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解析无线脚踏开关医疗设备的设计思路
编辑:东莞市京伦电子科技有限公司   发布时间:2017-05-04

无线脚踏开关在很多医疗产品中被委以重任,这也要求无线脚踏开关设计人员在设计过程中必须遵守一系列标准,包括无线协议、电池/充电、人体工学、安全,等等。

医疗设备用户和OEM一直以来都对无线脚踏开关有兴趣。他们的兴趣主要是源于:

• 希望将医疗产品无线化,从而消除医疗产品中可能存在的会致人绊倒的害人电线;

• 希望脚踏开关能比其所控制的医疗设备更自由地选择放置地点;

• 希望消除电线的潜在危害(导致脚踏板发生故障的最常见的原因通常是手推车/桌子和电缆绕到了一起)

• 清理/存储更加轻松

线脚踏开关

1.无线设计使得脚踏控制板能有更多的容身之处可供选择

鉴于这些原因,用无线脚踏板控制医疗设备逐渐被接受并变得普及,促使OEM要么设计适合使用无线脚踏开关的医疗设备,或者将无线脚踏开关做为售前或售后的选择。这类设计为医疗设备的设计引入了两个新的元素。

第一组设计考虑要素围绕无线脚踏控制的使用。因此,这一设计考虑要素相对直接,主要考虑:

1. 为所设计的产品选择安全的无线协议

2. 对脚蹋控制开关选择供电电池

3. 为了使用方便,需采用的替换/充电技术

第二组考虑要素围绕是将无线接收器放置在其所控制的医疗设备的内部或还是外部。此外还有很多不是很明显的因素也会很大程度地影响接收器的设计。其中包括:

• 接收器的放置位置

• 接收器与主设备通信采用的协议

• 接收器和脚踏控制开关的匹配

• 脚踏控制“状态”信息的最优使用

恰当的设计选择可以简化安装,并且能优化整体的无线性能。

无线协议的选择

现在的技术为OEM提供了一系列可供选择的无线协议,其中包括ZigBee、蓝牙、红外(IR)、无线宽带(WLAN)和医疗器械应用的专用协议。选择无线协议时主要考虑的因素包括:

• 兼容应用的评估几险

• 功耗和电源管理

• 响应时间

• 内在安全性和可靠性

• 成本

低风险的应用,如用于捕捉参考图片的医疗照像机,彩红外或者ZigBee等非定向协议就可以充分地满足需求。与之相对应的,风险大一些的应用,如激光类手术设备或高频外科发生器,则采用双向协议会要更好一些。后者可以提供有更好的抗干扰能力,更强的加密性(用将脚蹋控制开关和特定的设备相匹配),以及具有实时确认通信链路完整性的能力。

选择何一类型的脚踏控制供电电池,主要由以下因素决定:

• 脚踏控制电子元器件所要求的工作电压

• 放置电池所要求空间的制约

• 电池更换或充电的频率。这一点主要受到所选择的无线协议、一次典型使用过程所消耗的能量以及每天工作次数的影响。

工作电压要求/空间限制

大多数无线解决方案要求工作电压至少为3.6V.因此,电池-化学选择将决定所需要电池的数量,以及放置电池所需要的空间。用到的电池越多,就需要留出更大的方便电池更换的出口,与之相对应的问题是密封防潮要求。

电池更换/充电技巧

不管使用何种类型的电池,容易更换是一个重点的设计考虑因素,特别是需要用户在使用过程中自行更换电池的情况下。对于需要经常更换电池的医疗应用而言,设计的目标是可以在不需要工具的情况下快速更换电池。依据应用的不同,保持电池罩的密封完整性是非常重要的。

若选择充电电池,那么充电方法就成了主要的设计变量。当前的技术包括采用医疗级植入在墙内的充电器、通过充电支架或者扩充口进行传导式充电、感应充电、或者简单地用在自主系统充电站充满电的电池来更换已经放电完的电池。

设计无线接收器需要考虑的因素

接收器的放置位置是关键。OEM有两个位置可用来放置无线接收器模块:放在主系统的上面或外面,或放到内部,集成到医疗设备控制台内部。不管是将接收器设计成一个可选附件,或者是做为新产品的一个组成部分,外部安装的接收器都要求采用凸凹不平的封装,以便让这些电子设备能够方便地附着在医疗设备上。设计人员必须考虑:

