在行動式病患監測儀器（mobile patient monitor）日益發達的今天，要如何選擇適合的電池來滿足此類醫療裝置的嚴苛需求，以增進人類的福祉，將是本文探討的重點。
Robin Sarah Tichy
編譯：柳林緯
根據統計，美國國內每年光是多參數（multi-parameter）病患監測儀（patient monitors，又譯為生理監測系統）的銷售額就有將近十億美金的規模，但一般預估其年複合成長率（CAGR：compound annual growth rate）卻只有百分之二點一左右。從整個市場來看，尤其是在某些特定的監測儀器，像是血氧濃度監測儀（pluse oximeters）以及非侵入式血壓（non-invasive blood pressure，簡稱為NIBP）監測儀，雖然所占的量有很大的比重，但其成長卻非常緩慢。
由於這些醫療監測設備可說是屬於成熟產品市場，故其成長來源主要是靠機器汰換，因此，要在僧多粥少的競爭中搶得商機，無非就是得靠成本來堆砌出市場差異。而如果想靠產品本身來取得市場區隔，那麼就得加上一些令人耳目一新的技術，不然就是增加一些進階的功能，特別是足以反應當前醫療院所的醫護工作趨勢，並滿足這些新趨勢之工作需求的功能。
圖：（資料來源：Philips）（整理：柳林緯）
行動力有助於病患恢復
一直以來，醫界不斷思考該如何透過各種力量，來保障病患的行動力。缺乏活動至今已被普遍認為是導致健康問題的原因之一，這也讓絕大多數的病患在手術之後被囑咐要多做肢體活動好讓身體狀況能儘快回復正常。而要增加病患的行動力，必須讓她們能擺脫傳統固定式醫療裝置的束縛，像是上述的病患監測儀等，並徹徹底底地免除牽絆。不僅在行動力上是一項標的，新功能的增加也是很重要的，包括：提升對從其他醫療裝置取得的資料能加以整合，並以無線的方式將資料傳遞到臨床資訊系統（clinical information systems）中。
然而，以電源系統的角度來看，要讓一個裝置可以具備可攜式的行動力，還要增加這些無線傳輸與資料整合的功能，這對於有限的電池電力資源，似乎得面對嚴苛的挑戰。儘管透過更有效率的硬體設計、電源管理、以及軟體架構來舒緩某些情況下的問題，但終極解決電池包（battery packs）電力的瓶頸，以符合病患監測儀器之操作電壓與運作電流的需求，似乎才是真正的根本解決之道。
在電池技術的發展上，始終都在為了滿足市場需要，而往更高單位的電力密度（energy density）（譯註：即單位容積裏可提供之電量）努力著。多參數病患監測儀在過去只是為了備用電力才安裝電池，因此幾乎都是以密封式鉛酸電池（SLA batteries：sealed lead acid batteries）為設計目標。雖然這種鉛酸蓄電池的能量密度很低，但其價格便宜，可以隨時處於備戰狀態，更可容易監控其剩餘電力。
較為簡單的監測儀器像是血氧濃度監測儀，則是以不可再充電（non-rechargeable）的鹼性電池做為電源，既便宜也容易解決。而在消費觀念抬頭的今天，最終使用者大都意識到可再充電的電池的優點，並體認到經年累月下來所需購買的電池對於持有成本（cost of ownership）之間的關連。
鎳系與鋰系可充電電池
某些產品中已經裝設了鎳系（nickel-based）的可充電電池，來滿足客戶對於可再充電的要求，但這些應用了一到兩顆鎳鎘（Ni-Cd：nickel-cadmium）或鎳氫（Ni-MH：nickel-metal hydride）的電池包，以及一些簡單導線與保險絲的設計已經越來越罕見了。正因為可攜式電子裝置技術的不斷進步，電池技術這些年來也跟著變得複雜與精進了許多。時至今日，很多設計人員都把思維放在智慧型的電池包解決方案上，以更先進的電池化學技術，像是鋰離子（lithium-ion，簡稱為Li-ion）以及鋰聚合物（lithium-polymer，簡稱為Li-polymer）等，來開發各項裝置。
這些化學技術可說是當今普世電池中，可提供最佳電力密度的材料，以鋰離子電池來論，其重量和每瓦特小時成本（cost-per-watt-hour，每小時可供應之功率成本）是最具競爭力的。其操作電壓大約是在三點六至三點八伏特之間，對於只要三伏特就可以運作的電子電路系統，只需一顆鋰電池就可以達成使命了。
而以往的鎳系技術其操作電壓為一點二伏特，若要供應三伏特的系統電壓，則需要三顆電池才辦得到。此外，鎳氫電池最多可以串聯（譯註：意即電池包裏面的串接了多少顆的電池單體，也稱為電池芯cell，簡單來說，就是電池單體串接的數量cell count）到十顆來增加電壓值，此時之最高電壓為十二點五伏特。而鋰離子最多可以串聯到七顆，如此的電壓值可高達二十五點二伏特（幾乎差了一倍）。
