便攜式醫(yī)療設(shè)備實(shí)現(xiàn)“方便攜帶“需進(jìn)行信號(hào)調(diào)整

現(xiàn)今的醫(yī)療便攜設(shè)備方便病人自行診療、自由走動(dòng)，甚至可在外出時(shí)使用設(shè)備。便攜式電子醫(yī)療設(shè)備要實(shí)現(xiàn)方便攜帶的特色功能，就必須具備微型化和低功耗的特性。

此外，這些設(shè)備還要有極高的精度以確保病人的安全。醫(yī)療設(shè)備采用多種不同的傳感器來監(jiān)視病人的健康狀況，然后傳感器將生理信號(hào)轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)供電子設(shè)備分析使用。由于醫(yī)療設(shè)備中傳輸?shù)男盘?hào)都比較微弱，而且還會(huì)受到諸多噪聲源的干擾，因此信號(hào)路徑設(shè)計(jì)對(duì)便攜式醫(yī)療設(shè)備就顯得格外重要了。

本文將針對(duì)心電圖機(jī)和血糖測(cè)量?jī)x這兩種設(shè)備應(yīng)用，討論如何將傳感器與匹配的PowerWise放大器相連接，以便延長(zhǎng)電池壽命和提高診療安全性。

1 心電圖機(jī)的操作原理

心電圖機(jī)(ECG)可實(shí)時(shí)記錄病人的心跳活動(dòng)。心跳信號(hào)是通過三個(gè)連接到病人身體的電極測(cè)量出來。圖1所示為其中一個(gè)電極輸出的ECG信號(hào)，圖中包含有五個(gè)測(cè)量點(diǎn)，分別是Q、P、R、S、和T，這些測(cè)量點(diǎn)可用來診斷病人患上心臟病的可能性。

從電極收集回來的信號(hào)處于 在400μV到最高5mV的范圍內(nèi)，并在0.05Hz 和100Hz 下帶有3dB轉(zhuǎn)角頻率。這類信號(hào)一般都會(huì)受到不少的干擾，例如電極的接觸噪聲、電源線路噪聲(50MHz)、呼吸、肌肉活動(dòng)、以及來自其他電子器件的干擾。

2 ECG的信號(hào)調(diào)整

正如上述所說，ECG的信號(hào)路徑必須能調(diào)理不同來源的噪聲。對(duì)抗直流電噪聲，可以使用高通濾波器。然而，最令人頭痛的是50Hz的噪聲，因?yàn)樗鼊偤门c我們收集的信號(hào)頻率處于相同范圍。要消除這個(gè)共模噪聲，需要建立一個(gè)測(cè)量?jī)x表放大器。這個(gè)配置之所以很理想是因?yàn)樗稍谝种乒材ｋ妷旱耐瑫r(shí)放大有用的差分信號(hào)，這利于把微弱的有效信號(hào)從背景噪聲中分隔出來。正如圖2所示，這個(gè)儀表放大器是用LMP2234(四通道、微功率、高精度的RRO運(yùn)算放大器)和高精度的電阻器(0.1%)實(shí)現(xiàn)出來。

A1, A2, A3, A4: LMP2234

R1, R2: 2 MΩ

R3, R5: 40 kΩ

R4: 20 kΩ

R6, R7: 10 kΩ

R8, R9: 10 kΩ

R10, R11: 20 Kω

LMP2234是用VIP50工藝技術(shù)制成，即絕緣硅BiCMOS工藝。用這種工藝制作出來的超低功耗放大器非常適合電池供電的低功耗應(yīng)用。該工藝具有1.8到5.5V的操作電壓范圍和36μA的靜態(tài)電流，利于延長(zhǎng)便攜系統(tǒng)中電池的壽命。LMP2234是LMP高精度放大器家族的成員，其高阻抗CMOS輸入使它成為測(cè)量?jī)x表和其他傳感器接口應(yīng)用的理想選擇。

由于來自電極的信號(hào)幅度極低，放大器的直流參數(shù)便顯得很重要。LMP2234的最高偏移電壓為150V(典型值為10 V)，而偏移電壓漂移溫度系數(shù)和偏置電流分別僅為0.3 μV/℃和±20 fA。這些高精度的嚴(yán)格規(guī)格使LMP2334在維持系統(tǒng)常精度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性方面有相當(dāng)出色的表現(xiàn)。

這個(gè)測(cè)量?jī)x表放大器包含有兩個(gè)級(jí)。最后一個(gè)級(jí)(亦即輸出級(jí))是一個(gè)差分放大器，它能夠拒絕直流電平以及同時(shí)影響兩個(gè)輸入的干擾和噪聲電壓源。由兩個(gè)放大器組成的第一級(jí)(亦即是輸入級(jí))則被配置成一個(gè)可將輸入隔離的緩沖器?？墒?，基于放大器間的失配使它們彼此不能相互連接，所以要在兩個(gè)放大器之間加裝平衡電阻。將兩個(gè)級(jí)的增益相乘便可得出測(cè)量?jī)x表放大器的增益。理論上，共模抑制比(CMPR)應(yīng)該是無(wú)限大，但由于出現(xiàn)電阻失配，導(dǎo)致輸出級(jí)的非零共模增益非常小。在電路的輸入級(jí)中，流經(jīng)所有電阻的電流是一樣的。這都有賴于LMP2234具有高輸入阻抗和低輸入偏置電流的特點(diǎn)。

