ניהול הספק עבור יישומי בריאות הציבור

יישומי בריאות שונים דורשים פתרונות ניהול הספק שונים. מבחינת ניהול ההספק, שוק הבריאות הוא שוק מעניין ביותר. אם כי מחזורי התכנון בטיפול בבריאות הציבור הם די ארוכים, רמת התחדשות גבוהה מזינה את הצורך באלקטרוניקה חדשה עבור שוק הבריאות. היא לא רק מחליפה מכשור ישן יותר, אלא גם משמשת בשווקים ויישומים חדשים שלא היו קיימים לפני מספר שנים. מאמר זה יבחן ארבעה שטחי יישומים שונים של שוק הבריאות. אלה הם טיפול בבית המטופל, מכשור, ניטור המטופל והדמיה. פתרונות של ניהול הספק נדונים עבור כל אחד מהם בנפרד.

טיפול בבריאות הביתית
במסגרת הטיפול בבריאות הביתית אנחנו מזהים פעילות תכנון נרחבת. המציאות העולמית של חברות מזדקנות, חוזק כלכלי גובר וחידושים הובילה ליישומים חדשים רבים עבור הטיפול בבריאות הביתית. היתרון לגבי המטופלים הוא גמישות עולה, שירותים טובים יותר ואולי פחות ביקורים אצל הרופא. בשעה שהדאגה לבריאות הביתית הייתה כבר קיימת מזה כמה זמן, רק לאחרונה אנחנו עדים לפתרונות יותר ויותר מתקדמים הזמינים עבור הצרכנים. דוגמאות של פתרונות כאלה הם מנטרי פעילות הלב, לחץ הדם וקצב הלב. כמו כן מנתחי לחץ דם ניידים ומערכות של ריכוז החמצן והדופק כלולים בדאגה לבריאות ביתית של היום.
מבחינת ניהול ההספק, כל המערכות הללו דורשות רמה גבוהה של שילוב בשל הניידות הדרושה. יעילות הספק גבוהה דרושה עבור מערכות שהן ניידות באמת ולכן הן מוזנות על-ידי סוללות. כאן צריכת הספק נמוכה יותר תאריך את זמן הפעולה של ההתקן ללא צורך בטעינה או החלפה של הסוללות. לבסוף, פרט חשוב הוא גם העלות. בשעה שביישומי בריאות לציבור אחרים עלות הפיתרון של ניהול הספק עשוי לא להיות פרט-מפתח, בדאגה לבריאות הביתית הוא אכן כן. כאן אילוצי עלות מתקרבים למה שנפוץ בשוק האלקטרוניקה הצרכנית.
איור 1 מראה שרשרת הספק עבור מערכת נטענת המשתמשת בסוללת ליתיום-יון. ארכיטקטורת ההספק מבטיחה שחלקים אחדים מהמעגל ניתנים לכיבוי בעזרת מתג עומס דוגמת ה-ADP190, בעוד מעגלים אחרים, דוגמת ה-ADP160 המזין את שעון זמן-האמת (real time clock – RTC) הם תמיד מופעלים. ל-ADP190 יש זרם הארקה נמוך יותר מ-2 מיקרו-אמפר באשר הוא דלוק וה-ADP160 צורך רק 560 ננו-אמפר של זרם הזנה ללא עומס. דבר זה שומר על הפירוק הקבוע המזערי של הסוללה.
ה-ADP2140 הוא וסת מיתוג buck משולב ביותר יחד עם וסת ליניארי. יחידת ניהול ההספק הזו חוסכת מקום ועלות.
כדי לטעון את סוללת הליתיום-יון, זמינים פתרונות טעינה מתקדמים דוגמת ה-ADP5065. התקן זה הוא מטען מיתוג מאוד יעיל המתאים במיוחד עבור יישומים רפואיים בשל תכונותיו הרבות של גילוי שגיאות ואבטחה. הוא תואם במלואו את מפרט 1.1 של טעינת סוללה לפי USB 2.0, USB 3.0 ו-USB, ומאפשר טעינה דרך הפין מיני-USB VBUS ממטען-רשת, מטען-רכב או כניסת-מארח (host port) .
מערכות בריאות ניידות זולות יותר, המשמשות רק לפרקי זמן קצרים, ניתנות לתכנון בעזרת סוללה אלקליין לא-נטענת. בשל שיקולי משקל ועלות יש יתרון בשימוש בסוללה אחת בלבד מאשר המצב בעל שתי סוללות המקובל. הקושי במערכות בעלות סוללה אלקליין יחידה הוא בכך שמתח הסוללה הוא רק בתחום של 0.8 וולט עד 1.5 וולט. כדי להזין את האלקטרוניקה, דרוש וסת הגברה (boosting regulator) המסוגל לספק מתחי מבוא כה נמוכים נוכח יעילות הספק גבוהה. איור 2 מציג את ה-ADP1607 בתור צעד ראשון בהמרת הספק עבור יישום מסוג זה. הוא מפיק 3.3 וולט שהם דרושים ברוב המערכות.

