Il s'agit d'un schéma fonctionnel de haut niveau d'un moniteur patient portable, mettant en évidence des sous-systèmes tels que la gestion de la batterie, une alimentation CC / CC non isolée, l'isolement et une interface sans fil.

Les cinq principaux défis d’ingénierie auxquels sont confrontés les dispositifs médicaux portables

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De nombreuses entreprises travaillent sur des parties des réseaux de moniteurs de patients, sinon la totalité du réseau. Ils envisagent des connexions sécurisées aux réseaux sans fil qui permettent aux prestataires de soins de suivre à distance les progrès des patients. Les produits médicaux portables d’aujourd’hui peuvent également agir comme des systèmes de réponse d’urgence personnels. Cela permet aux patients de quitter les hôpitaux plus tôt, élimine de nombreux connecteurs et câbles (sans parler des visites à la clinique) et fournit aux médecins des tonnes de données précises.

Mais comme d’habitude, il y a quelques obstacles à franchir pour passer du concept à un produit rentable. Tvoici cinq principaux défis de conception communs aux moniteurs patient: la consommation d’énergie (ou la durée de vie de la batterie), la portabilité (ou la taille), la sécurité du patient, la livraison sécurisée des données et l’intégration.

Il s’agit d’un schéma fonctionnel de haut niveau d’un moniteur patient portable, mettant en évidence des sous-systèmes tels que la gestion de la batterie, une alimentation CC / CC non isolée, l’isolement et une interface sans fil.

Vie de la batterie

Les moniteurs patient portables et portables sont généralement alimentés par batterie, et pour les consommateurs, la durée de vie de la batterie est une considération d’achat essentielle. La durée de vie de la batterie est critique car la plupart des moniteurs patient mesurent et surveillent en continu; ils sont toujours allumés. Les systèmes alimentés par batterie nécessitent un partitionnement soigneux, une bonne utilisation de peu d’espace et une utilisation efficace de la charge disponible. Les patients et les médecins veulent plus de fonctionnalités, alimentés et livrés de manière plus efficace dans des emballages plus petits et des délais plus longs entre les recharges – une tâche difficile pour une batterie.

Des fonctionnalités telles que la veille, la veille, l’économie d’énergie, la mise en veille prolongée et l’arrêt aident à réduire la consommation d’énergie et à prolonger la durée de vie de la batterie. Les heures de réveil et la consommation d’énergie en veille jouent également un rôle essentiel pour la connectivité sans fil.

Les concepteurs peuvent spécifier des microcontrôleurs basse consommation (MCU) et des circuits intégrés analogiques, mais ils ne pourront pas utiliser la plupart des dernières technologies dans leur conception à moins d’optimiser la gestion de l’énergie. Il est important de choisir une architecture d’alimentation aussi efficace que possible et avec des durées de fonctionnement de batterie étendues.

La plupart des concepteurs supposent que la commutation des contrôleurs ou des convertisseurs contribue à l’efficacité et que les régulateurs à faible décrochage (LDO) ont une faible efficacité. Mais les topologies LDO ont changé; ils peuvent fournir de faibles tensions de décrochage. Après avoir amélioré le chemin d’alimentation frontal du chargeur de batterie, des convertisseurs DC / DC à mi-rail et des LDO, il existe toujours un moyen d’utiliser un interrupteur de charge pour réduire le courant d’arrêt de toute charge. Par exemple, un module radio peut consommer plus de 10 µA en veille profonde ou en mode hibernation. Ainsi, un interrupteur de charge pourrait réduire le courant d’arrêt à seulement 10 nA. (Voir le graphique ci-dessous)

L'ajout d'un interrupteur de charge à faible fuite réduit le courant d'arrêt.L’ajout d’un interrupteur de charge à faible fuite réduit le courant d’arrêt.

