解析無線腳踏開關(guān)醫(yī)療設(shè)備的設(shè)計思路

無線腳踏開關(guān)在很多醫(yī)療產(chǎn)品中被委以重任，這也要求無線腳踏開關(guān)設(shè)計人員在設(shè)計過程中必須遵守一系列標(biāo)準(zhǔn)，包括無線協(xié)議、電池/充電、人體工學(xué)、安全，等等。

醫(yī)療設(shè)備用戶和OEM一直以來都對無線腳踏開關(guān)有興趣。他們的興趣主要是源于：

• 希望將醫(yī)療產(chǎn)品無線化，從而消除醫(yī)療產(chǎn)品中可能存在的會致人絆倒的害人電線;

• 希望腳踏開關(guān)能比其所控制的醫(yī)療設(shè)備更自由地選擇放置地點;

• 希望消除電線的潛在危害(導(dǎo)致腳踏板發(fā)生故障的最常見的原因通常是手推車/桌子和電纜繞到了一起)

• 清理/存儲更加輕松

1.無線設(shè)計使得腳踏控制板能有更多的容身之處可供選擇

鑒于這些原因，用無線腳踏板控制醫(yī)療設(shè)備逐漸被接受并變得普及，促使OEM要么設(shè)計適合使用無線腳踏開關(guān)的醫(yī)療設(shè)備，或者將無線腳踏開關(guān)做為售前或售后的選擇。這類設(shè)計為醫(yī)療設(shè)備的設(shè)計引入了兩個新的元素。

第一組設(shè)計考慮要素圍繞無線腳踏控制的使用。因此，這一設(shè)計考慮要素相對直接，主要考慮：

1. 為所設(shè)計的產(chǎn)品選擇安全的無線協(xié)議

2. 對腳?？刂崎_關(guān)選擇供電電池

3. 為了使用方便，需采用的替換/充電技術(shù)

第二組考慮要素圍繞是將無線接收器放置在其所控制的醫(yī)療設(shè)備的內(nèi)部或還是外部。此外還有很多不是很明顯的因素也會很大程度地影響接收器的設(shè)計。其中包括：

• 接收器的放置位置

• 接收器與主設(shè)備通信采用的協(xié)議

• 接收器和腳踏控制開關(guān)的匹配

• 腳踏控制“狀態(tài)”信息的最優(yōu)使用

恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計選擇可以簡化安裝，并且能優(yōu)化整體的無線性能。

無線協(xié)議的選擇

現(xiàn)在的技術(shù)為OEM提供了一系列可供選擇的無線協(xié)議，其中包括ZigBee、藍(lán)牙、紅外(IR)、無線寬帶(WLAN)和醫(yī)療器械應(yīng)用的專用協(xié)議。選擇無線協(xié)議時主要考慮的因素包括：

• 兼容應(yīng)用的評估幾險

• 功耗和電源管理

• 響應(yīng)時間

• 內(nèi)在安全性和可靠性

• 成本

低風(fēng)險的應(yīng)用，如用于捕捉參考圖片的醫(yī)療照像機，彩紅外或者ZigBee等非定向協(xié)議就可以充分地滿足需求。與之相對應(yīng)的，風(fēng)險大一些的應(yīng)用，如激光類手術(shù)設(shè)備或高頻外科發(fā)生器，則采用雙向協(xié)議會要更好一些。后者可以提供有更好的抗干擾能力，更強的加密性(用將腳?？刂崎_關(guān)和特定的設(shè)備相匹配)，以及具有實時確認(rèn)通信鏈路完整性的能力。

選擇何一類型的腳踏控制供電電池，主要由以下因素決定：

• 腳踏控制電子元器件所要求的工作電壓

• 放置電池所要求空間的制約

• 電池更換或充電的頻率。這一點主要受到所選擇的無線協(xié)議、一次典型使用過程所消耗的能量以及每天工作次數(shù)的影響。

工作電壓要求/空間限制

大多數(shù)無線解決方案要求工作電壓至少為3.6V.因此，電池-化學(xué)選擇將決定所需要電池的數(shù)量，以及放置電池所需要的空間。用到的電池越多，就需要留出更大的方便電池更換的出口，與之相對應(yīng)的問題是密封防潮要求。

電池更換/充電技巧

不管使用何種類型的電池，容易更換是一個重點的設(shè)計考慮因素，特別是需要用戶在使用過程中自行更換電池的情況下。對于需要經(jīng)常更換電池的醫(yī)療應(yīng)用而言，設(shè)計的目標(biāo)是可以在不需要工具的情況下快速更換電池。依據(jù)應(yīng)用的不同，保持電池罩的密封完整性是非常重要的。

若選擇充電電池，那么充電方法就成了主要的設(shè)計變量。當(dāng)前的技術(shù)包括采用醫(yī)療級植入在墻內(nèi)的充電器、通過充電支架或者擴充口進(jìn)行傳導(dǎo)式充電、感應(yīng)充電、或者簡單地用在自主系統(tǒng)充電站充滿電的電池來更換已經(jīng)放電完的電池。

設(shè)計無線接收器需要考慮的因素

接收器的放置位置是關(guān)鍵。OEM有兩個位置可用來放置無線接收器模塊：放在主系統(tǒng)的上面或外面，或放到內(nèi)部，集成到醫(yī)療設(shè)備控制臺內(nèi)部。不管是將接收器設(shè)計成一個可選附件，或者是做為新產(chǎn)品的一個組成部分，外部安裝的接收器都要求采用凸凹不平的封裝，以便讓這些電子設(shè)備能夠方便地附著在醫(yī)療設(shè)備上。設(shè)計人員必須考慮：