目前，有些可充電鋰電池的電力密度，已經能做到超過每公升五百瓦特小時（Wh/l）的水準。這些爐火純青的鋰離子技術，不只可以提供更高的電力密度，其重量、可重複充電的次數（cycle life）（意即重複充電多少次之後，就不能再充電到某一程度），以及電量保存性（capacity retention）（譯註：又稱為電荷保持力charge retention，係指當充飽電之後，隔了一段長時間才拿出來用其所可以享有的電量與充飽時之間的差異程度），甚至是周遭溫度容忍範圍（ambient-temperature endurance）等，都有超乎以往的表現。
此外，鋰離子電池提供了最長的「使用壽命」（lifetime）與「儲放壽命」（shelf life，又譯為耐儲時間，意即放了多久之後沒使用卻還有一定的電力）。因此，如果在需要重量輕、高電力密度、甚至是高電壓（aggregate voltage）或高工作續航力（duty cycles）的應用環境，那就非得鋰系的鋰離子電池不可了，而這樣的應用環境，難道不正是本文所探討的病患監測儀嗎？
鋰離子電池的三種形狀
每當新產品進入設計階段時，就是重新檢視當時之電池技術的最好時機。此時，可以按照所需的實際體積，充分利用電池的設計彈性。鋰離子電池有三種基本的形狀：方角形（prismatic）、圓筒形（cylindrical）、以及鋰聚合物單體（cells）。方角形就是類似縮小版的磚塊那種四四方方的形狀，鋰聚合物單體則是薄薄一片，外層以可撓式聚合物為基質的薄膜（flexible polyester based film）包覆。
至於最常用的鋰離子電池單體則是原筒形的18650電池芯，這種月產量至少數百萬顆的款式，可說是自從一九九○年代初期筆記型電腦問世以來，就被廣泛運用在筆記型電腦的「業界標準」。此一款式具有最低的每瓦特小時成本，還融入了最新的電池芯單體技術。之所以稱之為18650，乃因為其直徑為十八毫米，其長度為六十五毫米，典型的電力為二點二至二點六安培小時（Ah）。
方角形電池芯是以外型尺寸來看，非常具有成本效益比的一種形式，一般以五十毫米長度與三十四毫米的寬度為主。單體的大小會依據不同的需要，而有不同的實際尺寸，其厚度可以在四毫米到十二毫米之間。值得一提的是，這種形式會在其「使用壽命」內的正常操作下，增長（swell up）百分之十左右的體積。這樣的增長屬於正常也不具危險的，除非膨脹到無法容於原有的設計電池包中。
最後，鋰聚合物單體是可以製造客制化尺寸的外形方式，依照需要可以做得很薄或很大。只不過，不僅價格昂貴，其可撓式的外包裝，還會讓整個單體變得易碎而產生危險。
如果換成可充電鋰離子電池的話
如果某家醫療設備製造商想要將一台原先使用三號（AA，UM-3）鹼性電池的血氧濃度監測儀，重新設計成可以使用鋰離子或鎳氫充電電池當電源時，這種情況應該是時有所聞。若原先的電路是採用三顆串聯且並聯成兩排，也就是三點六伏特的電壓，五點九安培小時的電量。此時，需要用四顆鎳氫4/3A的電池單體，或兩顆鋰離子18650的單體，就可以達到同樣的電壓與電量了。在這樣的狀況下，鋰離子電池包只有原先設計的二分之一重量，容積也只有採鎳氫電池包時的三分之二而已。
此外，假設該醫療儀器製造商還有一款多參數監測儀器是採用SLA（鉛酸蓄電池）當備用電力，這種設計一般都採用六顆SLA電池串聯且並聯成兩排。若採用鋰離子設計後，將可大幅增加其可攜式能力。只要採用四顆串聯且並聯成兩排（八顆），或者採用三顆串聯且並聯成六排（二十四顆）的鋰離子18650電池單體排列組合，就可以做到等量齊觀的電壓與續航力了。在這樣的條件下，鋰離子電池只需原先採用SLA電池設計的五分之一容積、以及將近十分之一的重量而已。這麼一來，只要裝上輪子，就可以讓所搭配的儀器，輕易地從一個地方移動到另一個地方。所以，這也就是本文認為，在設計的一開始就要想到電池的原因，不論是其體積、重量、充電方法（charging regimens）、充電管道、還是移動性、維護保養等，都是設計人員必須仔細思量的地方。
基本上，任何一個鋰離子電池包裏，都不是僅由幾顆電池芯所構成，還包含了安全保護電路與電力管理電路等，集結了這些電路與電池單體，然後組裝在堅硬的塑膠外殼中。工程師們透過當今的電池化學技術，創造出電力管理的機制，以便控管裏面的電池單體。而印刷電路板上的這些電路，提供了不少的安全保護與控制管理功能，像是：剩餘電量（fuel gauge）、保護電路、熱感測（thermal sensor）、以及一些串列資料通訊匯流排等。
