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嘉峪檢測網 2025-01-02 14:19
得益于物聯網和電子技術的發展，醫療護理越來越個性化、持續性。如今，需要接受密切監測和持續用藥的患者可以借助可穿戴式醫用注射器進行治療。醫務人員可以通過無線通信監測并調整藥量和流速。較小的注射器尺寸可滿足患者日常活動的需求，讓患者擺脫有線設備的負擔或限制（圖1）。
圖1：互聯給藥系統正在顛覆患者的用藥方式
設計人員必須開發出隨時可靠運行的產品。產品須盡量滿足高效的要求，以最大限度延長電池的續航能力。鑒于注射器的空間和重量有限，設計人員須盡量減少組件數量，縮小組件尺寸，在集成所有基本功能的同時確保設備穩定運行。
本文為設計人員提供了針對過流和靜電放電等電氣危險的電路保護建議，并介紹了一些可實現低能耗電路設計的特殊傳感和檢測組件。采用這些組件可讓產品在滿足小型、輕便、低能耗的同時實現穩定可靠運行。
1、可穿戴式醫用注射器的描述
圖2：可穿戴式醫用注射器示例及推薦保護和控制組件
圖2為一個可穿戴式醫用注射器。注射器圖示周圍展示了為注射器電路提供保護和有效控制的組件。圖3為可穿戴式醫用注射器的框圖。框圖右側的表格列出了建議在特定電路模塊中使用的保護和控制組件。
長壽命鋰離子（Li-ion）電池為醫用注射器供電。采用USB電源為電池充電。根據注射器電源要求，需使用USB-A、USB-B或USB-C接口為電池充電。USB-A和USB-B接口可提供20 W的充電功率，而USB-C接口可提供100 W的充電功率。
圖3：可穿戴式醫用注射器框圖
微控制器單元（MCU）驅動注射器的電機，并根據活動狀態檢測和位置傳感器獲得定位反饋。注射器通過無線通信接口傳輸數據，并從醫務人員處接收修改設置。
2、穩定的保護功能
設備穩定運行需要防止電氣危險。使用專用組件可預防危險，保護電路模塊。如果使用USB-A或USB-B接口，高分子聚合物正溫度系數（PPTC）的自恢復保險絲可為USB輸入電路提供過流保護。請選擇電阻極低的PPTC保險絲，以盡量減少電流通過保險絲產生的功率損耗。對于大多數額定電流，PPTC保險絲的內部電阻均低于1Ω。PPTC保險絲采用節省空間的小型表面貼裝封裝。
針對更高功率的USB-C接口，可采用更全面的USB輸入電路保護替代方案。這是一張單芯片解決方案，即一種四側引腳表面貼裝集成電路，集過流、過壓和過熱故障保護功能于一身。圖4展示了該組件的框圖，屬于Littelfuse eFuse™電子保險絲保護集成電路系列。除了過流、過壓和過熱故障保護外，該電子保險絲還具有軟啟動電路，可最大限度減少浪涌電流，并具有欠壓鎖定功能，可在電源電壓達到適當水平之前阻止操作。為了最大限度地降低功率損耗，該電子保險絲采用導通電阻（26 mΩ）極低的串聯負載開關FET。一旦檢測到任何故障情況，負載開關FET就會將輸入電壓降至可關閉注射器的水平。這款電子保險絲采用DFN1.2×1.6_4L表面貼裝封裝，可節省空間。
圖4：低能耗電子保險絲（型號：LS0504EDD12；5.5V、4A）（圖片來源：Littelfuse）
電池管理集成電路監控電池的充電狀態（SoC）和健康狀態（SoH），最大限度延長電池壽命。要保障電路穩定運行，就必須提供靜電放電保護。瞬態電壓抑制器（TVS）的雙向二極管陣列包含兩個陽極對陽極連接的TVS二極管，可安全吸收高達±30 kV的靜電放電沖擊。該型號的TVS二極管可達到納秒級響應，并將電壓箝位至10V，以保障電池集成電路穩定運行。
電機驅動電路需預防電源浪涌和靜電放電。TVS二極管可保護電路免受這兩種危害。現有的表面貼裝組件可安全吸收高達400 W的浪涌脈沖功率和30 kV的靜電放電沖擊。這些TVS二極管的瞬態響應速度非常快，不到1 ps。有兩種配置可供選擇，單向單二極管設計和雙向陰極對陰極器件。
TVS二極管還具有保護顯示、預防無線通信電路靜電放電的功能。低電容TVS二極管可以最大限度減少低電平射頻信號失真，避免接收信號時產生的誤差。只需少量組件就能保護電路免受電氣危險。這些組件能耗極低，采用表面貼裝封裝，有效節省空間。
3、不斷優化的高效傳感和控制功能
要最大限度降低能耗并節約空間，就需要高效、小型的傳感和控制電路模塊。設計人員可以采用以下方法實現這兩個設計目標。
