滿足醫(yī)療設備電池的功率預算和尺寸要求

許多醫(yī)療設備使用來自電網(wǎng)的交流電和備用電池。這與典型的手持式消費類設備（如智能手機或平板電腦）所需的功率預算形成了鮮明的對比。這意味著，在許多情況下，電池僅作為備份真正發(fā)揮作用，或者在設備在醫(yī)院周圍移動時發(fā)揮作用。

但是，醫(yī)療器械環(huán)境中也有例外。例如，救護車上的吸氣器通常主要由電池供電。它將具有交流電源選項以及從電網(wǎng)充電。

創(chuàng)建功率預算

為了創(chuàng)建功率預算，醫(yī)療設備設計人員必須決定設備的當前要求，包括需求，例如屏幕尺寸，壓縮機（如果需要），內(nèi)置泵或風扇以及任何板載計算需求。這將使設計人員能夠確定需要多少功率，當與運行時結(jié)合使用時，這將產(chǎn)生功率預算。

管理設備功率預算的最佳方法是關(guān)閉不需要的東西 - 就像湯姆·漢克斯和桑德拉·布洛克在他們的電影中所做的那樣。例如，可以降低設備上的處理器速度或使屏幕變暗。

然后，在制定電池電源策略時，首先要回答的問題是需要多少電池來提供必要的功率。例如，如果功率預算為50瓦時（Wh），則容量小于100 Wh的單個鋰離子電池將綽綽有余。

這聽起來很簡單，但是當在設備、其電源要求和電池之間的關(guān)系中添加進一步的功能時，就會出現(xiàn)問題。例如，如果在使用過程中需要熱插拔電池，例如在保持患者心臟或肺部功能的灌注系統(tǒng)上，則設計中必須至少有兩個電池。即使在非熱插拔環(huán)境中只有一個可以滿足功率預算，情況也是如此。

在灌注系統(tǒng)示例中，設計將讓一個電池在大部分時間工作，另一個電池在熱插拔期間提供電力。在交換期間留在設備中的第一個電池稱為橋接電池。充電后，從橋接電池切換回可拆卸電池通常是自動的。

熱插拔允許設備長時間運行，而無需求助于電網(wǎng)的交流電源。唯一的限制是可用的充電備用電池的數(shù)量以及橋接電池的使用壽命，橋接電池本身最終會耗盡。利用這種橋接技術(shù)的醫(yī)療系統(tǒng)的一個實際例子是用于患者運輸?shù)暮粑鼨C。

關(guān)鍵是橋接電池必須能夠自行運行整個設備。熱插拔在多個電池平均共享所有電池的電流的系統(tǒng)中不起作用。

醫(yī)療設備不斷變化的需求

技術(shù)在不斷變化，變得越來越小，越來越高效。因此，原始設備制造商（OEM）通常需要減少電池的占地面積，以減小設備本身的尺寸。這些尺寸減小需求是由對便攜性、消費技術(shù)仿真或使用設備的醫(yī)療專業(yè)人員的需求增加所驅(qū)動的。

為了符合要求，始終可以使用較小的電池，但OEM必須接受這將導致運行時間縮短，循環(huán)壽命縮短或低溫性能差。

通用驅(qū)動是設計一種更小更輕的設備，但電池往往是最后的想法，這可能會產(chǎn)生功率預算問題。請記住，電池沒有摩爾定律;鋰離子技術(shù)是能量密度最高，商業(yè)上可行的存儲功率的方式，如果不存儲更少的功率，它就無法變得更小。設計受到可用金屬的化學偶聯(lián)的限制。

在理想的世界中，很難為OEM提供他們想要的所有性能特征。因此，關(guān)于原始規(guī)范的哪些元素最重要，以及哪些元素可以取消優(yōu)先級的談判至關(guān)重要。

功率預算指標

計算功率預算需要考慮諸如所需的輸入工作電壓、器件消耗的功率（用于計算所需電流）、預計運行時間、允許電池重新充電多長時間、可能的工作溫度、占空比和整體壽命等因素。

通常在醫(yī)療應用中，在高溫下良好操作是比低溫操作更重要的問題。電池位于設備內(nèi)部，溫度可以連續(xù)高達120°F（49°C）。相比之下，充電需求在很大程度上是一場可移動的盛宴;有些應用必須電池在一小時內(nèi)充電，而有些應用則需要24小時充電時間。

根據(jù)醫(yī)療應用的不同，電池壽命也可能是一個完全不同的要求。在某些情況下，每年更換電池是可以的 - 從實際和財務角度來看。但是，如果為常用應用設計的電池只能進行300次循環(huán)，也就是說300次完全充電和300次完全放電，那么它甚至不太可能持續(xù)一年。醫(yī)院預計電池可以使用兩到三年。

認證要求

在醫(yī)療環(huán)境中，電池滿足嚴格的安全標準至關(guān)重要。例如，對于通過 IEC/EN60601-1 第 3 版認證的醫(yī)療設備，必須根據(jù) IEC62133 對電池進行測試。

在美國，電池可能還需要經(jīng)過UL2054測試，在歐洲，它需要CE標志以確認符合所有適用的歐盟法規(guī)。所有鋰離子電池的運輸測試都是強制性的，能量超過100 Wh的電池的運輸受到更嚴格的監(jiān)管。

但是，如果電池需要提供超過 100 Wh 的容量，則將其細分通常是明智的。這具有提高可靠性并允許熱插拔功能以及將其從危險品分類中刪除的額外好處。最后，在美國，醫(yī)療器械制造商需要接受FDA審核，電池合作伙伴應該能夠提供所有相關(guān)的測試證書，以便令人滿意地完成審核。

在這種情況下，設計人員可以采用預先測試和認證的電池系列，例如安科銳的Entellion系列，并將它們設計成設備。這節(jié)省了大量的研究和評估時間，從而縮短了上市時間。

案例研究：減小電池尺寸

在最近的一次應用中，一位現(xiàn)有客戶要求 Accutronics 將其產(chǎn)品的厚度減少 50%，以保持領(lǐng)先于競爭對手。這是通過從具有重型鋁罐的傳統(tǒng)鋰離子棱柱形電池轉(zhuǎn)向使用鋰聚合物技術(shù)（如平板電腦中使用的技術(shù)）來實現(xiàn)的。這導致更大的占地面積，但電池更薄。從液體電解質(zhì)轉(zhuǎn)移到凝膠是允許這種減少可能的一個因素。

這種對平板電腦技術(shù)的模擬可能聽起來很簡單，但人們必須考慮到平板電腦通常有一個電池，而這個設備需要九個電池來提供其功率預算，并且電池必須是可拆卸的。此外，在設備使用壽命期間必須將其取出以進行更換時，嵌入電池以節(jié)省空間不是一種選擇。

滿足困難的醫(yī)療設備功率預算

完整的設計過程可能看起來很艱巨，但如果要滿足新醫(yī)療設備的功率預算，這一點至關(guān)重要。這當然比設計師在阿波羅13號和重力結(jié)束時發(fā)現(xiàn)自己陷入絕望的功率預算困境要好得多。

審核編輯：郭婷