模擬信號路徑在便攜醫(yī)療設(shè)備中的技術(shù)探討

致力于開發(fā)醫(yī)療診斷設(shè)備的公司面臨的挑戰(zhàn)就是要為消費(fèi)者提供物美價廉的產(chǎn)品。在降低醫(yī)護(hù)成本和改善病人護(hù)理服務(wù)方面，最重要的是能縮小這些醫(yī)療設(shè)備的體積并提高其精確度。在人口老化問題日趨嚴(yán)重的今天，上述需求顯得更為迫切。根據(jù)IMS調(diào)查公司的InMedica報(bào)告，消費(fèi)類醫(yī)療設(shè)備的銷售總額到2011年時預(yù)計(jì)可超過50億美元。

醫(yī)療設(shè)備監(jiān)護(hù)功能的開發(fā)與不斷完善，遠(yuǎn)程護(hù)理供應(yīng)商能夠在人類健康的幾個重要領(lǐng)域?yàn)榫蛹一颊?、急癥室救護(hù)員以至醫(yī)院提供更佳的診斷工具。血壓計(jì)血糖儀、除顫器等監(jiān)護(hù)類儀器均需要清晰的模擬信號來進(jìn)行準(zhǔn)確的測量，否則便可能危及生命。設(shè)計(jì)卓越的模擬信號路徑可幫助設(shè)計(jì)人員降低外來噪聲的干擾、擴(kuò)展動態(tài)范圍和加強(qiáng)精確度。此外，在組件選擇方面，設(shè)計(jì)人員也必須謹(jǐn)慎選擇以滿足最終產(chǎn)品的性能需求。

小封裝中的高性能需求

此前，人們通常認(rèn)為醫(yī)院和診所的醫(yī)療設(shè)備比家居使用的便攜儀器更為精確?？墒?，新的技術(shù)趨勢正迅速扭轉(zhuǎn)著上述的觀點(diǎn)。新的便攜式醫(yī)療設(shè)備面的使用者不僅僅有普通消費(fèi)者，還有深具科技領(lǐng)悟力的病人，因此客戶的需要不再局限于量體溫、做心電圖和測血壓。客戶需要的是全方位的護(hù)理及測量功能。

為了滿足人們對家居醫(yī)療診斷儀器的迫切需求，設(shè)備供應(yīng)商正憑借先進(jìn)的貨存管理和創(chuàng)新設(shè)計(jì)來增強(qiáng)市場競爭力，并為產(chǎn)品配備更多的功能來爭取更多的用戶。在開發(fā)家居醫(yī)療儀器的領(lǐng)域，有一個因素是非常重要的，這就是產(chǎn)品從最初設(shè)計(jì)到真正投放市場期間所需的開發(fā)時間?？s短上市時間，可以讓廠商的產(chǎn)品搶占市場。而能否將開發(fā)周期縮短取決于系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)是否足夠靈活并具成本效益。

工藝技術(shù)影響系統(tǒng)設(shè)計(jì)

雖然電氣規(guī)格是設(shè)計(jì)人員選擇組件的主要因素，但用來制造集成電路的工藝也同樣重要。例如，典型的血糖計(jì)通常需配合一個帶有極低輸入偏置電流的運(yùn)算放大器，大多數(shù)的設(shè)計(jì)人員都會選用JFET放大器。不過，他們在作出決定前應(yīng)先考慮一下溫度的問題。

由于JFET擁有一個很低的初始輸入偏置，因此它很易受到溫度變化的影響，每上升10°C ，輸入偏置便會大約增加一倍。要計(jì)算出輸入偏置的漂移，可使用下列的數(shù)式(參考1)。

Ib(T)Ib(T0) x 2(T-T0)/10

例如，一個JFET輸入運(yùn)算放大器(例如美國國家半導(dǎo)體的LF411)在25 °C下的輸入偏置電流為50pA，而一個更佳的選擇是美國國家半導(dǎo)體的LMP7731，它是一款雙極輸入運(yùn)算放大器，其輸入偏置電流為1.5nA。通過上述數(shù)式，我們可以很快地計(jì)算出在85°C下，LF411的輸入偏置電流變成3.2nA，超出LMP7731的兩倍。

評估系統(tǒng)的取舍

速度、噪聲和功耗對于某些設(shè)計(jì)來說可能同樣重要，一個低噪聲器件會消耗比較多的電流，而一個低功耗的器件則只可提供有限的帶寬。一個克服這些問題的方法是在適當(dāng)?shù)膽?yīng)用中使用反補(bǔ)償放大器。與單位增益穩(wěn)定和速度較高這兩點(diǎn)相比，反補(bǔ)償放大器的優(yōu)點(diǎn)除了成本比較低之外，是其可在不影響功耗的情況下提供較大的帶寬。

反補(bǔ)償運(yùn)算放大器最適合使用在電流-電壓轉(zhuǎn)換(跨阻)電路。在醫(yī)療儀器中，其中一個最普遍的應(yīng)用是測量血細(xì)胞中的含氧量，稱為SPO2或飽和或外圍氧氣。圖1所示為SPO2模塊的框圖，當(dāng)中的反補(bǔ)償放大器(TIA)用來將來自光二極管的電流轉(zhuǎn)化成電壓。

圖1 SPO2模塊的典型框圖

利用捷徑縮短設(shè)計(jì)時間

醫(yī)療儀器的最重要參數(shù)是噪聲，它可以導(dǎo)致電路本身和附近的設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾。計(jì)算噪聲是一項(xiàng)比較沉悶的工作，尤其當(dāng)您想計(jì)算出從電源、放大器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器以至外部組件，信號路徑對信噪比的整體影響。