מכשור
יישומים לדוגמה המכשור הם מוני דם ודיאליזה כמו גם אבחונים קליניים.
ציוד המכשור הוא לרוב לא נייד. דרישות ניהול ההספק אינן מוכתבות במיוחד על-ידי הגורמים המתוארים בפרק “דאגה לבריאות ביתית”. במכשור יש לנו לרוב יותר הספק זמין, כך שיעילות ההספק איננה גורם כה חשוב. בשעה שרמה גבוהה של שילוב היא בהחלט “רצויה”, היא לעתים קרובות לא-חיונית. מה שחשוב ביישומי מכשור הוא לעתים קרובות רעש נמוך. וסתי מיתוג כמו גם וסתים ליניאריים חייבים להיות בעלי רעש נמוך מאוד כדי לאפשר מדידות בדיוק גבוה ביותר.
לרוב ספק כוח AC/DC בתיבת כסף משמש להפקת מתח ביניים אחד או יותר. פסים אלה משמשים לאחר מכן להפקת מתחים נמוכים יותר.
איור 3 מציג יחידת מיקרו- (Power Management Unit). זהו ADP5050 שיכול לפעול מפס של 12 וולט המחובר לספק הכוח AC/DC. PMU זה כולל ארבעה וסתי מיתוג כמו גם וסת ליניארי יחיד. בעוד היותו קומפקטי, הוא כולל פונקציות רצויות רבות. תדרי המיתוג של וסתי הצעד-יורד (step down) הנפרדים מסונכרנים ביחד והמופע שלהם מוזז עבור רעש מזערי בקו המבוא וכדי לאפשר קבלי מבוא קטנים. תכונה ייחודית אחת היא האפשרות של הפעלת שניים מוסתי המיתוג במחצית תדר המיתוג של יתר שני הוסתים. דבר זה מאפשר פרופיל EMI נמוך כמצופה ביחד עם אפשרות של שימוש בתדר מיתוג גבוה יותר עבור פס הספק נמוך תוך שימוש בתדר מיתוג נמוך יותר בפס הספק גבוה לשם היעילות הגבוהה ביותר.
ואחרון, אך לא פחות חשוב, ישנו ממשק I2C זמין כדי לשנות בצורה דינמית את מתח המוצא, לבדוק את טמפרטורת השבב, לקבוע את הזזת המופע של הערוצים השונים, להציג אישור של פעולה תקינה ולאפשר פעולה של ערוצים בודדים. פונקציות אלו מסייעות למערכות מכשור חכמות לנטר ולבקר את ניהול ההספק.

