Zuverlässiges Einschalten eines batteriebetriebenen medizinischen Geräts

Batteriebetriebene, drahtlos verbundene Geräte werden in der heutigen Gesellschaft immer häufiger. Angetrieben durch Fortschritte bei drahtlosen und Batterietechnologien, gepaart mit schrumpfenden elektronischen Komponenten, die weniger Strom verbrauchen, und Cloud-basierten Diensten, die bereit sind, Daten zu sammeln, zu analysieren und zu verbreiten, finden sich diese Geräte häufig in Verbraucher-, Medizin- und tragbaren Geräten sowie in in gewerblichen und industriellen Anwendungen.

Unabhängig davon, ob es sich bei dem Gerät um ein tragbares kontinuierliches Glukosemonitor (CGM), ein einnehmbares oder implantierbares medizinisches Gerät oder ein Smart-Home-Gerät, einen Asset-Tracker oder einen Umgebungsmonitor handelt, alle teilen die gemeinsamen Anforderungen an geringe Größe, lange Lebensdauer, Zuverlässigkeit und Benutzerfreundlichkeit benutzen. Eines der Hauptprobleme, mit denen Entwickler dieser Produkte konfrontiert sind, besteht darin, das Gerät bei Bedarf einzuschalten.

Das Einschalten eines IoT-Geräts nur bei Bedarf (oder das Ausschalten des Geräts vor der Bereitstellung) ist von entscheidender Bedeutung, da Designer die kleinstmögliche Batterie mit den niedrigsten Kosten verwenden möchten. Aus diesem Grund ist die Verlängerung der Batterielebensdauer immer ein Designziel; Der Batterieverbrauch muss während des Gebrauchs sowie vor dem Einschalten minimiert werden.

Ein beliebtes Beispiel ist das CGM, das einem Typ-1- oder Typ-2-Diabetiker verschrieben wird. Dieses Gerät haftet am Körper eines Patienten und überwacht kontinuierlich seinen Glukosespiegel. Die resultierenden Daten werden drahtlos an Patient, Arzt und/oder Insulinpumpe übermittelt. CGMs müssen sehr klein, „wasserdicht“ und einfach anzubringen sein sowie eine relativ lange Lebensdauer haben, bevor der Akku leer ist.

Es gibt drei grundlegende Optionen zum Einschalten dieser Geräte am Verwendungs- oder Bereitstellungspunkt. Für jede dieser Optionen sind die zu berücksichtigenden Variablen Stromaufnahme, Größe, Schutzart und Benutzerfreundlichkeit der Batterie.

Abbildung 1:Der TMR-Magnetsensor bietet nahezu keinen Stromverbrauch in einer ultrakleinen Gehäusegröße, und seine kontaktlose "Power-On"-Fähigkeit fördert die Benutzerfreundlichkeit.

Die erste Option zum Einschalten ist elektromechanisch oder der gemeinsame „Schalter“. Mit dieser Option können die meisten batteriebetriebenen elektronischen Geräte wie Laptops und Telefone eingeschaltet werden. Obwohl es viele Formen von Schaltern gibt (z. B. Drucktaster, Schieber oder Kippschalter), funktionieren sie nach dem gleichen Prinzip des Öffnens und Schließens eines mechanischen Kontakts, um den Stromfluss (im geschlossenen Zustand) zu ermöglichen oder den Fluss vollständig zu verhindern (im geöffneten Zustand).

In Bezug auf die erste Betrachtung der Stromentnahme , Der elektromechanische Schalter ist hocheffizient, da es sich um ein passives Gerät handelt, das keinen Strom verbraucht. In Bezug auf die Größe sind mechanische Schalter jedoch eine schlechte Option, insbesondere angesichts der Größenbeschränkungen vieler tragbarer, einnehmbarer und implantierbarer medizinischer Geräte und anderer kleiner IoT-Geräte.

In Bezug auf den Schutz gegen Eindringen (oder die Notwendigkeit eines wasser- und feuchtigkeitsundurchlässigen Geräts) sind mechanische Schalter nicht die beste Option, da ein Schalter konstruiert werden kann, der vom Benutzer mechanisch in Ein- / Aus-Positionen bewegt werden kann, während er die Dichtigkeit beibehält. ist eine Herausforderung.

