Betrouwbare voeding van een op batterijen werkend medisch apparaat

Op batterijen werkende, draadloos verbonden apparaten worden steeds alomtegenwoordig in de huidige samenleving. Gedreven door vooruitgang in draadloze en batterijtechnologieën, in combinatie met krimpende elektronische componenten die minder stroom verbruiken en cloudgebaseerde services die klaar zijn om gegevens te verzamelen, analyseren en verspreiden, worden deze apparaten vaak aangetroffen in consumenten-, medische en draagbare apparaten, evenals in in commerciële en industriële toepassingen.

Of het apparaat nu een draagbare continue glucosemonitor (CGM), een opneembaar of implanteerbaar medisch apparaat, of een smart home-apparaat, activatracker of omgevingsmonitor is, ze delen allemaal de gemeenschappelijke eis van klein formaat, lange levensduur, betrouwbaarheid en gemak van gebruiken. Een van de grootste problemen waarmee ontwerpers van deze producten worden geconfronteerd, is het inschakelen van het apparaat wanneer dat nodig is.

Een IoT-apparaat alleen inschakelen wanneer het nodig is (of het uitgeschakeld laten voordat het wordt ingezet) is van vitaal belang omdat ontwerpers de kleinst mogelijke, goedkoopste batterij willen gebruiken. Om deze reden is het verlengen van de levensduur van de batterij altijd een ontwerpdoel; Het leeglopen van de batterij moet worden geminimaliseerd, zowel tijdens gebruik als voordat het wordt ingeschakeld.

Een populair voorbeeld is de CGM die wordt voorgeschreven aan diabetes type 1 of type 2. Dit apparaat hecht zich aan het lichaam van een patiënt en controleert continu zijn/haar glucosespiegel. De resulterende gegevens worden draadloos verzonden naar de patiënt, arts en/of insulinepomp. CGM's moeten erg klein, 'waterdicht' en gemakkelijk te bevestigen zijn, en ook een redelijk lange levensduur hebben voordat de batterij leeg raakt.

Er zijn drie basisopties voor het inschakelen van deze apparaten op het moment van gebruik of implementatie. Voor elk van deze opties zijn essentiële variabelen waarmee rekening moet worden gehouden, het stroomverbruik van de batterij, de grootte, bescherming tegen binnendringen en gebruiksvriendelijkheid.

Afbeelding 1:De magnetische TMR-sensor biedt bijna geen stroomverbruik in een ultraminiatuur pakketformaat, en de contactloze "power-on"-mogelijkheid bevordert het gebruiksgemak.

De eerste "power on" -optie is elektromechanisch of de gewone "switch". Deze optie is het middel voor het inschakelen van de meeste elektronische apparaten die op batterijen werken, zoals laptops en telefoons. Hoewel schakelaars in vele vormen voorkomen (bijv. drukknop, schuifregelaar of toggle), werken ze volgens hetzelfde principe van het openen en sluiten van een mechanisch contact om stroom te laten vloeien (wanneer gesloten) of volledig te voorkomen dat deze vloeit (wanneer open).

Met betrekking tot de eerste overweging van de huidige afvoer , de elektromechanische schakelaar is zeer efficiënt omdat het een passief apparaat is dat geen stroom verbruikt. In termen van grootte zijn mechanische schakelaars echter een slechte optie, vooral gezien de beperkingen van de grootte van veel draagbare, opneembare en implanteerbare medische apparaten en andere kleine IoT-apparaten.

In termen van bescherming tegen binnendringing (of de noodzaak om een ​​apparaat te hebben dat ondoordringbaar is voor water en vocht), zijn mechanische schakelaars niet de beste optie, aangezien het ontwerpen van een schakelaar die mechanisch door de gebruiker kan worden verplaatst in aan/uit-posities met behoud van ondoordringbaarheid is een uitdaging.