• 選擇一個不會影響腳踏控制(發(fā)送器)和接收器的通信的位置用于放置接收器。

• 如何將接收器附著在主設(shè)備上，如裝入式、磁性固定，用螺絲固定等。

• 通過接收器連接器，利用主系統(tǒng)為接收器提供電源(通常通過主系統(tǒng)接收器輸入連接器的某個針腳來供電)

板級接收器可以在工廠生產(chǎn)時直接和醫(yī)療設(shè)備集成，或用于現(xiàn)場升級。

內(nèi)置接收器可以由一塊與主系統(tǒng)電路相匹配的PC板組成，也可以是一個能夠迅速被安裝好的已封裝好的(帶外殼)單元。因此，設(shè)計人員必須考慮：

• 可能會影響內(nèi)置接收器尺寸要求的空間限制。

• 或者在最初始生產(chǎn)時將接收器直接集成到主設(shè)備的內(nèi)部，或者將接收器做為分式器件，在系統(tǒng)最后組裝的時候再與主設(shè)備連接。

• 若是使用分立式器件，那么應(yīng)該如何對這些電子元器件供電

• 可能影響內(nèi)置接收器尺寸要求的空間限制。

內(nèi)部接收器模塊的成本通常要低一些，因此它們不需要外殼、固定件，或電纜(從接收器外殼連接至腳踏開關(guān)輸入連接器或匹配母連接器)。

4.可以選擇完全封閉的帶狀態(tài)指示LED的接收器模塊。

接收器信號協(xié)議

醫(yī)療設(shè)備設(shè)計人員在設(shè)計無線踏開關(guān)時有很多協(xié)議可以選擇。接收器可以向給主設(shè)備遞交控制信號以及其它被傳送的數(shù)據(jù)，如電池充電狀態(tài)、已經(jīng)歷了幾次充電周期、腳踏開關(guān)識別信息，等等。

接收器可以將接收到的數(shù)據(jù)采用不同的協(xié)議格式傳輸給主設(shè)備。這些協(xié)議格式包括但不限定于：RS-232系列、I2C、USB、或只是用于各種受控功能(如，速度或功率)的離散接觸閉合和/或仿真電壓或電流。與腳踏開關(guān)供貨商緊密合作就可以研發(fā)出易于集成的最佳接口。

配對

與系繩并專門用于控制與之相連的醫(yī)療設(shè)備的有線腳踏開關(guān)不同，無線單元(理論上)有能力控制帶有特定接收器的所有設(shè)備。因此，確保無線腳踏開關(guān)只與特定的需要使用的設(shè)備進(jìn)行通信控制是非常有必要的。通過開發(fā)安全可靠的配對傳輸(腳踏和其接受器)技術(shù)，無線腳踏開關(guān)迅速被普遍接受。

配對，即將腳踏控制開關(guān)與特定受控設(shè)備相結(jié)合，可以通過很多種途徑來實現(xiàn)。目前的技術(shù)包括：

1.在腳踏開關(guān)和目標(biāo)接收器之間引入專用的IR通道來實現(xiàn)配對。典型的過程就是，通過建立握手協(xié)議,這樣接收器就能接收并存儲腳踏開關(guān)的獨特身分(比如其型號或序列號)，使驅(qū)動腳踏開關(guān)能夠被目標(biāo)接收器感知。在建立握手之后，接收器將僅識別來自其配對伙伴的指令。

2.通過腳踏開關(guān)的無線RF鏈路，建立和控制目標(biāo)的鏈接。通常是讓接受器處在配對模式，與此同時激活腳控踏的一個或者多個控制功能，從而實現(xiàn)腳踏開關(guān)與相對應(yīng)控制設(shè)備的配對。

3.使用配對電纜。通過將腳踏開關(guān)插入接收器系統(tǒng)配對，此首次啟動將便能配對過程。一旦配對成功，就可以將配對電纜收起來用于后續(xù)配對不同/更換腳踏控制開關(guān)，或用作替補電纜，使腳踏控制開關(guān)可以以硬線(非無線)模式。

4. 對于大多數(shù)應(yīng)用來說，配對被限定在一個接收器配對一個腳踏控制開關(guān)。然而，對于有些特定應(yīng)用，可以將兩個腳踏與一個醫(yī)療設(shè)備進(jìn)行配對。舉一個這類方案的例子就是，有兩個外科醫(yī)生同時進(jìn)行同一臺手術(shù)。在此情況下，程序通常一次只能識別一臺腳踏開關(guān)，并且同時會忽略來自另一個配對設(shè)備的所有信號，直至系統(tǒng)程序允許它進(jìn)行配對為止。

考慮到方便現(xiàn)場替換和不犧牲系統(tǒng)的安全性， 配對技術(shù)的多樣化允許設(shè)計人員靈活地將類似腳踏控制開關(guān)用于同一臺醫(yī)療設(shè)備。

4.無線操作可以滿足最復(fù)雜的腳踏控制開關(guān)要求。

若在設(shè)計早期就充分考慮放置位置、通訊協(xié)議和配對等因素，就可以使無線腳踏開關(guān)或者無線手控系統(tǒng)能夠：

• 充分地利用無線控制系統(tǒng)的每個潛在優(yōu)勢

• 有助于簡化現(xiàn)場服務(wù)

• 確保無線控制單元的最佳性能

• 最大程度地利用信息框架里提供的非控制信息：如腳踏控制開關(guān)的身份識別、電池充電狀態(tài)、傳送異常、充電次數(shù)，等等。

• 以最低成本實現(xiàn)