Schließlich schneidet die Betrachtung der Benutzerfreundlichkeit bzw. der Benutzerfreundlichkeit bei mechanischen Schaltern aus zwei Gründen schlecht ab. Da der Benutzer diesen Schritt tatsächlich tun muss (und viele müssen dazu angeleitet werden), lautet die Anforderung für viele Geräte erstens „out-of-the-box-turn-on“ – ein klarer Konflikt mit manuell bedienten Schaltern. Zweitens kann ein sehr kleiner mechanischer Schalter, der für ein sehr kleines Gerät erforderlich ist, ein Problem für die Benutzer darstellen, den Schalter tatsächlich in die Ein-Position zu bewegen, wodurch die Benutzerfreundlichkeit verringert wird. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass mechanische Schalter in Bezug auf den Stromverbrauch sehr gut abschneiden, aber in Bezug auf Schutzart, Größe und Benutzerfreundlichkeit sehr niedrig sind.

Das drahtlose Einschalten ist die zweite zu analysierende Option. Da die Geräte bereits über drahtlose Fähigkeiten zur Datenübertragung verfügen, könnten Designer diese drahtlose Fähigkeit technisch verwenden, um ein Gerät über eine Mobiltelefon-App einzuschalten.

Aus Sicht des Eindringschutzes wird das kabellose Einschalten sehr hoch bewertet. Und von der Größe her ist das kabellose Einschalten ebenfalls hoch, da dem Gerät für diese Funktionalität nichts mehr hinzugefügt werden muss.

Aus Sicht des Stromverbrauchs schneidet das drahtlose Einschalten jedoch äußerst gering ab, da ein drahtloser Empfänger im Gerät eingeschaltet sein muss, um ein Signal zum Einschalten zu empfangen. Allein aus diesem Grund wird drahtloses Einschalten selten für Geräte verwendet, die strenge Anforderungen an die Akkulaufzeit haben.

Abbildung 2:Technologievergleiche

Die dritte Möglichkeit ist die Verwendung eines Magnetsensors im Inneren des Geräts, um die Einschaltfunktion auszulösen. In diesem Fall wird ein Magnetfeld an den Sensor angelegt, um das Einschalten auszulösen. Das Magnetfeld wird in der Regel von einem Magneten erzeugt, der sich in der Produktverpackung oder in einer Zusatzkomponente des Geräts (z. B. einem Applikator für ein CGM) befindet. Das Magnetfeld kann auch angelegt werden, indem der Benutzer mit einem Handmagneten über das Gerät streicht.

Die magnetische Erkennung schneidet beim Schutz gegen Eindringen sehr gut ab (da es sich um eine „kontaktlose“ Methode handelt). Die Magnetsensorik punktet auch bei der Benutzerfreundlichkeit – insbesondere, wenn der Magnet in die Geräteverpackung eingebettet werden kann (was ein „out-of-the-box-Power-On“ ermöglicht) oder in eine Zusatzkomponente des Geräts (z. B. einen Applikator) ). Manchmal ist das Gerät selbst aus zwei Komponenten aufgebaut, die zum Zeitpunkt der Bereitstellung miteinander verbunden werden müssen.

In Bezug auf Stromaufnahme und Größe hängt die Erwünschtheit der magnetischen Erfassung vollständig von der magnetischen Erfassungstechnologie ab. Ältere, traditionellere Magnetsensortechnologietypen waren entweder klein, aber mit hohem Stromverbrauch (Hall-Effekt) oder groß ohne Stromverbrauch (Reed-Schalter).

Viele neue Geräte sind jedoch mit einer neueren magnetischen Sensortechnologie namens Tunneling Magnetoresistive (TMR) ausgestattet, die sowohl eine sehr kleine Größe (so klein wie ein LGA-4) als auch einen extrem niedrigen Stromverbrauch bietet, ähnlich wie der Reed-Schalter. Tatsächlich bieten TMR-Magnetsensoren das „Beste aus beiden Welten“.

Angesichts des aktuellen Ansturms neuer Geräte, die das Leben einfacher, sicherer, kontaktlos und/oder fernbedienbar machen sollen, müssen Elektronikdesigner neue Technologien einsetzen, um mit den sich entwickelnden Anforderungen von batteriebetriebenen Wearables, Implantables, Ingestables, und andere IoT-Geräte. In Bezug auf die besten Fähigkeiten im Vergleich zu geringer Größe, geringerer Stromverbrauch, Schutz gegen Eindringen und Benutzerfreundlichkeit tragen Magnetsensoren – und insbesondere die TMR-Sensortechnologie – dazu bei, „unmögliche“ Designs zu ermöglichen.