基于超小型ADC的低功耗醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)

目前醫(yī)療設(shè)備的發(fā)展正在徹底變革家庭醫(yī)療保健市場(chǎng)，人們無需離開家門就能診斷出各種健康狀況。技術(shù)的發(fā)展使得便攜式自助護(hù)理保健系統(tǒng)成為現(xiàn)實(shí)，這些系統(tǒng)可以幫助人們監(jiān)視諸如血壓、血糖和體溫等重要指標(biāo)。

家庭醫(yī)療監(jiān)察和監(jiān)視系統(tǒng)可以幫助人們掌控自己的健康狀況，但是這些醫(yī)療設(shè)備必須快速和高效率，并能在最重要的時(shí)候保證工作。隨著便攜式醫(yī)療傳感器的發(fā)展，更長(zhǎng)電池壽命和更小外形尺寸的需求對(duì)非組織入侵式護(hù)理來說變得愈加關(guān)鍵。

醫(yī)療測(cè)量設(shè)備一般需要整合多種信號(hào)調(diào)節(jié)電路，包括放大器、濾波、參考源和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)等，才能分辨和識(shí)別傳感器信號(hào)。除了小尺寸外，讀取傳感器輸出的模擬電路要求低功率工作也很重要，這樣才能提供更長(zhǎng)的電池壽命和更多的讀取次數(shù)。隨著更小更快的模擬IC的上市，通過墻上插座供電的小型、低功率醫(yī)療設(shè)備也變得越來越流行。

要求小尺寸和低功耗解決方案的醫(yī)療設(shè)備例子包括血液分析系統(tǒng)、脈搏血氧計(jì)、數(shù)字X射線和數(shù)字體溫計(jì)等等。

醫(yī)療測(cè)量使用的模擬電路

有些醫(yī)療測(cè)量需要模擬電路連續(xù)運(yùn)行，并且每秒要取得數(shù)千甚至數(shù)百萬個(gè)讀數(shù)。而有的應(yīng)用每天僅需要讀取一次。就這些偶然性測(cè)試而言，模擬電路僅需加一次電進(jìn)行測(cè)量，然后在一天的剩余時(shí)間中一直處于空閑狀態(tài)，此時(shí)可令其進(jìn)入低功率“休眠”模式。

模擬IC的選擇取決于傳感器讀數(shù)的頻繁程度。模擬電路的核心是將來自傳感器的模擬讀數(shù)最終轉(zhuǎn)換成數(shù)字結(jié)果的ADC，數(shù)字結(jié)果可儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器中或顯示在屏幕上。就大多數(shù)便攜式醫(yī)療傳感器應(yīng)用而言，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的最佳選擇將是逐次逼近型寄存器(SAR)ADC。

選擇這類ADC有很多理由。首先，SAR ADC非常適用于測(cè)量從零赫茲 (穩(wěn)定狀態(tài)) 直到幾兆赫茲的信號(hào)。這些ADC還具有快速響應(yīng)和低延遲性能，是測(cè)量單個(gè)輸入或多個(gè)輸入的理想選擇。另一個(gè)關(guān)鍵因素是功率。與閃存或管線型ADC不同的是，SAR ADC的功耗將隨采樣率的變化而改變。因此，以每秒1萬次采樣(10ksps)運(yùn)行的ADC所需的功耗將低于以100ksps運(yùn)行的功耗，而且功率節(jié)省非常顯著。例如，一個(gè)以每秒幾百萬次采樣(Msps)速度轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的SAR ADC可能消耗幾毫安電流，而相同的SAR ADC以1ksps或更低采樣率運(yùn)行時(shí)可能僅消耗幾十微安電流。

脈搏血氧計(jì)