一般來說，醫(yī)療儀器電路都傾向采用較低的頻率來工作，因此這些系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員通常會比較關(guān)心處于0.1到10Hz頻帶以內(nèi)的噪聲，也稱為峰到峰噪聲。但不幸地是，有些數(shù)據(jù)表并沒有提供時域噪聲(峰到峰)的數(shù)值，而只會提供電壓或電流噪聲密度的典型圖表。除了等待電路的供應(yīng)商提供測量數(shù)據(jù)外，有一個快速的方法可幫助推算出峰到峰的噪聲量。

假設(shè)您打算利用美國國家半導(dǎo)體的LMP7731來推算峰到峰(0.1到10Hz)電壓的噪聲量，首先，在指定頻帶內(nèi)的頻率范圍中選擇出一個點(diǎn)，例如是1Hz，那對比曲線時的數(shù)值便是5.1nV/√Hz (圖2)，然后用下列的數(shù)式來計(jì)算噪聲的根均方值(RMS)：式 1: enrms=enf√ln(10/0.1), 當(dāng)中 enf 是在 1Hz 下的噪聲通過以上的數(shù)式可得出10.9nV的總根均方值噪聲，如要計(jì)算出峰到峰噪聲，只需將這根均方值乘以6.6，這樣便可得出72.2nV。這個估算的結(jié)果相當(dāng)不錯，它與數(shù)據(jù)表中列出的規(guī)格78nV很接近。

圖 2 LMP7731的輸入電壓噪聲與頻率的關(guān)系頻率、電壓噪聲

假如數(shù)據(jù)表中的電壓噪聲密度圖沒有表示在1Hz下的噪聲值，那您可以使用下列簡單的方程式(數(shù)式2)來推算某頻率下的數(shù)值。

式2：en=enb*√(fce/f)

當(dāng)中enb是寬帶噪聲(通常是在1kHz時的數(shù)值)，而fce 是1/f拐點(diǎn)，至于f是所關(guān)注的頻率，在我們的個案是1Hz。

舉一個例子，美國國家半導(dǎo)體的LMV851在10kHz下的寬帶噪聲為10nV/√Hz。為了計(jì)算出根均方值噪聲，首先要從圖表決定出1/f拐點(diǎn)(fce)的數(shù)值。使用數(shù)據(jù)表中的電壓噪聲密度圖，這樣便可找到fce大約等于300Hz。之后，使用以上的數(shù)式便可計(jì)算出en=10*√(300/1)=173nV√Hz，而這便是在1Hz下的電壓噪聲，最后將這數(shù)值代入數(shù)式1中并將結(jié)果乘以6.6，便可得出2.4μV的峰到峰噪聲量。

另一個需要考慮的是電流噪聲。一般來說，假如電源的阻抗不是很大(>100kΩ)，您可以不考慮電流噪聲，仍然可獲得一個很接近的推算結(jié)果，就正如上述的例子一樣?？墒?，假如電源的阻抗很大，那必須使用相同的技巧來推算電流噪聲，并且將電壓和電流噪聲以根均方值的形式相加。

決定速度的要求

正如運(yùn)算放大器的噪聲對于ADC的分辨率來說極為重要一樣，帶寬對維持系統(tǒng)的精確度也同樣重要。為了將誤差限制在1/2個最低有效位(LSB)，就需要進(jìn)行一個快速的檢查以決定放大器的帶寬是否足夠。除了使用復(fù)雜和泛味的引導(dǎo)外，您還可以使用模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的分辨率來迅速推算出結(jié)果。方法是使用1/2(N/2)并且將結(jié)果乘以-3dB時的放大器頻率 (參考2)。

通過以上的捷徑和一個14位的ADC，這個例子得出feff= 0.007813*f-3dB。對于圖3中可配置增益為10的運(yùn)算放大器(LMP7711來說)，在-3dB時的頻率為1.7MHz。這樣，最大帶寬(處于1/2個LSB誤差)便等于0.007813*1.7E6=13.3kHz。

圖 3 便攜心電圖儀的框圖

監(jiān)視器件和通信器件

大多數(shù)較新的醫(yī)療診斷儀器都設(shè)有無線通信功能?，F(xiàn)代的心電圖儀(EKG或ECG)都可通過個人電子手帳(PDA)或其他的電腦外圍設(shè)備把病人的數(shù)據(jù)于數(shù)分鐘內(nèi)傳送到醫(yī)生診所或醫(yī)院。撇開無線數(shù)據(jù)傳輸所帶來的好處，這類設(shè)備可能會對醫(yī)療器件構(gòu)成嚴(yán)重的干擾，使其讀數(shù)出現(xiàn)錯誤。

為了避免這種干擾，就必須采用濾波器?？墒?，加入濾波器不單會增大設(shè)備的體積，而且還會增加設(shè)計(jì)的成本。一個更加節(jié)約成本和快捷的方法是使用可以抑制無線電頻率(RF)噪聲的組件(包括濾波器)。

結(jié)語

現(xiàn)今醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域的趨勢是為消費(fèi)者提供更高價值的產(chǎn)品，即價廉物美且能夠迅速提供診斷結(jié)果的家居護(hù)理儀器。隨著技術(shù)不斷進(jìn)步，將會有更多的醫(yī)療設(shè)備通過電腦把數(shù)據(jù)即時地從病人的居所傳送到醫(yī)生診所。此外，隨著用戶對更多功能的需求，對便攜醫(yī)療設(shè)備的精度要求將進(jìn)一步提高以達(dá)到更準(zhǔn)確的診斷，而這些都將依靠設(shè)計(jì)人員不斷的創(chuàng)新、長期開發(fā)和對全面解決方案所作出的承諾。

更多醫(yī)療電子信息請關(guān)注：21ic醫(yī)療電子頻道