可穿戴式医疗设备迈入长时间舒适配戴的设计

可穿戴式医疗设备迈入长时间舒适配戴的设计

       医疗保健与人们的日常生活日益紧密，医疗设备也逐渐从可携式发展成可穿戴式，此趋势为设计人员带来许多新的挑战，本文将进一步探讨并提供解决之道。

电离子渗入法 

       尼古丁贴片和防晕贴片这类的可穿戴式产品为新一代的电子产品奠定了基础，电离子贴片就属新世代产品。药物电离后溶解在水溶液中，此电离混合物可在直流电作用下渗入皮肤完成注入。目前市面上的贴片可在任何部位配戴数分钟至数小时，取决于药物和所治疗的病症。

       电离子渗入疗法具有多种优势，举例来说，相较于使用注射器会使药物全身分布，使用电离子渗入疗法可使药物在局部达到极高的剂量水平，能提高疗效并减少副作用。随著电子技术(如开关式电源设计)以及低价、高效能MCU的发展，生产低成本的一次性药物分配器已成为可能，许多消费者已在使用自助式电离子渗入产品来为头痛、唇泡疹和皱纹等病症进行给药。

       放大 生育监测器：阅读器及感应器。 放大     生育监测器之感应器(左)及阅读器(右)组件图。设计人员在设计电离子渗入贴片设备时面临众多挑战，其中最大的挑战是关键电子元件制成可穿戴式组件的部分，且该组件在使用一次之后就可能被丢弃，这种情况迫使贴片电子元件必须小巧且廉价。由于是小型的一次性产品，电池成本和容量会使设计受到进一步限制，此外，设计方案还应便于修改以实现其它功能，例如更改药物剂量和灌注持续时间。

       设备要能产生足够的电压才能将药物注入皮肤，同时要能在一段时间内维持注入特定剂量所需的电流。设计成本敏感的小型电离子渗入设备可像完成直流／直流升压转换器那样简单，可驱动受控电流通过皮肤，并使用微控制器(MCU)控制转换器。升压稳压器用来升高电池的低电压，可使用价格低廉的钮扣式锂电池或碱性电池为电子贴片元件供电。

       小巧且集成度高的MCU，可同时满足成本和功能要求，Microchip的8接脚8位元PIC12F1822 MCU具有10位元ADC、固定参考电压、比较器、PWM、硬件计时器和EEPROM，可满足设计上的集成要求，适合这类设备使用。

长期监测

       随著穿戴式医疗设备的发展，患者可长期将设备穿戴在身上，提高生活及医疗保健质量。连续血糖监测仪以及可穿戴式心脏监护仪，是此类设备的知名范例。而排卵预测系统则是此类设备的特例，被想要获得最大怀孕机会的女性广为使用。女性体内的排卵过程与基础体温的微小变化相关联，准确测量月经周期内的体温变化可有助于估算排卵日。生育监测设备上的传感器可连续测量基础体温长达6个月，进行信息预测后最多可提前6天测出排卵活动，可消除女性手动测量体温时所产生的变量。

       此类设备的设计人员面临的挑战是如何设计出可连续佩戴数月的产品外形。以DuoFertility品牌的生育监测器为例，制造由两个部分组成的系统，硬币大小的传感器元件透过具有生物兼容性的黏性贴片贴附在用户身体上，而掌上型阅读器元件则用来进行数据分析。此种规划使得人体配戴的传感器将尽可能小和轻。

       另一挑战是能感应用户所处环境以及可能参与的活动。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、淋浴甚至是滑雪。无论在何种情况下，传感器的设计及包装必须使精确测量温度成为可能。设计人员使用一对匹配的热敏电阻来解决此问题，热敏电阻可测量温度以及传感器一侧到另一侧的热流，使精准度达到千分之几。此外，传感器设计中集成一加速计，将用户的运动状态纳入考虑。

       人体佩戴的电子元件必须非常微小，意味著可供安装电池的空间相当有限，传感器设计的另一个挑战便是保持极低功耗。该传感器的设计人员使用了Microchip的8位元PIC16F886 MCU，利用MCU的超低功耗唤醒功能实现了最小电流的消耗。当需要读数时，传感器通电并进行测量，然后恢复到休眠模式，以上操作在1 ms内完成。短暂的唤醒时间能实现小于1 μA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6个月的要求。

       如何传送测量数据也是挑战之一。此传感器模块使用RFID协定将数据发送到阅读器上，将阅读器靠近传感器即可启动通讯。相对于数据测量，数据传送需要更高的功耗，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，阅读器数据每隔几天上传一次，减少电流消耗。

       透过长期传感器收集的数据可传送到PC或透过Internet进行通讯，因此创造出直接且高经济效益的传输方法也是另一个设计的重点事项，此设备的另一部分「掌上型阅读器」目的即在此。阅读器透过采用nanoWatt技术的Microchip 16位元PIC24FJ256GB106 MCU内部内建USB外围将数据传送到PC，用户可透过前面板的触控按钮输入附加数据，这些触控按钮透过MCU的内部充电时间测量单元(CTMU)和mTouch电容式触控技术获得实现。