智能醫(yī)療：可穿戴式醫(yī)療設(shè)備設(shè)計挑戰(zhàn)及對策

 醫(yī)療保健不再是醫(yī)院的專利，它們與人們?nèi)粘Ｉ畹年P(guān)系日益緊密。醫(yī)療設(shè)備正逐漸從便攜式設(shè)備發(fā)展為可穿戴式設(shè)備，這樣就意味著設(shè)備應(yīng)能夠長期連續(xù)使用。這些新設(shè)備給設(shè)計人員帶來了許多新的挑戰(zhàn)。本文將探討其中一些挑戰(zhàn)并給出解決之策。

藥物灌注療法人體可穿戴的醫(yī)療設(shè)備并不新鮮。許多人都熟悉尼古丁貼片和暈動病貼片之類的可穿戴式產(chǎn)品。它們?yōu)樾乱淮娮赢a(chǎn)品奠定了基礎(chǔ)。電離子透入貼片就是這種新生代產(chǎn)品的其中一員。

電離子透入療法通過電流使藥物透過皮膚完成注入。透皮藥物電離后溶解在水溶液中，并敷在貼片中的電極上。然后，這種經(jīng)過特殊配制的電離混合物可在直流電流的作用下透過皮膚，如圖1所示。目前使用的大多數(shù)貼片可在任何部位佩戴數(shù)分鐘到數(shù)小時，具體取決于藥物和所治療的病癥。

圖1：典型電離子透入過程電離子透入療法具有多種優(yōu)勢。首先，藥品可在局部達(dá)到極高的劑量水平，而不像注射器注射那樣使藥品分布在全身。這種局部用藥治療方法能提高療效并減小副作用。

隨著電子技術(shù)(如開關(guān)電源設(shè)計)以及經(jīng)濟(jì)高效的高性能MCU的發(fā)展，生產(chǎn)低成本的一次性藥物分配器已成為可能。許多消費者已經(jīng)在使用自助式電離子透入產(chǎn)品針對多種病癥(包括頭痛、感冒瘡和皺紋)進(jìn)行給藥。

設(shè)計人員在設(shè)計電離子透入貼片之類的設(shè)備時面臨眾多挑戰(zhàn)，其中最大的挑戰(zhàn)是關(guān)鍵電子元件位于設(shè)備的可穿戴部分，而該部分在使用一次后就會被丟棄。這種情況迫使貼片電子元件必須小巧且廉價。同時，由于這是小型的一次性產(chǎn)品，電池成本和容量使設(shè)計受到了進(jìn)一步限制。而且，設(shè)計方案還應(yīng)便于修改以實現(xiàn)其他功能，例如更改藥物劑量和灌注的持續(xù)時間。

要使藥物透過皮膚完成注入，設(shè)備必須產(chǎn)生足夠的電壓，以提供能在規(guī)定的一段時間內(nèi)維持特定注入劑量率所需的電流。設(shè)計成本敏感的小型電離子透入設(shè)備所要完成的工作，可以像直流/直流升壓轉(zhuǎn)換器那樣簡單，它可驅(qū)動受控電流通過皮膚，并使用單片機(jī)(MCU)控制轉(zhuǎn)換器。

升壓穩(wěn)壓器用于將電池的低電壓升高到足夠高的水平，從而使所需電流通過皮膚?？墒褂昧畠r的紐扣式鋰電池或者堿性電池為貼片電子元件供電。

要同時滿足成本和功能要求，則需要小巧又高度集成的MCU.Microchip的8引腳8位PIC12F1822 MCU就可用于這種設(shè)備，其具有內(nèi)部10位ADC、固定參考電壓、比較器、PWM、硬件定時器和EEPROM，可滿足設(shè)計的集成要求。固定參考電壓可消除對穩(wěn)壓器或外部參考電壓源的需求，并使設(shè)計保持在8引腳MCU范疇內(nèi)，以降低成本并減小電路板尺寸。

長期監(jiān)測電子技術(shù)的創(chuàng)新正在推動穿戴式醫(yī)療設(shè)備的發(fā)展，患者可長期將設(shè)備穿戴在身上，從而提高生活質(zhì)量和醫(yī)療保健質(zhì)量。連續(xù)血糖監(jiān)測儀和可穿戴式心臟監(jiān)護(hù)儀正是此類設(shè)備的兩個眾所周知的示例。

排卵預(yù)測系統(tǒng)是此類設(shè)備的一個特例，它將設(shè)備的長期使用帶到了一個全新高度。該設(shè)備已被想要獲得最大懷孕機(jī)會的女性廣為使用。DuoFertility品牌的生育監(jiān)測器就是這樣一種可穿戴式設(shè)備，如圖2所示。此設(shè)備由Cambridge Temperature Concepts制造，集成了許多對于長期監(jiān)測系統(tǒng)通常必不可少的特性。