• 选择一个不会影响脚踏控制(发送器)和接收器的通信的位置用于放置接收器。

• 如何将接收器附着在主设备上,如装入式、磁性固定,用螺丝固定等。

• 通过接收器连接器,利用主系统为接收器提供电源(通常通过主系统接收器输入连接器的某个针脚来供电)

线脚踏开关

板级接收器可以在工厂生产时直接和医疗设备集成,或用于现场升级。

内置接收器可以由一块与主系统电路相匹配的PC板组成,也可以是一个能够迅速被安装好的已封装好的(带外壳)单元。因此,设计人员必须考虑:

• 可能会影响内置接收器尺寸要求的空间限制。

• 或者在最初始生产时将接收器直接集成到主设备的内部,或者将接收器做为分式器件,在系统最后组装的时候再与主设备连接。

• 若是使用分立式器件,那么应该如何对这些电子元器件供电

• 可能影响内置接收器尺寸要求的空间限制。

内部接收器模块的成本通常要低一些,因此它们不需要外壳、固定件,或电缆(从接收器外壳连接至脚踏开关输入连接器或匹配母连接器)。

线脚踏开关

4.可以选择完全封闭的带状态指示LED的接收器模块。

接收器信号协议

医疗设备设计人员在设计无线踏开关时有很多协议可以选择。接收器可以向给主设备递交控制信号以及其它被传送的数据,如电池充电状态、已经历了几次充电周期、脚踏开关识别信息,等等。

接收器可以将接收到的数据采用不同的协议格式传输给主设备。这些协议格式包括但不限定于:RS-232系列、I2C、USB、或只是用于各种受控功能(如,速度或功率)的离散接触闭合和/或仿真电压或电流。与脚踏开关供货商紧密合作就可以研发出易于集成的最佳接口。

配对

与系绳并专门用于控制与之相连的医疗设备的有线脚踏开关不同,无线单元(理论上)有能力控制带有特定接收器的所有设备。因此,确保无线脚踏开关只与特定的需要使用的设备进行通信控制是非常有必要的。通过开发安全可靠的配对传输(脚踏和其接受器)技术,无线脚踏开关迅速被普遍接受。

配对,即将脚踏控制开关与特定受控设备相结合,可以通过很多种途径来实现。目前的技术包括:

1.在脚踏开关和目标接收器之间引入专用的IR通道来实现配对。典型的过程就是,通过建立握手协议,这样接收器就能接收并存储脚踏开关的独特身分(比如其型号或序列号),使驱动脚踏开关能够被目标接收器感知。在建立握手之后,接收器将仅识别来自其配对伙伴的指令。

2.通过脚踏开关的无线RF链路,建立和控制目标的链接。通常是让接受器处在配对模式,与此同时激活脚控踏的一个或者多个控制功能,从而实现脚踏开关与相对应控制设备的配对。

3.使用配对电缆。通过将脚踏开关插入接收器系统配对,此首次启动将便能配对过程。一旦配对成功,就可以将配对电缆收起来用于后续配对不同/更换脚踏控制开关,或用作替补电缆,使脚踏控制开关可以以硬线(非无线)模式。

4. 对于大多数应用来说,配对被限定在一个接收器配对一个脚踏控制开关。然而,对于有些特定应用,可以将两个脚踏与一个医疗设备进行配对。举一个这类方案的例子就是,有两个外科医生同时进行同一台手术。在此情况下,程序通常一次只能识别一台脚踏开关,并且同时会忽略来自另一个配对设备的所有信号,直至系统程序允许它进行配对为止。

考虑到方便现场替换和不牺牲系统的安全性, 配对技术的多样化允许设计人员灵活地将类似脚踏控制开关用于同一台医疗设备。

线脚踏开关

4.无线操作可以满足最复杂的脚踏控制开关要求。

若在设计早期就充分考虑放置位置、通讯协议和配对等因素,就可以使无线脚踏开关或者无线手控系统能够:

• 充分地利用无线控制系统的每个潜在优势

• 有助于简化现场服务

• 确保无线控制单元的最佳性能

• 最大程度地利用信息框架里提供的非控制信息:如脚踏控制开关的身份识别、电池充电状态、传送异常、充电次数,等等。

• 以最低成本实现

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