖。溫度補(bǔ)償穩(wěn)壓電路可確保內(nèi)部電路的電壓穩(wěn)定性。施密特觸發(fā)器具有開關(guān)滯后特性，可抑制噪聲。CMOS推挽電路提供輸出驅(qū)動(dòng)。
圖5：包含隧穿磁阻傳感器和驅(qū)動(dòng)電路的集成開關(guān)（圖片來源：Littelfuse）
隧穿磁阻開關(guān)位于注射器柱塞腔底部的一端，有一塊小磁鐵安裝在注射器柱塞上。當(dāng)電機(jī)將柱塞推向注射器底部和隧穿磁阻開關(guān)時(shí)，開關(guān)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)不斷增大的輸出電壓，并切換邏輯狀態(tài)。開關(guān)會(huì)提示柱塞的位置。微控制器（MCU）利用位置信息確定注射藥物的體積。
隧穿磁阻開關(guān)在1.8V-5V的電路供電時(shí)僅消耗200 nA電流，可檢測(cè)到低至5高斯的磁場(chǎng)。CMOS輸出可直接連接到MCU，無需使用額外組件。高靈敏度和低能耗最大限度地減少了電池能耗，使隧穿磁阻開關(guān)成為可穿戴式注射器進(jìn)行藥物劑量監(jiān)測(cè)的最佳解決方案。
注射器采用微處理器或微控制器進(jìn)行控制。單芯片MCU可以提供所有所需功能，且能耗較低，有利于節(jié)省儲(chǔ)存空間和能耗。MCU的睡眠模式可大大降低非活動(dòng)狀態(tài)期間的能耗。
高效的8位MCU可用于控制注射器的運(yùn)行?，F(xiàn)有MCU的運(yùn)行電流低至2 mA。放緩時(shí)脈速度設(shè)置可進(jìn)一步降低工作電流。這些MCU配置了低能耗非活動(dòng)狀態(tài)模式，電流消耗最低可達(dá)0.7μA。這些型號(hào)可配備15個(gè)分辨率為12位的ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換通道、16 kb閃存和片上陣列式溫度傳感器。此外，這些MCU配置了用于PWM驅(qū)動(dòng)電機(jī)的高分辨率計(jì)時(shí)器。
MCU還配置了外設(shè)I/O端口，經(jīng)優(yōu)化后可與無線通信芯片組件連接。為了有效控制電機(jī)，可使用柵極驅(qū)動(dòng)器連接MCU和功率模塊MOSFET或IGBT的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。柵極驅(qū)動(dòng)器配置了TTL和CMOS電路輸入，可直接連接到MCU輸出控制線。采用一種邏輯輸入類型——施密特觸發(fā)器，最大限度降低了電機(jī)扭矩紋波，在高低側(cè)輸出間具有50 ns傳播延遲，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)的精確控制。
4、可穿戴式醫(yī)用注射器的標(biāo)準(zhǔn)
為保證患者安全，醫(yī)療器械受到嚴(yán)格監(jiān)管。表1為產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師在研發(fā)符合標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備時(shí)必須遵守的全球通用標(biāo)準(zhǔn)。需掌握這些標(biāo)準(zhǔn)及其對(duì)設(shè)備設(shè)計(jì)的影響，這對(duì)醫(yī)療設(shè)備能否獲得監(jiān)管部門批準(zhǔn)至關(guān)重要。
表1：可穿戴式醫(yī)用注射器的適用標(biāo)準(zhǔn)
5、穩(wěn)定高效的專業(yè)設(shè)計(jì)
可穿戴式醫(yī)用注射器必須保持每周7天、每天24小時(shí)不間斷運(yùn)行。因此，確保其性能穩(wěn)定可靠至關(guān)重要。注射器不宜過流、過壓、過熱、靜電放電。增加供電保護(hù)組件可以滿足設(shè)備體積小、能耗低和重量輕的要求。本文介紹的表面貼裝低能耗組件可以最大限度減少對(duì)電路的不利因素，也不會(huì)對(duì)尺寸、能耗和重量等產(chǎn)生重大影響。
設(shè)計(jì)人員可以利用組件制造商的專業(yè)知識(shí)節(jié)省開發(fā)時(shí)間和合規(guī)成本。產(chǎn)品應(yīng)用工程師可以幫助設(shè)計(jì)人員選擇經(jīng)濟(jì)高效的保護(hù)和控制組件，也可以指導(dǎo)適用標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的設(shè)計(jì)要求。為了節(jié)省測(cè)試成本，并避免因多次符合性測(cè)試而造成產(chǎn)品交付延誤，部分制造商可以進(jìn)行預(yù)先符合性測(cè)試，以防測(cè)試失敗。在專家的協(xié)助下，結(jié)合應(yīng)用推薦的組件，能制造出低能耗、堅(jiān)固耐用、尺寸小、重量輕的可穿戴式醫(yī)用注射器。
原文來源：Medical Design Briefs
圖片來源：Littelfuse
文章翻譯：Medtec Team
來源：Medtec醫(yī)療器械設(shè)計(jì)與制造
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