劑量輸送檢測電路需要借助開關來指示藥瓶的位置。可提供寬3.5毫米×深2.8毫米×高3.35毫米、作動力低至35克的表面貼裝檢測開關。接觸電阻低至500 mΩ，使用壽命超過100,000次。設計人員可選擇頂部或側面啟動。
活動狀態檢測電路具有多種功能，包括藥瓶安全指示、注射器輸出電流是否接觸患者皮膚的驗證。該電路還能激活藥物注射并進行藥物劑量監測。設計人員可以采用以下幾種方法檢測這些狀態。
第一種啟動方式是小尺寸、隱秘、通過頂部操作、表面貼裝的按壓式開關。尺寸為寬2.5 mm×深1.65 mm×高0.55 mm。該開關的防潮和防塵等級為IP67級。使用壽命可高達30萬次，接觸電阻低至500 mΩ。第二種是檢測開關，可通過電路檢測到輸注的劑量。
第三種是磁簧開關。設計人員可以采用靈敏度可變的超小型密封磁簧開關。磁驅動不會消耗電路中的電能，開關的漏電流微不足道，僅能以皮安計量。
第四種選擇是隧穿磁阻（TMR）開關。它由一個磁隧道結傳感器和CMOS電路組成。這種磁力觸發數字開關集高靈敏度和超低能耗于一體。圖5是隧穿磁阻開關的框圖。溫度補償穩壓電路可確保內部電路的電壓穩定性。施密特觸發器具有開關滯后特性，可抑制噪聲。CMOS推挽電路提供輸出驅動。
圖5：包含隧穿磁阻傳感器和驅動電路的集成開關（圖片來源：Littelfuse）
隧穿磁阻開關位于注射器柱塞腔底部的一端，有一塊小磁鐵安裝在注射器柱塞上。當電機將柱塞推向注射器底部和隧穿磁阻開關時，開關會產生一個不斷增大的輸出電壓，并切換邏輯狀態。開關會提示柱塞的位置。微控制器（MCU）利用位置信息確定注射藥物的體積。
隧穿磁阻開關在1.8V-5V的電路供電時僅消耗200 nA電流，可檢測到低至5高斯的磁場。CMOS輸出可直接連接到MCU，無需使用額外組件。高靈敏度和低能耗最大限度地減少了電池能耗，使隧穿磁阻開關成為可穿戴式注射器進行藥物劑量監測的最佳解決方案。
注射器采用微處理器或微控制器進行控制。單芯片MCU可以提供所有所需功能，且能耗較低，有利于節省儲存空間和能耗。MCU的睡眠模式可大大降低非活動狀態期間的能耗。
高效的8位MCU可用于控制注射器的運行。現有MCU的運行電流低至2 mA。放緩時脈速度設置可進一步降低工作電流。這些MCU配置了低能耗非活動狀態模式，電流消耗最低可達0.7μA。這些型號可配備15個分辨率為12位的ADC模數轉換通道、16 kb閃存和片上陣列式溫度傳感器。此外，這些MCU配置了用于PWM驅動電機的高分辨率計時器。
MCU還配置了外設I/O端口，經優化后可與無線通信芯片組件連接。為了有效控制電機，可使用柵極驅動器連接MCU和功率模塊MOSFET或IGBT的電機驅動器。柵極驅動器配置了TTL和CMOS電路輸入，可直接連接到MCU輸出控制線。采用一種邏輯輸入類型——施密特觸發器，最大限度降低了電機扭矩紋波，在高低側輸出間具有50 ns傳播延遲，實現了對電機的精確控制。
4、可穿戴式醫用注射器的標準
為保證患者安全，醫療器械受到嚴格監管。表1為產品設計工程師在研發符合標準的設備時必須遵守的全球通用標準。需掌握這些標準及其對設備設計的影響，這對醫療設備能否獲得監管部門批準至關重要。
表1：可穿戴式醫用注射器的適用標準
5、穩定高效的專業設計
可穿戴式醫用注射器必須保持每周7天、每天24小時不間斷運行。因此，確保其性能穩定可靠至關重要。注射器不宜過流、過壓、過熱、靜電放電。增加供電保護組件可以滿足設備體積小、能耗低和重量輕的要求。本文介紹的表面貼裝低能耗組件可以最大限度減少對電路的不利因素，也不會對尺寸、能耗和重量等產生重大影響。
設計人員可以利用組件制造商的專業知識節省開發時間和合規成本。產品應用工程師可以幫助設計人員選擇經濟高效的保護和控制組件，也可以指導適用標準所規定的設計要求。為了節省測試成本，并避免因多次符合性測試而造成產品交付延誤，部分制造商可以進行預先符合性測試，以防測試失敗。在專家的協助下，結合應用推薦的組件，能制造出低能耗、堅固耐用、尺寸小、重量輕的可穿戴式醫用注射器。
原文來源：Medical Design Briefs
圖片來源：Littelfuse
文章翻譯：Medtec Team
來源：Medtec醫療器械設計與制造
