解析無線腳踏開關醫療設備的設計思路

無線腳踏開關在很多醫療產品中被委以重任，這也要求無線腳踏開關設計人員在設計過程中必須遵守一系列標準，包括無線協議、電池/充電、人體工學、安全，等等。

醫療設備用戶和OEM一直以來都對無線腳踏開關有興趣。他們的興趣主要是源于：

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

• 希望腳踏開關能比其所控制的醫療設備更自由地選擇放置地點;

• 希望消除電線的潛在危害(導致腳踏板發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療設備逐漸被接受并變得普及，促使OEM要么設計適合使用無線腳踏開關的醫療設備，或者將無線腳踏開關做為售前或售后的選擇。這類設計為醫療設備的設計引入了兩個新的元素。

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

1. 為所設計的產品選擇安全的無線協議

2. 對腳蹋控制開關選擇供電電池

3. 為了使用方便，需采用的替換/充電技術

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療設備的內部或還是外部。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計。其中包括：

• 接收器的放置位置

• 接收器與主設備通信采用的協議

• 接收器和腳踏控制開關的匹配

• 腳踏控制“狀態”信息的最優使用

恰當的設計選擇可以簡化安裝，并且能優化整體的無線性能。

無線協議的選擇

現在的技術為OEM提供了一系列可供選擇的無線協議，其中包括ZigBee、藍牙、紅外(IR)、無線寬帶(WLAN)和醫療器械應用的專用協議。選擇無線協議時主要考慮的因素包括：

• 兼容應用的評估幾險

• 功耗和電源管理

• 響應時間

• 內在安全性和可靠性

• 成本

低風險的應用，如用于捕捉參考圖片的醫療照像機，彩紅外或者ZigBee等非定向協議就可以充分地滿足需求。與之相對應的，風險大一些的應用，如激光類手術設備或高頻外科發生器，則采用雙向協議會要更好一些。后者可以提供有更好的抗干擾能力，更強的加密性(用將腳蹋控制開關和特定的設備相匹配)，以及具有實時確認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議、一次典型使用過程所消耗的能量以及每天工作次數的影響。

工作電壓要求/空間限制

大多數無線解決方案要求工作電壓至少為3.6V.因此，電池-化學選擇將決定所需要電池的數量，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。對于需要經常更換電池的醫療應用而言，設計的目標是可以在不需要工具的情況下快速更換電池。依據應用的不同，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計變量。當前的技術包括采用醫療級植入在墻內的充電器、通過充電支架或者擴充口進行傳導式充電、感應充電、或者簡單地用在自主系統充電站充滿電的電池來更換已經放電完的電池。

設計無線接收器需要考慮的因素

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

• 選擇一個不會影響腳踏控制(發送器)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，利用主系統為接收器提供電源(通常通過主系統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時直接和醫療設備集成，或用于現場升級。

內置接收器可以由一塊與主系統電路相匹配的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，設計人員必須考慮：

• 可能會影響內置接收器尺寸要求的空間限制。

• 或者在最初始生產時將接收器直接集成到主設備的內部，或者將接收器做為分式器件，在系統最后組裝的時候再與主設備連接。

• 若是使用分立式器件，那么應該如何對這些電子元器件供電

• 可能影響內置接收器尺寸要求的空間限制。

內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指示LED的接收器模塊。

接收器信號協議

醫療設備設計人員在設計無線踏開關時有很多協議可以選擇。接收器可以向給主設備遞交控制信號以及其它被傳送的數據，如電池充電狀態、已經歷了幾次充電周期、腳踏開關識別信息，等等。

接收器可以將接收到的數據采用不同的協議格式傳輸給主設備。這些協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。與腳踏開關供貨商緊密合作就可以研發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療設備的有線腳踏開關不同，無線單元(理論上)有能力控制帶有特定接收器的所有設備。因此，確保無線腳踏開關只與特定的需要使用的設備進行通信控制是非常有必要的。通過開發安全可靠的配對傳輸(腳踏和其接受器)技術，無線腳踏開關迅速被普遍接受。

配對，即將腳踏控制開關與特定受控設備相結合，可以通過很多種途徑來實現。目前的技術包括：

1.在腳踏開關和目標接收器之間引入專用的IR通道來實現配對。典型的過程就是，通過建立握手協議,這樣接收器就能接收并存儲腳踏開關的獨特身分(比如其型號或序列號)，使驅動腳踏開關能夠被目標接收器感知。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.通過腳踏開關的無線RF鏈路，建立和控制目標的鏈接。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，從而實現腳踏開關與相對應控制設備的配對。

3.使用配對電纜。通過將腳踏開關插入接收器系統配對，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配對不同/更換腳踏控制開關，或用作替補電纜，使腳踏控制開關可以以硬線(非無線)模式。

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

考慮到方便現場替換和不犧牲系統的安全性， 配對技術的多樣化允許設計人員靈活地將類似腳踏控制開關用于同一臺醫療設備。

4.無線操作可以滿足最復雜的腳踏控制開關要求。

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

• 充分地利用無線控制系統的每個潛在優勢

• 有助于簡化現場服務

• 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：如腳踏控制開關的身份識別、電池充電狀態、傳送異常、充電次數，等等。

• 以最低成本實現