La puissance, aspect essentiel pour les appareils portables médicaux

23rd July 2019
Posted By : Victoria Chercasova
La puissance, aspect essentiel pour les appareils portables médicaux

La technologie portable devrait être la base de la prochaine révolution numérique dans le domaine de la santé. La surveillance et le contrôle intelligents et automatiques en temps réel vont devenir le modèle le plus important du secteur médical, permettant un degré élevé de prise en charge des patients et une meilleure qualité de vie pour ceux atteints d’une longue maladie. L’alimentation de ces appareils pourrait cependant être un obstacle considérable à franchir.

Chaque nouvelle génération de bracelets de fitness et de montres intelligentes fournit une large gamme de fonctionnalités, mais souvent, les fonctions intégrées à ces appareils portables entraînent une plus grande consommation d’énergie. Bien sûr, la même règle s’applique aux appareils médicaux. Les contraintes d’espace auxquelles les appareils portables sont soumis, à la fois pour le suivi d’activité et la surveillance des patients, empêchent d’utiliser des batteries de plus grande taille ; par conséquent, des technologies de gestion d’énergie plus innovantes doivent être employées pour maîtriser le niveau budgétaire dédié à la puissance du système.

Si un dispositif portable doit être efficace, il doit être confortable pour le patient à porter pendant une période prolongée (du fait que dans la plupart des cas, il doit être porté en permanence pour collecter les données requises). Il ne doit pas être lourd au point de fatiguer le patient ; cela vaut particulièrement pour les patients plus âgés ou les bébés.

Points essentiels de la conception

Tout appareil portable médical doit rassembler différents composants électroniques clés, notamment :

  • un microcontrôleur (MCU) pour la gestion et le traitement des données ;
  • une réserve de batterie pour stocker l’énergie nécessaire au fonctionnement de l’appareil ;
  • des capteurs tels qu’un accéléromètre, un gyroscope, un moniteur de fréquence cardiaque, etc. ;
  • une interface de communication, par exemple prenant en charge la technologie Bluetooth Low Energy (BLE) ou la communication en champ proche (NFC) ;
  • des mécanismes cryptographiques pour assurer la protection des données (garantissant qu’aucun accès à des informations médicales privées n’est possible).

L’utilisation de microcontrôleurs et de capteurs définit les caractéristiques et les capacités de l’appareil, et donc les applications pour lesquelles il sera utilisé. Les appareils médicaux cliniques doivent être très exacts et fiables, tout en restant simples à gérer et en ayant des capacités de protection des données très efficaces. Leur durée d’enregistrement peut s’étendre à un an ou plus. Pour la conception de tels objets, l’approche technique pour la gestion de l’énergie au niveau du système consiste en plusieurs blocs fonctionnels, avec des domaines de puissance groupés basés sur les besoins partagés. De cette façon, la meilleure disposition peut être mise en place pour chaque domaine afin de maximiser l’utilisation efficace de l’énergie (comme illustré sur la figure 1). Certains domaines peuvent être entièrement désactivés lorsqu’ils ne sont pas utilisés, tels que l’élément RF ou les fonctions à cycle d’utilisation élevé qui ne sont pas urgentes. Le microcontrôleur au cœur du système doit associer une très faible consommation d’énergie et l'intégration élevée des périphériques.

 

Figure 1 : configuration de circuit interne typique d’un appareil portable avec différents domaines d’énergie.

Technologie des batteries

Les compositions chimiques des batteries utilisées le plus souvent dans les appareils portables sont lithium-ion (Li-Ion) et lithium-ion-polymère (LiPo). Les batteries Li-Ion sont composées d’électrolytes organiques et ont des tensions nominales allant de 3,2 V à 4 V (à la fois primaires et secondaires). Les deux compositions chimiques diffèrent en termes de capacité de stockage : celle des batteries Li-Ion est supérieure.

Les batteries Li-Ion ont un impact relativement faible sur l’environnement et peuvent être dotées de dimensions modestes et d’une construction légère. Toutefois, leur capacité est directement liée à leur taille, ce qui est problématique pour les conceptions à l’espace restreint. Les avancées dans la technologie matérielle, comme l’implémentation de graphène, devraient garantir que des niveaux de stockage bien supérieurs à ceux fournis par les ressources Li-Ion actuelles pourront être obtenus à l’avenir ; de nombreux projets de recherche en cours partagent cet objectif. Les avancées dans le domaine des nanotechnologies vont permettre aux supercondensateurs d’être également utilisés pour stocker l’énergie électrique pour une utilisation portable.

Microcontrôleurs à ultra-basse consommation

Avec les appareils portables médicaux, la consommation de courant du microcontrôleur doit pouvoir se compter en nanoampères en mode veille et atteindre un maximum de quelques centaines de microampères lorsque l’appareil est pleinement opérationnel. Le microcontrôleur ne doit pas simplement traiter les données venant des capteurs, il doit également gérer l’alimentation, en fournissant du courant seulement lorsqu’une certaine partie du système le nécessite afin que l’énergie ne soit pas gaspillée inutilement.

Destiné au développement d’appareils portables, le microcontrôleur MAX32660 de Maxim Integrated (détails à la figure 2) fournit une combinaison convaincante de fortes performances opérationnelles et d’efficacité énergétique. Il comprend un cœur ARM Cortex-M4 à 32 bits avec un processeur FPU intégré et fournit l’accès à suffisamment de mémoire pour exécuter des algorithmes avancés et gérer les capteurs communiquant avec lui. Ce microcontrôleur a également les chiffres de performance les plus élevés du secteur en matière de puissance (atteignant jusqu’à 50 μW/MHz), dans un boîtier compact WLP aux dimensions externes de 1,6 mm x 1,6 mm seulement. 

