基于超小型ADC的低功耗醫(yī)療設(shè)備設(shè)計

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，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理保健系統(tǒng)成為現(xiàn)實，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，并能在最重要的時候保證工作。隨著便攜式醫(yī)療傳感器的發(fā)展，更長電池壽命和更小外形尺寸的需求對非組織入侵式護理來說變得愈加關(guān)鍵。

醫(yī)療測量設(shè)備一般需要整合多種信號調(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，才能分辨和識別傳感器信號。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、數(shù)字X射線和數(shù)字體溫計等等。

醫(yī)療測量使用的模擬電路

有些醫(yī)療測量需要模擬電路連續(xù)運行，并且每秒要取得數(shù)千甚至數(shù)百萬個讀數(shù)。而有的應(yīng)用每天僅需要讀取一次。就這些偶然性測試而言，模擬電路僅需加一次電進行測量，然后在一天的剩余時間中一直處于空閑狀態(tài)，此時可令其進入低功率“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)果可儲存在存儲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非常適用于測量從零赫茲 (穩(wěn)定狀態(tài)) 直到幾兆赫茲的信號。這些ADC還具有快速響應(yīng)和低延遲性能，是測量單個輸入或多個輸入的理想選擇。另一個關(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)運行的ADC所需的功耗將低于以100ksps運行的功耗，而且功率節(jié)省非常顯著。例如，一個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或更低采樣率運行時可能僅消耗幾十微安電流。

脈搏血氧計

脈搏血氧計就是受益于SAR ADC為核心的一個醫(yī)療應(yīng)用例子。這種設(shè)備用于測量與病人血液中的血紅蛋白相當(dāng)?shù)难鹾?。脈搏血氧計檢測動脈中的血液脈動，因此還能計算病人的心律。一對發(fā)光二極管(LED)通過病人身體的半透明部分(通常是指尖)對著一個光電二極管。一個光發(fā)射器用660nm的波長觸發(fā)一個紅色LED，同時用940nm的波長觸發(fā)一個紅外線LED。光電二極管接收這兩個信號，并將光致電流轉(zhuǎn)換成電壓。然后由ADC測量這個電壓，從而在光通過病人身體后基于每種波長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)進行儲存或在監(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，同時僅消耗2.5mA電流。它還具有0.75pA/Hz的低電流噪聲，在小信號應(yīng)用中具有超低的總體噪聲和失真功率。這個放大器規(guī)定用3V、5V和±5V電源工作。

采樣LT6202輸出的是一個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。這個系列的ADC在3Msps時僅消耗7.8mW功率，在100ksps時為1.5mW，在休眠模式時僅為0.3μW。LTC2366的特點是沒有數(shù)據(jù)通過延遲，因此在同一時鐘周期內(nèi)即可獲得采樣數(shù)據(jù)。該器件通過一個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)，有助于脈搏血氧計的總體解決方案尺寸保持最小。在3Msps時，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ADC的最高采樣率。對于不需要以3Msps運行的應(yīng)用而言，每個LTC236x ADC 可在更低的采樣率下進一步節(jié)省功率。圖2詳細描述了3個較低速版本ADC的電源電流與采樣率的關(guān)系?；赟AR ADC本身內(nèi)核設(shè)計的原因，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)用實例是數(shù)字X射線成像，包括牙科X射線、計算機控制軸向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)在不是將圖像儲存在一張膠片上，而是以數(shù)字方式儲存數(shù)據(jù)。醫(yī)生的辦公室或醫(yī)院不再是在文件柜中儲存成千上萬張膠片，而是可以非常容易地將結(jié)果儲存到存儲器中，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的時間短得多。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間內(nèi)看更多的病人。