可穿戴式醫療設備邁入長時間舒適配戴的設計
可穿戴式醫療設備邁入長時間舒適配戴的設計
2013/08/12-周維棻 醫療保健與人們的日常生活日益緊密，醫療設備也逐漸從可攜式發展成可穿戴式，此趨勢為設計人員帶來許多新的挑戰，本文將進一步探討並提供解決之道。
電離子滲入法
尼古丁貼片和防暈貼片這類的可穿戴式產品為新一代的電子產品奠定了基礎，電離子貼片就屬新世代產品。藥物電離後溶解在水溶液中，此電離混合物可在直流電作用下滲入皮膚完成注入。目前市面上的貼片可在任何部位配戴數分鐘至數小時，取決於藥物和所治療的病症。
電離子滲入療法具有多種優勢，舉例來說，相較於使用注射器會使藥物全身分布，使用電離子滲入療法可使藥物在局部達到極高的劑量水準，能提高療效並減少副作用。隨著電子技術(如開關式電源設計)以及低價、高效能MCU的發展，生產低成本的一次性藥物分配器已成為可能，許多消費者已在使用自助式電離子滲入產品來為頭痛、唇泡疹和皺紋等病症進行給藥。
設計人員在設計電離子滲入貼片設備時面臨眾多挑戰，其中最大的挑戰是關鍵電子元件製成可穿戴式組件的部分，且該組件在使用一次之後就可能被丟棄，這種情況迫使貼片電子元件必須小巧且廉價。由於是小型的一次性產品，電池成本和容量會使設計受到進一步限制，此外，設計方案還應便於修改以實現其他功能，例如更改藥物劑量和灌注持續時間。
設備要能產生足夠的電壓才能將藥物注入皮膚，同時要能在一段時間內維持注入特定劑量所需的電流。設計成本敏感的小型電離子滲入設備可像完成直流／直流升壓轉換器那樣簡單，可驅動受控電流通過皮膚，並使用微控制器(MCU)控制轉換器。升壓穩壓器用來升高電池的低電壓，可使用價格低廉的鈕扣式鋰電池或鹼性電池為電子貼片元件供電。
小巧且整合度高的MCU，可同時滿足成本和功能要求，Microchip的8接腳8位元PIC12F1822 MCU具有10位元ADC、固定參考電壓、比較器、PWM、硬體計時器和EEPROM，可滿足設計上的整合要求，適合這類設備使用。
長期監測
隨著穿戴式醫療設備的發展，患者可長期將設備穿戴在身上，提高生活及醫療保健品質。連續血糖監測儀以及可穿戴式心臟監護儀，是此類設備的知名範例。而排卵預測系統則是此類設備的特例，被想要獲得最大懷孕機會的女性廣為使用。女性體內的排卵過程與基礎體溫的微小變化相關聯，準確測量月經週期內的體溫變化可有助於估算排卵日。生育監測設備上的感測器可連續測量基礎體溫長達6個月，進行資訊預測後最多可提前6天測出排卵活動，可消除女性手動測量體溫時所產生的變數。
此類設備的設計人員面臨的挑戰是如何設計出可連續佩戴數月的產品外形。以DuoFertility品牌的生育監測器為例，製造由兩個部分組成的系統，硬幣大小的感測器元件透過具有生物相容性的黏性貼片貼附在用戶身體上，而掌上型閱讀器元件則用來進行數據分析。此種規劃使得人體配戴的感測器將盡可能小和輕。
另一挑戰是能感應用戶所處環境以及可能參與的活動。由於使用期長達數個月，可穿戴式設備必須適應各種情況，包括睡覺、運動、淋浴甚至是滑雪。無論在何種情況下，感測器的設計及包裝必須使精確測量溫度成為可能。設計人員使用一對匹配的熱敏電阻來解決此問題，熱敏電阻可測量溫度以及感測器一側到另一側的熱流，使精準度達到千分之幾。此外，感測器設計中整合一加速計，將用戶的運動狀態納入考慮。
人體佩戴的電子元件必須非常微小，意味著可供安裝電池的空間相當有限，感測器設計的另一個挑戰便是保持極低功耗。該感測器的設計人員使用了Microchip的8位元PIC16F886 MCU，利用MCU的超低功耗喚醒功能實現了最小電流的消耗。當需要讀數時，感測器通電並進行測量，然後恢復到休眠模式，以上操作在1 ms內完成。短暫的喚醒時間能實現小於1 µA的平均功耗，使用小型扣式CR1216鋰電池即可滿足設備連續工作6個月的要求。
如何傳送測量數據也是挑戰之一。此感測器模組使用RFID協定將數據發送到閱讀器上，將閱讀器靠近感測器即可啟動通訊。相對於數據測量，數據傳送需要更高的功耗，因此設計人員將感測器的溫度讀數保存在16MB的獨立快閃記憶體中，閱讀器數據每隔幾天上傳一次，減少電流消耗。
透過長期感測器收集的數據可傳送到PC或透過Internet進行通訊，因此創造出直接且高經濟效益的傳輸方法也是另一個設計的重點事項，此設備的另一部分「掌上型閱讀器」目的即在此。閱讀器透過採用nanoWatt技術的Microchip 16位元PIC24FJ256GB106 MCU內部內建USB週邊將數據傳送到PC，用戶可透過前面板的觸控按鈕輸入附加數據，這些觸控按鈕透過MCU的內部充電時間測量單元(CTMU)和mTouch電容式觸控技術獲得實現。
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