Ten slotte scoort de overweging van gebruiksvriendelijkheid, of gebruiksgemak, om twee redenen slecht bij mechanische schakelaars. Ten eerste, omdat de gebruiker deze stap daadwerkelijk moet zetten (en velen moeten worden geïnstrueerd om dit te doen), is de vereiste voor veel apparaten "out-of-the-box turn-on" - een duidelijk conflict met handmatig bediende schakelaars. Ten tweede kan een zeer kleine mechanische schakelaar, vereist door een zeer klein apparaat, een probleem vormen voor het vermogen van gebruikers om de schakelaar daadwerkelijk in de aan-stand te zetten, waardoor de bruikbaarheid wordt verminderd. Samengevat scoren mechanische schakelaars dus hoog op het gebied van stroomverbruik, maar zeer laag op het gebied van bescherming tegen binnendringing, grootte en gebruiksgemak.

Draadloos inschakelen is de tweede optie om te analyseren. Omdat de apparaten al draadloze mogelijkheden hebben om gegevens te verzenden, zouden ontwerpers technisch gezien dezelfde draadloze mogelijkheid kunnen gebruiken om een ​​apparaat aan te zetten via een app voor mobiele telefoons.

Vanuit het oogpunt van bescherming tegen binnendringen wordt draadloos inschakelen zeer hoog gewaardeerd. En vanuit het oogpunt van de grootte scoort draadloos inschakelen ook hoog, aangezien er niets meer aan het apparaat hoeft te worden toegevoegd voor deze functionaliteit.

Vanuit het oogpunt van stroomverbruik scoort draadloos inschakelen echter extreem laag omdat een draadloze ontvanger in het apparaat moet worden ingeschakeld om een ​​signaal te ontvangen om in te schakelen. Alleen al om deze reden wordt draadloos inschakelen zelden gebruikt voor apparaten die strenge eisen stellen aan de levensduur van de batterij.

Figuur 2:Technologievergelijkingen

De derde optie is het gebruik van een magnetische sensor in het apparaat om de inschakelfunctie te starten. In dit geval wordt een magnetisch veld op de sensor aangelegd om de stroom aan te zetten. Het magnetische veld wordt meestal geproduceerd door een magneet die zich in de verpakking van het product of in een hulpcomponent van het apparaat bevindt (zoals een applicator voor een CGM). Het magnetische veld kan ook worden toegepast door de gebruiker met een handmagneet over het apparaat te vegen.

Magnetische detectie scoort zeer hoog voor bescherming tegen binnendringen (omdat het een "contactloze" methode is). Magnetische sensing scoort ook zeer hoog op het gebied van gebruiksgemak - vooral wanneer de magneet kan worden ingebed in de verpakking van het apparaat (waardoor "out-of-the-box inschakelen" mogelijk is) of in een hulpcomponent van het apparaat (bijv. een applicator ). Soms is het apparaat zelf ontworpen als twee componenten die op het moment van implementatie met elkaar moeten worden verbonden.

In termen van stroomverbruik en grootte hangt de wenselijkheid van magnetische detectie volledig af van de magnetische detectietechnologie. Oudere, meer traditionele typen magnetische detectietechnologie waren ofwel klein van formaat maar hoog in stroomverbruik (Hall-effect) of groot van formaat zonder stroomverbruik (reed-schakelaars).

Veel nieuwe apparaten zijn echter ontworpen met een nieuwere magnetische detectietechnologie genaamd tunneling magnetoresistive (TMR), die zowel een zeer klein formaat (zo klein als een LGA-4) als een extreem laag stroomverbruik biedt, vergelijkbaar met de reed-schakelaar. In feite bieden TMR magnetische sensoren het "beste van twee werelden".

Met de huidige aanval van nieuwe apparaten die zijn ontworpen om het leven gemakkelijker, veiliger, contactloos en/of op afstand bedienbaar te maken, moeten elektronische ontwerpers nieuwe technologieën toepassen om gelijke tred te houden met de veranderende eisen van op batterijen werkende wearables, implantables, ingestibles, en andere IoT-apparaten. In termen van de beste mogelijkheden in verhouding tot het kleine formaat, een lager stroomverbruik, bescherming tegen indringing en gebruiksgemak, helpen magnetische sensoren - en in het bijzonder TMR-sensortechnologie - om "onmogelijke" ontwerpen mogelijk te maken.