圖2：生育監(jiān)測器的閱讀器和傳感器女性體內(nèi)的排卵過程與基礎(chǔ)體溫的微小變化相關(guān)聯(lián)。準(zhǔn)確測量多個月經(jīng)周期內(nèi)的體溫變化可有助于估算排卵日。

連續(xù)血糖監(jiān)測儀可設(shè)計成最多連續(xù)工作一周，而生育監(jiān)測設(shè)備上的傳感器可連續(xù)測量基礎(chǔ)體溫長達(dá)六個月。該設(shè)備使用此信息進(jìn)行預(yù)測，最多可提前六天預(yù)測出排卵活動。持續(xù)監(jiān)測微小的體溫變化可消除女性必須手動測量體溫時可能產(chǎn)生的許多變數(shù)。

此類設(shè)備的設(shè)計人員所面臨的一個挑戰(zhàn)是設(shè)計出可連續(xù)佩戴數(shù)月的物理外形。在此例中，解決方案是制造由兩個部分組成的系統(tǒng)。硬幣大小的傳感器單元通過具有生物相容性的粘性貼片附在用戶身體上。手持式閱讀器單元用于分析數(shù)據(jù)，并允許用戶將數(shù)據(jù)傳送給醫(yī)務(wù)專業(yè)人員進(jìn)行深入分析。這種功能劃分可以使人體佩戴的傳感器盡可能小和輕。監(jiān)測器的傳感器和閱讀器框圖如圖3所示。

圖3：傳感器和閱讀器的框圖另一個挑戰(zhàn)是預(yù)見用戶所處的所有環(huán)境以及用戶可能參與的活動。由于使用期長達(dá)幾個月，可穿戴式設(shè)備必須適應(yīng)各種情況，包括睡覺、運動、淋浴甚至是滑雪。在這種情況下，傳感器的設(shè)計及其包裝必須使精確測量溫度成為可能，無論是傳感器處于對外界開放的狀態(tài)還是被用戶的胳膊覆蓋。設(shè)計人員使用一對匹配的熱敏電阻來解決此問題。這兩個熱敏電阻可測量溫度以及從傳感器一側(cè)到另一側(cè)的熱流，使傳感器的精度達(dá)到千分之幾度。此外，在傳感器設(shè)計中集成了一個加速計，從而可考慮到用戶的運動。

人體佩戴的電子元件必須非常小，這意味著可供安裝電池的空間非常有限。因此，傳感器設(shè)計的另一個挑戰(zhàn)是保持極低功耗。該傳感器的設(shè)計人員使用了8位PIC16F886 MCU，以盡可能減小傳感器的電流消耗。他們利用MCU的超低功耗喚醒功能實現(xiàn)了最小電流消耗。

當(dāng)需要讀數(shù)時，傳感器通電并進(jìn)行測量，然后恢復(fù)到休眠模式;所有操作在1 ms內(nèi)完成。這個短暫的喚醒時間使設(shè)備設(shè)計人員可實現(xiàn)小于1μA的平均功耗，因此使用小型鈕扣式CR1216鋰電池即可滿足設(shè)備連續(xù)工作六個月的要求。

另一個挑戰(zhàn)是傳送測量數(shù)據(jù)。此傳感器模塊使用改進(jìn)的RFID協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送到閱讀器，握住閱讀器靠近傳感器即可啟動通信。相對于數(shù)據(jù)測量，數(shù)據(jù)傳送需要更高的功耗，因此設(shè)計人員將傳感器的溫度讀數(shù)保存在16兆字節(jié)的獨立閃存中，以便最大程度地減少電流消耗。這樣閱讀器數(shù)據(jù)將每隔幾天上傳一次。由于長期傳感器收集的數(shù)據(jù)可能需要由經(jīng)過培訓(xùn)的人員進(jìn)行分析，因此創(chuàng)造一種直接且經(jīng)濟(jì)高效的方法來將測量數(shù)據(jù)傳送到PC和通過Internet進(jìn)行通信也是另外一個重要的設(shè)計考慮事項。此設(shè)備的第二個部分——手持式閱讀器即用于此目的。

閱讀器通過采用nanoWatt技術(shù)的Microchip 16位PIC24FJ256GB106 MCU內(nèi)部的片上USB外設(shè)將數(shù)據(jù)傳送到PC.用戶可通過前面板按鈕輸入附加數(shù)據(jù)，這些按鈕通過MCU的內(nèi)部充電時間測量單元(CTMU)和mTouch電容式觸摸技術(shù)實現(xiàn)。

設(shè)備制造商可與閱讀器進(jìn)行通信，以提高排卵預(yù)測的準(zhǔn)確性。利用這一功能還可以遠(yuǎn)程重新配置MCU.憑借其靈活性，制造商可以運行診斷并將軟件更新發(fā)送到監(jiān)測系統(tǒng)。

隨著生物學(xué)、生理學(xué)、化學(xué)和電子學(xué)領(lǐng)域的不斷創(chuàng)新，旨在長期使用的可穿戴式醫(yī)療設(shè)備將提供新的診斷和治療選項，來應(yīng)對更多的疾病和病癥。