设计功耗优化型医疗保健可穿戴设备的最佳实践

众所周知，医疗保健行业由于其分散和高度复杂的系统，是新技术应用的缓慢适应者。但在当今智能互联世界的时代，医疗保健世界将进行转型，以提供互联护理解决方案。根据研究，到2025年，物联网中的医疗保健每年将花费约1万亿美元。到2025年，将有250亿到500亿台连接设备，医疗保健将在其中占有巨大的份额。得益于物联网 （IoT） 每周 7 天、每天 24 小时监测健康状况，新技术将显著改善患者的治疗效果和便利性，并降低成本。

设计人员面临的主要挑战是解决功耗和性能的冲突要求。优化的电源管理和低功耗解决方案成为医疗可穿戴设计的必要考虑因素。本文重点介绍医疗可穿戴设备的常见功耗方式、功耗优化设计及其实现技术。

医疗可穿戴设备获取电力的常见方式：

医疗可穿戴系统是一组涉及数据收集、遥测、分析和警报的子系统。以下是医疗可穿戴设备消耗电源的一些常见方式/场景：

传感器数据应连续/频繁采样，以监测患者的器官或行为

数据传输到移动应用程序或云需要（在正常健康状况下，这将是每天一次/两次）更多的功率

在警报情况下，快速和频繁地向监控设施传输数据会消耗过多的电力

Wi-Fi网络/蓝牙移动设备不可用会使医疗保健可穿戴设备处于预定义扫描持续时间的搜索模式。在此期间，设备消耗更多电量

分析患者身体传感器数据的复杂算法（通常需要更多时间才能执行）需要更多的功率

在低功耗条件下优先考虑功能：

连续使用电池供电的医疗服和无法按时使用充电设施可能会使电池容量低于阈值限制，从而迫使设备在低功耗模式下运行。但是，仍然需要快速执行与患者重要变化或警报情况监控相关的一些重要核心功能。可穿戴设备的电源管理方法应允许为此类核心功能使用增加的功率。以下是一些这样的例子：

即使在低功耗模式下，也需要用于监测患者咳嗽/呼吸/喘息音频模式以识别哮喘水平的可穿戴设备来连续捕获和分析音频

在异常情况/警报情况下，需要将数据快速报告给远程医疗机构

应使用振动器或显示设备通知用户异常健康状况

如果与监控设备（云/移动应用程序）的连接丢失，则需要在电池完全耗尽之前将异常健康状况数据存储在非易失性存储器中。进一步分析情况可能需要这些数据

电源优化型医疗可穿戴设备的架构和硬件选择：

为了帮助设计人员应对与医疗可穿戴设备相关的工程挑战，制造商正在提供片上系统（SoC）解决方案，该解决方案结合了高能效微控制器和应用处理器，用于复杂的数据分析/算法。也可以分别选择它们，并通过通信总线（I2C/UART/SPI 等）进行接口。持续监测患者健康（即连接到患者身体的传感器）和可穿戴设备健康（即用于电池监控的电量计）所需的外围设备应连接到低功耗控制器。

硬件平台和组件选择对于功耗优化的医疗可穿戴产品设计也起着重要作用。以下是需要考虑的几点：

选择支持低功耗工作模式和低功耗要求的SoC，RAM，EEPROM，连接外围设备（Wi-Fi，LTE，蓝牙）等。在选择之前，请参阅数据表并查看其功率要求

如果可能的话，使用一些现成的平台来测量实际功耗，做足够的可行性

与患者一起旅行的医疗设备的设计必须考虑到粗暴处理以及暴露在极端温度和潮湿环境中的风险

计算存储患者健康数据的内存需求。选择低功耗要求的内存

功率优化可穿戴设备的设计和实现技术：

删除/禁用未用于设备操作的不必要的软件服务

大多数时候，使高级功耗处理器保持低功耗状态。使用超低功耗控制器连续捕获数据，并在需要时唤醒高级处理器

智能蓝牙或低功耗蓝牙®会自动内置于大多数新智能手机中，因此是可穿戴设备无线通信的标准

将复杂的分析算法分为两个步骤。第一步是在低功耗控制器上运行的简单算法，用于分析异常情况的可能性。第二步是在高级功耗处理器上运行复杂的算法，以确认异常情况

在健康状况正常的情况下，减少向远程监控设施传输数据的频率

不要使网络扫描持续时间超时期限过长

在设备的低功耗模式操作情况下禁用非关键功能。即固件升级、设备自检、校准等。

禁用 SoC 中不需要的外设时钟

定义优化的数据帧格式，以减少从可穿戴设备到移动应用程序/云服务器的数据传输有效载荷

如果可能，用于通知患者异常情况的不同执行器（如振动器、LED或显示器）应与连续 ON 超低功耗模式控制器连接，以便在设备运行的大部分时间内保持高级处理器处于睡眠模式

结论：

尽管在即将到来的移动健康和医疗保健物联网时代，将有关键组件，包括高灵敏度的生物传感器，低功耗集成电子电路，低功耗和可靠的无线通信，以及显然足够的电源。由于纳米技术和材料的最新进展使得能够实现更小、更灵敏的传感器，消耗更少的能量以及低功耗和更小尺寸的电子产品，对与其他设备和移动云的通信和交互的日益依赖需要更高的功率来操作新一代设备。

在设计医疗产品时，可靠性、准确性和安全性是需要牢记的重要领域。但是，当我们将此类医疗产品转变为可穿戴领域时，其电池寿命也成为需要考虑的一个非常重要的因素。

审核编辑：郭婷