 

Figure 2 : schéma fonctionnel pour le MAX32660.

Microchip fournit une large gamme de microcontrôleurs 32 bits à ultra-basse consommation pour répondre aux besoins du marché des appareils portables médicaux. Elle s’étend des plus petits microcontrôleurs SAM D, qui sont basés sur l’architecture ARM Cortex-M0+, à la série SAM L à ultra-basse consommation et la série PIC32MX XLP aux performances accrues. Ces microcontrôleurs peuvent fournir une consommation d’énergie par cycle de moins de 35 µA/MHz en mode actif et seulement 200 nA en mode veille. Ils intègrent une mine de fonctionnalités telles que les ports LCD, les amplificateurs opérationnels, les horloges en temps réel et la technologie tactile mTouch ainsi que des interfaces USB et DMA. Les périphériques basse consommation sont connectés de façon à ne permettre presque aucune latence dans le partage de données, sans interruption du processeur (figure 3).

 

Figure 3 : schéma fonctionnel du PIC32MX Microchip.

Les autres solutions de microcontrôleur 32 bits utilisées dans le secteur des appareils portables incluent les microcontrôleurs Giant Gecko EFM32 de Silicon Labs basés sur coeur ARM Cortex-M3. Les microcontrôleurs Giant Gecko sont disponibles avec des périphériques autonomes basse énergie, incluant le chiffrement AES pour une plus grande sécurité, un UART, une interface de capteur basse énergie et des amplificateurs opérationnels (voir figure 4 pour plus de détails).

 

Figure 4 : schéma fonctionnel de l’EFM32.

Récupération de l’énergie

Comme nous l’avons mentionné précédemment, l’une des principales raisons pour lesquelles les appareils portables ne sont pas encore utilisés à grande échelle par la profession médicale est la nécessité de recharger la batterie régulièrement. Le patient risque d’oublier ou le personnel soignant peut être amené à devoir assumer cette responsabilité. Bien que la chimie des batteries s’améliore, une stratégie alternative pourrait être de se concentrer sur les technologies de récupération d’énergie. Celles-ci collectent l’énergie de sources externes (telles que la lumière du soleil, les gradients thermiques ou le mouvement) pour charger l’appareil médical, qui peut alors fonctionner indéfiniment sans qu’il faille recharger la batterie. 

La récupération d’énergie à partir de la chaleur ou du mouvement humain dépend de l’énergie dissipée par la personne portant l’appareil. En moyenne, elle est d’environ 107 J/jour, soit l’équivalent de 20 kg de batteries stockant 2 500 mA/h, ce qui, théoriquement, fournirait de larges réserves d’énergie à utiliser, si cela pouvait être fait efficacement.

L’énergie thermoélectrique transforme la chaleur en électricité en exploitant l’effet Seebeck, c’est-à-dire en générant une différence potentielle proportionnelle au gradient de température entre les côtés chaud et froid. Une paire de semi-conducteurs créant un module Peltier fournirait les éléments nécessaires à la conception du système. Pour les appareils portables, le corps humain, qui émet de la chaleur en continu, pourrait être utilisé comme côté chaud, tandis que son environnement serait utilisé en tant que côté froid, nécessaire pour la collecte thermoélectrique. L’un des avantages principaux de cette configuration réside dans la disponibilité constante de l’énergie jour et nuit, contrairement à l’énergie solaire récupérée par les cellules photovoltaïques (pouvant uniquement être produite pendant les heures du jour). 

Une autre forme de récupération d’énergie est d’origine mécanique et concerne les vibrations et les mouvements des membres du patient. Ici, des éléments piézoélectriques généreraient un courant électrique à chaque fois qu’un dispositif mécanique est actionné. Pour la récupération d’énergie dans les appareils portables, les éléments piézoélectriques sont souvent conçus pour produire des courants électriques en utilisant les vibrations produites en marchant, en respirant ou en bougeant les bras et les jambes. Le kit de développement Energy Harvesting Solution to Go de Wurth Electronics permet un accès facile aux technologies de récupération d’énergie, aidant les développeurs à créer des circuits de gestion d’alimentation pour les appareils portables.

Convertisseurs CC/CC

Le convertisseur CC/CC a pour rôle de maintenir une tension constante pour tous les appareils périphériques. Guidé par le microcontrôleur, il gère chaque portion d’énergie stockée dans les batteries Li-Ion associées. Ces composants doivent répondre à des spécifications strictes tout en consommant le moins d’énergie possible. Le LTC3107 de Linear Technology (comme détaillé sur la figure 5) est un convertisseur CC/CC hautement intégré, conçu pour prolonger la vie de la batterie principale dans des systèmes à puissance limitée, en combinaison avec un mécanisme de récupération d’énergie. Avec une faible source supplémentaire d’énergie thermique, il peut augmenter significativement la durée de vie de la batterie, réduisant les frais de maintenance récurrents liés au remplacement de la batterie. 

Figure 5 : circuit typique d’application pour le convertisseur CC/CC LTC3107.

La tendance continue à la miniaturisation dans les technologies médicales portables, avec des boîtiers plus petits et plus étroitement intégrés, requiert des systèmes de gestion d’énergie avancés et, dans de nombreux cas, l’emploi d’une forme de récupération d’énergie. Les choix concernant les circuits numériques, les ressources pour la batterie et les solutions de convertisseur CC/CC associées sont tous fondamentaux pour les conceptions à ultra-basse consommation requises.

 


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