可穿戴式医疗设备成趋势 以生育监测器为例 解决您设计上的挑战
- 周维棻
-
医疗保健不再是医院的专利，正与人们的日常生活将愈来愈紧密。医疗设备正逐渐从“可携式”发展为“可穿戴式”，这意味着医疗设备能被长期、连续使用。本文将探讨设计上所面临的挑战并提供解决之道。
电子技术的创新正在推动穿戴式医疗设备的发展，患者可长期将设备穿戴在身上，从而提高生活品质与医疗保健品质；连续血糖监测仪、可穿戴式心脏监护仪正是众所皆知的代表。
排卵预测系统则是另一个例子，它为长期使用设备提供了全新的应用。该设备已被想要获得最大怀孕机会的女性广为使用；图1是DuoFertility品牌的生育监测器，此设备整合了许多长期监测系统中不可缺少的特性，能精准的传感女性体内的排卵过程与基础体温的微小变化，及其之间的关连。准确测量数个月经周期内的体温变化可有助于估算排卵日。
连续血糖监测仪最多连续工作1周，而生育监测设备上的传感器则可连续测量基础体温长达6个月。该设备使用此基础体温作为信息进行预测，最多可提前6天预测出排卵活动；持续监测微小的体温变化，可消除女性以手动量测体温时可能产生的许多变量。
此类设备的设计人员所面临的挑战，在于如何设计出可连续佩戴数月的物理外形；在此案例中，解决方案是制造由2个部分组成的系统。硬币大小的传感器元件通过具有生物兼容性的黏性贴片，以附着在用户身体上；掌上型阅读器元件用于分析数据，并允许用户将数据传送给医务专业人员进行深入分析。
功能上的划分可使人体佩戴的传感器尽可能微小与轻便。监测器的传感器和阅读器如图2所示。另一个挑战是预见用户所处的所有环境以及用户可能参与的活动。由于使用期长达数个月，可穿戴式设备必须适应各种情况，包括睡觉、运动、淋浴甚至是各种运动，
因此，无论是处于对开放状态亦或是被用户的胳膊覆盖，传感器的设计及其包装必需要能精确测量温度。设计人员使用1对匹配的热敏电阻来解决此问题，这两个热敏电阻可测量温度及从传感器一侧到另一侧的热流，使传感器的精度高达到千分之几。此外，考虑到用户的运动情境，便在传感器的设计中整合了加速计。
人体佩戴的电子元件必须非常微小，这意味着安装电池的空间非常有限。因此，保持低功耗是传感器设计上需面临的另一个挑战。该传感器的设计人员使用8位元PIC16F886MCU的超低功耗唤醒功能，实现了最小电流消耗。当需要读数时，传感器通电并进行测量，然后自动恢复到休眠模式，所有操作在1ms内完成。这个短暂的唤醒时间使设计人员可实现小于1µA的平均功耗，使用小型扣式CR1216锂电池即可满足设备连续工作时间长达6个月的要求。
最后，传送测量数据是生育监测器的关键。此传感器模块使用RFID协定将数据发送到阅读器，握住阅读器靠近传感器即可启动通讯。相对于数据测量，数据传送需要更大的功耗，因此设计人员将传感器的温度读数保存在16MB的独立快闪存储器中，以最大节电方式来减少电流消耗。这样阅读器数据将每隔几天上传1次。
由于长期传感器收集的数据需经由通过培训的人员来进行分析，因此，如何创造直接且高经济效率的方法来将测量数据传送到PC，并透过Internet进行通讯，也是设计中重要的考量事项。此设备的掌上型阅读器目的即在此。
阅读器通过采用nanoWatt技术的Microchip 16位元PIC24FJ256GB106 MCU内部的内建USB周边将数据传送到PC，用户可透过前面板的触控按钮输入附加数据，这些触控按钮通过MCU的内部充电时间测量单元(CTMU)和mTouc电容式触控技术来达到实现。
设备制造商可与阅读器进行通讯，以提高排卵预测的准确性，利用这一功能还可以在线上重新设定MCU。凭藉其灵活性，制造商可以运行诊断并将软件更新发送到监测系统。 随着生物学、生理学、化学和电子学领域的不断创新，旨在长期使用的可穿戴式医疗设备将提供新的诊断和治疗选项，来应对更多的疾病和病症。(本文作者为Microchip Technology医疗产品部技术顾问Marten L. Smith，周维棻整理)