脈搏血氧計(jì)就是受益于SAR ADC為核心的一個(gè)醫(yī)療應(yīng)用例子。這種設(shè)備用于測(cè)量與病人血液中的血紅蛋白相當(dāng)?shù)难鹾俊Ｃ}搏血氧計(jì)檢測(cè)動(dòng)脈中的血液脈動(dòng)，因此還能計(jì)算病人的心律。一對(duì)發(fā)光二極管(LED)通過病人身體的半透明部分(通常是指尖)對(duì)著一個(gè)光電二極管。一個(gè)光發(fā)射器用660nm的波長(zhǎng)觸發(fā)一個(gè)紅色LED，同時(shí)用940nm的波長(zhǎng)觸發(fā)一個(gè)紅外線LED。光電二極管接收這兩個(gè)信號(hào)，并將光致電流轉(zhuǎn)換成電壓。然后由ADC測(cè)量這個(gè)電壓，從而在光通過病人身體后基于每種波長(zhǎng)光的吸收率讀出血氧百分?jǐn)?shù)(參見圖 1)。接下來通常是跨過一個(gè)隔離裝置將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行儲(chǔ)存或在監(jiān)視器上顯示。

圖1所示的凌力爾特公司LT6202放大器提供了增益帶寬(100MHz)和低壓噪聲(1.9nV/Hz)的良好組合，同時(shí)僅消耗2.5mA電流。它還具有0.75pA/Hz的低電流噪聲，在小信號(hào)應(yīng)用中具有超低的總體噪聲和失真功率。這個(gè)放大器規(guī)定用3V、5V和±5V電源工作。

采樣LT6202輸出的是一個(gè)12位3Msps SAR ADC。LTC2366是采樣率從100ksps到3Msps、引腳和軟件完全兼容的微型ADC系列成員。這個(gè)系列的ADC在3Msps時(shí)僅消耗7.8mW功率，在100ksps時(shí)為1.5mW，在休眠模式時(shí)僅為0.3μW。LTC2366的特點(diǎn)是沒有數(shù)據(jù)通過延遲，因此在同一時(shí)鐘周期內(nèi)即可獲得采樣數(shù)據(jù)。該器件通過一個(gè)3線 SPI/Microwire 兼容接口提供采樣結(jié)果。

LTC2366采用ThinSOT 6引腳或8引腳封裝(8.1mm2)，有助于脈搏血氧計(jì)的總體解決方案尺寸保持最小。在3Msps時(shí)，它具有足夠富裕的采樣帶寬，能夠通過放大器和光電二極管電流正確地采樣電壓。LTC2366在單3V 電源下工作，可由單節(jié)鋰離子電池、多節(jié)AA電池或者希望以低功率運(yùn)行的墻上供電系統(tǒng)供電。

LTC236x系列共有5 種ADC，包括3Msps的LTC2366、1Msps的LTC2365、500ksps的LTC2362、250ksps的LTC2361和100ksps的LTC2360。上述采樣率都是每個(gè)ADC的最高采樣率。對(duì)于不需要以3Msps運(yùn)行的應(yīng)用而言，每個(gè)LTC236x ADC 可在更低的采樣率下進(jìn)一步節(jié)省功率。圖2詳細(xì)描述了3個(gè)較低速版本ADC的電源電流與采樣率的關(guān)系。基于SAR ADC本身內(nèi)核設(shè)計(jì)的原因，隨著采樣率的減小，功耗將迅速下降。

數(shù)字 X 射線成像

另一種需要快速ADC的醫(yī)療應(yīng)用實(shí)例是數(shù)字X射線成像，包括牙科X射線、計(jì)算機(jī)控制軸向X射線斷層攝影術(shù)(CAT掃描) 或用于全身掃描的醫(yī)用核磁共振成像等。X射線設(shè)備制造商現(xiàn)在不是將圖像儲(chǔ)存在一張膠片上，而是以數(shù)字方式儲(chǔ)存數(shù)據(jù)。醫(yī)生的辦公室或醫(yī)院不再是在文件柜中儲(chǔ)存成千上萬張膠片，而是可以非常容易地將結(jié)果儲(chǔ)存到存儲(chǔ)器中，并可迅速查閱病人的病歷。

采用數(shù)字X射線成像的第二個(gè)積極作用是能夠給患者帶來舒適感。隨著更快的ADC、傳感器和信號(hào)調(diào)節(jié)模塊的出現(xiàn)，檢查病人酸痛的牙齒或斷裂的骨頭可以快得多，這意味著病人需要保持不動(dòng)的時(shí)間短得多。有了更快的X射線檢查過程，醫(yī)生辦公室或醫(yī)院還可以在同樣的時(shí)間內(nèi)看更多的病人。