医療用ウェアラブル機器のバッテリ駆動時間を延長する

要約

ポータブル医療機器は、患者が適切に使用して有益な医学的転帰を確保するために、長いバッテリ駆動時間と小型化の両方を必要とします。nanoPowerオン/オフコントローラのMAX16164は、長時間動作と携帯性の両方に対応するとともに、設定可能なスリープ時間によって設計の柔軟性を提供します。

はじめに

健康は人生における幸福と充足感の基本です。最近のCOVID-19のパンデミックによって、健康的な生活様式の必要性と重要性、および継続的健康監視の重要性がさらに高まっています。アクティビティトラッカー、血圧モニタ、バイオセンサー、および持続血糖モニタ(CGM)などの医療用ウェアラブルは、1日の歩数を確認するための動き、転倒の検出、心房細動を確認するための心拍数トラッキング、または血糖値の監視などの健康に役立つ情報を定期的に監視する機能を提供します。これらの機器は、診断および治療の目的に役立つデータを目立たない形で継続的に収集します。半導体技術の最近の革新および健康監視に対する消費者の要求の拡大によって、医療用ウェアラブルの需要が急増しています。

図1. 医療用ウェアラブルは日常生活の一部になりつつある。健康監視機器を身に付ける人の増加に伴って、より多くの企業がこの分野への投資と革新を行っている。技術の進化によって、それらの機器はより高信頼性、高精度、便利になる。

図1. 医療用ウェアラブルは日常生活の一部になりつつある。健康監視機器を身に付ける人の増加に伴って、より多くの企業がこの分野への投資と革新を行っている。技術の進化によって、それらの機器はより高信頼性、高精度、便利になる。

バッテリ駆動/医療用ウェアラブル技術の課題

医療用ウェアラブル機器の設計で最も重要な検討事項として、効率的で信頼性の高い動作、および形状の小型化があります。たとえば、CGMはユーザーの血糖値を監視して、それらのレベルが高すぎるか低すぎることを示します。1型または2型糖尿病の患者はこれらの変動に対応する必要があり、対処せずに放置した場合は、生命の危険がある脱水症や糖尿病性昏睡につながります。CGMの登場以前は、ユーザーは1日に数回自分の指を刺して採血して、血糖値を測定していました。幸いなことに、ウェアラブルCGMは血液分析のために指を刺す必要を削減してくれます。CGMパッチはバッテリ駆動のため、バッテリ駆動時間が長ければ、ユーザーがパッチを交換する回数を減らすことができます。これは非常に望ましい機能です。

現在のシステム設計者は、多数のツールによってバッテリ駆動機器の動作時間を延ばすことができます。バッテリのタイプとサイズに加えて、低電力マイクロコントローラ、低電力信号調整デバイス、バック/ブーストコンバータ、ロードスイッチ、およびLDOなど、多くの低電力デバイスがシステム消費電力を低減します。まず、自己消費電流が低ければシステムの待機時の消費電力が低減されて、バッテリ駆動時間が大幅に延長されます。次にnanoPowerバック、ブースト、および信号調整などのnanoPowerデバイスは、新しいソリューションアーキテクチャによるシステム消費電力のさらなる低減を可能にします。

持続血糖モニタやECGなどの多くの医療アプリケーションでは、システムは定期的かつ自動的に情報を監視および報告する必要があります。したがって、機器の電源は常時オンの必要があり、しかも測定時または報告時以外は可能な限り低消費電力であることが必要です。マイクロコントローラまたはマイクロプロセッサはこの作業を実行することができますが、それらは多くの場合、たとえ低電力またはスリープモードでも、消費電力が大きすぎます。周期的にシステムをウェイクアップするためのもう1つのソリューションは、リアルタイムクロックとロードスイッチを使用する方法です。このソリューションは追加のICが必要になり、信頼性が低下します。

オン/オフコントローラのシステムダイアグラム

新しいソリューションとして、オン/オフコントローラで(必要時に)システムマイクロコントローラをウェイクアップし、スタンバイモードでの消費電力を最小限に抑える方法があります。設定可能なスリープ時間を備えたオン/オフコントローラは、最小の消費電力、ソフトウェアに依存せず、最小の形状という利点を提供します。

CS28_CTS_system overview V01.

MAX16164は、スリープ時間を設定可能なnanoPowerオン/オフコントローラで、抵抗またはI2Cバスを介して設定することができます。このデバイスは、スリープ時の消費電流が30nAで、シャットダウンモードではわずか10nAです。

nanoPowerオン/オフコントローラは、どのようにエネルギーの節約とバッテリ駆動時間の延長に役立つのでしょうか?上記のシステムブロック図のような設計のバッテリ駆動の医療機器が下記の消費電流と想定します。

Cypress PSoC 6 CPUベース
平均アクティブ電流:4.7mA
デューティサイクル:0.1%

バッテリ電圧が一定で、システムのオン/オフを切り替えるマイクロコントローラがあり、RTCを使用するスリープモードの消費電流が7µAと想定します。

消費電流:

CPUのアクティブ電流 × CPUのデューティサイクル + CPUのスリープ電流 × (1 - CPUのデューティサイクル) = 4.7mA × 0.001 + 7µA × 0.999 = 4700nA + 7000nA = 11700nA

MAX16164を使用すれば、このデバイスおよびシステムのスリープ時の消費電力は30nAになります。

MAX16164を使用する場合の消費電力:

CPUのアクティブ電流 × CPUのデューティサイクル + MAX16164のスリープ電流 × (1 - CPUのデューティサイクル) = 4.7mA × 0.001 + 30nA × 0.999 = 4700nA + 30nA = 4730nA

その結果、MAX16164使用時とスリープモードのCPUの消費電力の比率 = 4730/11700 = 40%になります。したがって、MAX16164を使用するとバッテリ駆動時間を60%延長できます。

さらに、MAX16164は小型WLPおよび小型µDFNの両方のパッケージで提供され、信頼性と省電力のすべての利点を最小限の実装面積で提供します。

まとめ

生活に対する人々の意識と注意が高まり、自分たちの健康状態をよく監視して管理する方法を探しています。現在、これまで以上に、小型で信頼性が高く、長時間動作が可能な医療機器が健康状態の監視にとって重要になっています。nanoPowerオン/オフコントローラのMAX16164を使用すると、健康に関する信号の継続的な監視を必要とする医療用ウェアラブル機器のバッテリ駆動時間を延長することができます。