Portabilité ou taille

Les appareils portables de soins de santé comprennent des moniteurs de fréquence cardiaque, des patchs multiparamètres, des moniteurs de glycémie en continu, des oxymètres de pouls portables et des moniteurs de fitness et d’activité. Beaucoup de ces appareils sont jetables ou utilisent des piles qui doivent être remplacées et non rechargées. Ainsi, les exigences globales de facteur de forme de la batterie sont strictes.

La taille de la batterie dépend du type de batterie et de la charge utilisés; le type de convertisseurs buck, boost ou buck-boost choisis; et la sélection de packages pour les appareils sans fil (ou radiofréquence).

Il y a de nouveaux appareils qui ont un cristal à l’intérieur du MCU sans fil, comme les appareils à ondes acoustiques en vrac (BAW) de Texas Instrument, qui peuvent transmettre de manière fiable les signes vitaux du patient. Ces appareils suppriment l’empreinte cristalline de la carte de circuit imprimé, réduisant ainsi la taille de la mise en page et facilitant le routage de la mise en page. L’emballage plus petit peut également conduire à une meilleure intégration et économiser encore plus d’espace.

Sécurité du patient

Les moniteurs patient multiparamètres portables mesurent les signes vitaux et utilisent l’isolation de l’alimentation et des données pour assurer la sécurité des patients. Les données et l’alimentation sont isolées à l’aide d’isolateurs numériques et d’alimentations isolées, respectivement. Il existe des défis de conception critiques associés à l’alimentation et aux données isolées, y compris la régulation de sortie, les mécanismes de rétroaction, la plage de tension d’entrée, la puissance de sortie et les considérations de taille, ainsi que les architectures de puissance appropriées. De nombreux nouveaux modules de puissance isolés, tels que les miniaturisés de TI UCC12050 Convertisseur DC / DC, supporte 500 mW de puissance de sortie avec isolation renforcée.

Données sécurisées

Les patchs de capteurs médicaux sans fil et les moniteurs patient nécessitent une sécurité de pointe. Les données des patients sont des informations exclusives. Le vol de données est une menace sérieuse.

Il existe déjà plusieurs mesures de sécurité destinées à protéger la propriété intellectuelle (PI) et les données transmises entre les patients et les médecins. Ces mesures devraient protéger contre les attaques et sécuriser les transmissions de données, non seulement pendant le traitement et la conversion en paramètres de signes vitaux pour l’affichage, par exemple, mais également pendant le transfert. C’est ce qu’on appelle la sécurité en direct.

L’intégration

Le temps nécessaire pour développer des moniteurs patient est critique car il nécessite également de nombreux tests de laboratoire et approbations standard (à la fois mondiaux et régionaux). Il est possible d’accélérer le processus avec peu d’efforts d’intégration en s’appuyant sur la connectivité avec les fournisseurs de cloud. Le téléchargement direct des données des patients dans le cloud peut économiser de l’espace pour les cartes mémoire intégrées.

La compatibilité du code entre des plates-formes telles que Bluetooth, Bluetooth Low Energy et Wi-Fi peut réduire la charge de travail de codage. L’intégration en termes de cœurs multiples, de récepteurs-émetteurs asynchrones universels, de normes d’interface et de plusieurs entrées / sorties à usage général peut prendre en charge une variété de besoins au niveau du système et sont des interfaces toutes faites tout en travaillant avec des processeurs supplémentaires.

Alors que les concepteurs biomédicaux résolvent ces défis et proposent de meilleurs moniteurs sur le marché à des prix plus abordables – et dans des tailles plus petites, mais avec une connectivité – le monde médical adoptera rapidement de nouveaux patchs. Des hôpitaux des pays développés aux centres de télémédecine des pays en développement, en passant par le diagnostic des soldats blessés sur le terrain, les appareils portables changeront le paysage des soins de santé et aideront à fournir de meilleurs soins.

Sanjay Pithadia est ingénieur système dans le secteur médical de l’ingénierie système et du marketing de Texas Instrumentsivision.

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