ניטור המטופל
מערכת מסוג זה הן מבוססות קלינית, ומשמשות למדידת לחץ דם כמו גם במערכות רישום פעילות הלב
(electrocardiography – ECG) ומדידת ריכוז החמצן בדם בעזרת פולסים (pulse oximetry). כאן ניהול ההספק הוא לרוב מוזן על-ידי הקו, כך שיעילות ההספק איננה כה חשובה כל עוד ניתן לווסת את פיזור החום. מה שבאמת קובע הוא האמינות, הבידוד הגלווני למטרות אבטחה וכמו-כן רעש נמוך. לשם אמינות, מסופק לעתים גיבוי בעזרת סוללה. דבר זה שימושי כאשר מעבירים מטופלים בין תחנות שונות בבית-החולים ואין להפסיק את ניטור הסימנים החיוניים.
הבידוד חייב למלא אחרי תקן האבטחה הרפואי המחמיר ביותר IEC 60601-1. הבידוד הדיגיטלי עם ®Icouplers מחליף את המצמדים האופטיים (optocouplers) מבלי לפגוע בשלמות הבידוד. היתרון הוא במניעת השפעות ההתיישנות של המצמדים האופטיים באמינות לטווח ארוך כמו גם הזמינות של פונקציות של מוליכים למחצה שונות כגון USB, I2C ווסתי ניהול הספק ממותגים, הכל בחבילה אחת. התקנים אלה מסוגלים לבידוד מחוזק ויכולים לעמוד בפרץ (surge) של 10 קילו-וולט כמוכתב על-ידי התקן 60747-5-5 של IEC. מוצרי Icoupler משתמשים בשנאי chip scale המספקים חסינות לתופעות מעבר במוד-משותף מאור חסונה בהשוואה למבודדים דיגיטליים של מצמדים אופטיים ומבוססי קבל. איור 4 מציג את המושג של בידוד השראתי. ישנם שני סלילים עם מחסום בידוד המורכב מ-polymide, SiO2 או חומרי בידוד דומים ביניהם.
איור 5 מציג דיאגרמה מלבנית של התקן Icoupler אופייני בעל פונקציונליות של Isopower. Isopower מסוגלת להצמיד לא רק אותות דרך מחסום בידוד, אלא גם הספק. ה-ADuM540x יכול לספק הספק כולל של עד 500 מילי-ואט. מלבד הצימוד של ההספק, השבב יכול גם לשלב עד 4 ערוצים של צימוד נתונים. איור 6 מראה צילום של המערכת בתוך מארז מיקרו-שבב.

הדמיה
יישומים אלה עברו כבר דרך ארוכה. באמת מרתק אילו התקדמויות נעשו בתחום ההדמיה. קבוצת מוצרים אלה כוללת ציוד על-קולי, CT (טומוגרפיה ממחושבת), קרני רנטגן דיגיטליות, MRI (magnetic resonance imaging) ו- (positron emission tomography).
מבחינת ניהול ההספק אנחנו מבחינים בשתי מגמות. מערכות גדולות יותר כמו MRI ו-PET הן די רעבות להספק ודורשות ספקי כוח מבוזרים רבים. אלה חייבים רמה מסוימת של יעילות למטרות פיזור חום.
ביישומי הדמיה מאוד סביר שכל סוג של רעש מערכת, כולל רעש מיתוג או אף רעש מתח מוצא של LDO עשויים להיראות בתמונה הסופית. הם יכולים להיות קווי שגיאה רגילים בתמונה אך לעתים אנחנו רואים ירידה באיכות התמונה בקונטרסט וצבעים או ברמות האפור.
ספקי כוח עשויים להציב בעיות במעגלי חישת התמונה וגם במעגלי תצוגת התמונה. סוגיות של איכות התמונה המתקבלת בשני החלקים של מערכת הדמיה אינן קבילות. יש יצרנים של ציוד הדמיה רפואית שהשתמשו לפני כן במודולים של ניהול הספק אך החליטו נגדם. בעוד הם יכלו להפיק מפרט עקרונות מובטח, התנהגות ה-EMI המדויקת לא הייתה מובטחת. השינוי הקל ביותר בייצור של מודולי ההספק יכול היה ליצור סוגיות יבול באיכות התמונה. כדי להשיג רמה גבוהה יותר של בקרה, תכנון הספק דיסקרטי, מפותח במלואו ומיוצר עלי-ידי חברת תכנון ההדמיה של מערכת הבריאות עשוי להיות הדרך הטובה יותר שיש לנהוג בה.

סיכום
דרישות ניהול ההספק ביישומי בריאות הן די שונות בתלות בתחום היישום. בכל התחומים אנחנו מגלים את הדרישה לפתרונות מתמחים. בדאגה לבריאות הביתית רבים הפתרונות שיכולים להיות מבוססים על מוצרים תקניים מיוחדים ליישום או על מעגלים משולבים מיוחדים ליישום. היישומים בעלי הממדים הקטנים יותר ישתמשו ביחידות ניהול תקניות מהמדף. במכשור, ניטור המטופל והדמיה, פתרונות ניהול ההספק יהיו אף יותר מיוטבים כדי להתאים היטב לרכיבי נתיב האותות בעל הדיוק הגבוה ביותר.