這些具有安全保護作用的設計與製造時確保品質的作為，必須謹慎地融入整個電池包之中，舉例來說，像是動作安全電路（active safety circuits），就是要確保電池是處在穩定工作的狀態下。所有鋰離子電池也必須具備過電壓或電壓不足的保護機制，當然，對於電池短路也要有所保護。
電池管理單元（BMU：battery management unit）
整個電池包還要具備熱感測設計，好讓電池在某個溫度條件下或過熱時能將其跳開（開路），以避免系統產生熱跑脫（thermal runaway）（譯註：一般鋰電池容易因為製造上的小瑕疵，或加上過渡充電氧氣從陰極分離出來，當電池過熱時，會使鄰近電池的物品引起氧化，這個過程稱之為熱跑脫）。而以上這一切機制，大都統稱為安全電路或電池管理單元（BMU：battery management unit）。
在設計的過程中，電池系統工程師以及專家們必須和裝置開發與電源管理設計人員們攜手合作，以便讓整個最終的醫療產品能得到最佳的電力。電池技師們的目的，在於協助裝置開發人員能讓產品找到最適合搭配的電池單體，並使得該應用產品能運作得宜，而且能妥善運用每一絲每一毫的電力。
智慧型電池系統（smart battery systems）在不容閃失（mission-critical）的應用場合中，像是醫療裝置產品市場，是非常有發揮空間的。可供醫療監測儀器使用的優良智慧型電池包，都還具備了像是：準確的剩餘電力續航時間預估，以及與主控裝置回報運作狀態的功能。傳統的剩餘電量回報大都只能監視其電壓或電量而已，無法做到智慧型電池的準確預估。
儘管有些電池可以提供剩餘電量回報功能，讓使用者能有依循，但對於剩餘電量的精確與否，才是真正決定電池系統性能高低的關鍵。如果在判斷時，不能將溫度、放電速率（discharge rate）、以及電池老化的這些參數給考慮進去，可能在電力快用罄了的時候，卻回報電力還有百分之三十。
不僅如此，差勁的剩餘電量回報，還會導致充電不完全（inefficient charging）的問題。同時，若電池是處在充電不足或過度充電的情形下，其電力續航以及服役年限都將受到折損。新的氣體式剩餘電量機制，巧妙地監控著電池系統中所轉換的電荷量（庫侖），並與其開路電壓為標的來校正，使得準確率可以達到百分之九十九左右。這些新功能足以讓使用者聰明地調配整個裝置的使用，以避免不必要的當機或停機。智慧型電池包還能提供使用歷程記錄，對於要追溯或確認保固條件來說更是方便。
期待電力滿滿的來電診所
選擇一組最合適的電池，就以上那些屬於成熟且競爭激烈的病患監測儀器來說，確實是非常重要的一件事。有越來越多的開發設計人員，已經將焦點放在更具性能的電池身上了，像是鋰離子與鋰聚合物。而那些投入電池化學技術研究的人們，也希望能積極開發出更高電力密度、以及更具成本效益，甚至更輕更安全的電池。
而透過這些業界先進的努力，相信今後的醫師與病患都能享受到更有彈性的監測儀器，可以讓她們不再受牽絆，並免於要經常替換電池或充電的掣肘。甚至在智慧型電池能更有智慧的進步中，期待廠商們能讓電池包越做越好，不只是讓醫師病患在診所裏可以電力滿滿，即使在家也能時時來電。
【譯註】
關於文中所提到的主題，本刊先前也曾有相關報導，如：「為醫龍出征：可攜式處理器與醫療裝置設計」（二○○八年三月號）、「穿著現在待著未來：淺談可穿戴式電腦」（二○○八年二月號）、「撐起白色巨塔：淺談可攜式醫療裝置的電源需求」（二○○六年九月號，本文同一作者）、「如何選擇一個適當的鋰離子與鋰聚合物電池充電器」（二○○六年九月號）、「有鋰走遍天下無鋰寸步難行：漫談鋰電池技術的發展」（二○○六年三月號）等文。
作者簡介：Robin Sarah Tichy博士，係Micro Power Electronics Inc.公司技術行銷工程師，該公司總部位於美國奧勒岡州，網址為：http://www.micro-power.com/，其個人簡介請見：http://www.micro-power.com/default.asp?id=653。
原文標題為：Power for Mobile Patient Monitors。
譯者簡介：柳林緯，係本刊特約撰述，為資深電子資訊媒體新聞工作者。 |
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