2. 医疗可穿戴设备的典型形态与功耗需求

医疗可穿戴设备与消费级手环最大的区别在于：它输出的数据要能用于临床判断或治疗决策，因此采样率、续航、电池容量与安全要求之间存在强耦合。理解这种耦合关系，是低功耗设计的第一步。本节围绕连续血糖监测（CGM）、心电贴、血氧腕表、神经刺激器四类典型形态，逐一拆解它们的功耗画像。

连续血糖监测（CGM）：低占空比、长续航的传感器节点

CGM 由皮下葡萄糖传感器、柔性发射器和接收端组成。传感器通过酶电极产生与葡萄糖浓度成比例的微弱电流，典型量程 40–400 mg/dL，分辨率要求约 1 mg/dL。采样率通常为每 1–5 分钟一个点，即 0.003–0.017 Hz，属于极低占空比场景。发射器以 BLE 广播方式每 5 分钟发送一次数据包，单包约 20–30 字节。

功耗预算上，CGM 发射器电池多为纽扣电池（CR2032，约 220 mAh）或微型锂聚合物电池（约 40–60 mAh）。以 14 天续航、平均电流 10–20 µA 计算，220 mAh 电池可支撑约 15 个月，但实际产品受传感器寿命限制，通常设计为 14 天更换。关键低功耗手段是：传感器前端采用间歇激励而非连续恒电位，MCU 在两次采样之间进入深度睡眠（<1 µA），BLE 广播间隔拉长到 5 分钟。安全要求方面，CGM 属于 II 类或 III 类器械，需满足 IEC 60601-1 电气安全与 ISO 15197 准确性标准，报警功能必须可靠触发，因此不能为了省电而牺牲报警响应时间。

心电贴：高采样率与短续航的矛盾体

心电贴用于房颤筛查、术后监测等场景，需要连续采集心电信号。诊断级心电带宽为 0.05–150 Hz，采样率通常 250–500 Hz，部分高端产品达 1 kHz。以 250 Hz、12 位分辨率、单导联计算，数据率约 3 kbps；若采用双导联则翻倍。心电贴电池容量通常 100–300 mAh，续航目标 7–14 天。

这里存在明显矛盾：连续高采样率采集会迅速耗尽电池。实际工程中采用分级策略——本地 MCU 先做 QRS 检测和心律失常初筛，仅将异常片段或压缩后的特征数据通过 BLE 上传，正常节律只存摘要。这样平均无线功耗可降低一个数量级。心电贴的安全要求更严：患者可能同时连接其他设备，需满足 IEC 60601-1 的漏电流限制（正常状态 <100 µA，单一故障状态 <500 µA），且电极与皮肤接触阻抗变化会影响信号质量，前端需具备除颤保护。

血氧腕表：光学功耗与运动伪影的平衡

血氧腕表基于 PPG（光电容积脉搏波）原理，通过红光（660 nm）和红外光（940 nm）LED 交替照射皮肤，光电二极管接收反射光。采样率通常 25–100 Hz，LED 驱动电流 5–20 mA，占空比约 1%–5%。虽然占空比低，但 LED 瞬时电流大，是功耗主要来源。腕表电池容量 150–400 mAh，续航目标 5–14 天。

低功耗设计的关键在于动态调整 LED 电流和采样率：静息时降低至 25 Hz、5 mA，运动时提升至 100 Hz、20 mA 以对抗运动伪影。同时，加速度计用于判断运动状态，仅在必要时开启高功耗模式。安全方面，血氧腕表通常为 II 类器械，需关注 LED 光生物安全（IEC 62471），尤其是长时间近距离照射的蓝光危害。此外，SpO₂ 准确性受肤色、佩戴松紧影响，算法需做补偿。

神经刺激器：治疗型设备的功耗与安全双重约束

神经刺激器（如脊髓刺激器、迷走神经刺激器、深部脑刺激器）与前三类监测设备有本质区别：它主动向组织注入电流，属于治疗型有源植入或穿戴设备。刺激参数通常为：频率 1–200 Hz，脉宽 50–500 µs，电流 0.5–10 mA，占空比极低但峰值功率高。电池容量从几十 mAh（植入式）到几百 mAh（穿戴式）不等，续航目标从数天到数年。

功耗计算需区分刺激阶段和待机阶段。以 100 Hz、200 µs、5 mA、10 V 为例，单脉冲能量约 10 µJ，每秒 100 次即 1 mW 平均功率；若占空比降至 10%，平均功率约 0.1 mW。但刺激器还需维持无线通信、参数存储和故障监测，待机功耗往往与刺激功耗相当。安全要求最为严格：必须满足 IEC 60601-1 和 ISO 14708 系列，具备电荷平衡（避免直流偏置导致组织损伤）、过流保护、开路/短路检测，且任何单一故障不得导致输出超限。

四类形态的功耗需求对比

下表汇总了四类设备的典型参数，便于横向比较。注意表中数值为教学示例范围，实际产品因厂商和型号而异。

从表中可以看出，采样率与续航并非简单反比：CGM 采样率极低但续航受传感器寿命限制；心电贴采样率高但通过本地处理降低无线功耗；血氧腕表采样率中等但 LED 驱动是功耗大头；神经刺激器采样率低但峰值功率和安全约束最严。低功耗设计必须针对每种形态的功耗瓶颈，选择不同的优化路径。

实际选型时，建议先明确设备的临床用途和监管分类，再反推采样率、续航和电池容量的可行区间。例如，若心电贴需要连续 14 天监测且电池仅 150 mAh，则必须采用本地特征提取 + 事件触发上传，而非全量数据回传。低功耗设计不是单纯降低功耗数字，而是在安全边界内找到最优工作点。