輸出電壓被定義成：

輸入信號(hào)的最大幅度僅為5mV，但為了建立增益，我們必須考慮到電極的直流偏移電壓，它有時(shí)甚至可高至±300mV。LMP2234的軌到軌輸出可從電源電壓軌搖擺至15mV，從而增加了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。此外，由R10和R11組成的偏置分壓器可提供一個(gè)電壓，該電壓恰好等于正確診段病人體征所需電源電壓的一半。

正如圖3所示，會(huì)采用一個(gè)高通濾波器來抑制能夠引致下一個(gè)增益級(jí)飽和的直流器件。這個(gè)高通濾波器的截止頻率為0.5Hz。該濾波器采用二階Sallen Key型的 Butterworth 拓?fù)浼夹g(shù)來實(shí)現(xiàn)。至于第二級(jí)是一個(gè)低通濾波器，其擁有100Hz的截止頻率和100的增益，并且同樣以Sallen Key 拓?fù)鋪韺?shí)現(xiàn)。諸Sallen Key 類的模擬濾波器是圍繞著有電阻器和電容器的運(yùn)算放大器而建立。當(dāng)中沒有采用電感器是因?yàn)樗w積過大、笨重和不夠完美。

C1: 1 μF R3: 5.36 kΩ

C2: 220 nF R4: 14.3 kΩ

R1: 1.24 MΩ C3: 33 nF

R2: 365 kΩ C4: 1 μF

R5: 10 kΩ

R6: 1 MΩ

兩個(gè)濾波器都是采用低功耗的運(yùn)算放大器LMV552來實(shí)現(xiàn)，而這款放大器是采用美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體VIP50工藝制成。擁有3MHz的帶寬，同時(shí)每個(gè)放大器僅需消耗34μA的電流，帶寬/功耗比是同級(jí)運(yùn)算放大器中最高的。LMV552擁有一個(gè)軌到軌輸出級(jí)和一個(gè)擴(kuò)展到接地以下的輸入共模范圍，操作電源電壓范圍是2.7V到5.5V。

用電池操作的系統(tǒng)需要一個(gè)直流/直流升壓來提供信號(hào)路徑所需的3.3V電壓。LM2623是一款高效率的通用式升壓直流-直流開關(guān)穩(wěn)壓器，專門應(yīng)用于采用電池供電的低輸入電壓系統(tǒng)。這款穩(wěn)壓器可接受8V到14V的輸入電壓并把它們轉(zhuǎn)換成1.24V到14V的穩(wěn)定輸出電壓。配合LM2623，系統(tǒng)的效率可高達(dá)90%。

假如系統(tǒng)要求有病人安全性隔離，可通過采用伽伐尼隔離(galvanic isolation)、光電耦合電容和磁耦合來實(shí)現(xiàn)。本文雖然著重討論ECG的前端，但在開發(fā)醫(yī)療電子系統(tǒng)時(shí)，安全標(biāo)準(zhǔn)問題不容忽視。
　　
3 藍(lán)牙傳輸

心跳的記錄可以用無(wú)線傳送到電腦、移動(dòng)電話或PDA中。藍(lán)牙技術(shù)穩(wěn)定可靠、簡(jiǎn)單易用，成本經(jīng)濟(jì)，而且覆蓋范圍廣，因此在病人監(jiān)視方面成為普遍采用的無(wú)線技術(shù)。

美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的LMX9838藍(lán)牙串行端口模塊是一款高度集成的器件，當(dāng)中包含有藍(lán)牙2.0基帶控制器、2.4GHz的無(wú)線電機(jī)、晶體、天線、LDO和分立元件。該藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)功能完整，而且體積小巧(10 mm x 17 mm x 2.0 mm)。

在這個(gè)完整的方案中包括硬件和軟件，適用于具有完整的高低藍(lán)牙堆疊層的天線、通用存取規(guī)范(GAP)、服務(wù)發(fā)現(xiàn)應(yīng)用規(guī)范(SDAP)和串行端口規(guī)范(SPP)等的應(yīng)用。該模塊包含有一個(gè)可配置的服務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)以便迎合主控上的附加服務(wù)規(guī)范要求。此外，LMX9838通過了藍(lán)牙終端產(chǎn)品認(rèn)證，無(wú)需再通過任何測(cè)試或支付技術(shù)牌照費(fèi)就可以直接使用到最終應(yīng)用上。

基于美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的CompactRISC 16位處理器架構(gòu)和數(shù)字智能無(wú)線電技術(shù)，LMX9838作為一個(gè)優(yōu)化解決方案可以完全滿足藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)所需的數(shù)據(jù)處理和鏈路管理要求。
　　
4 另一例子：血糖測(cè)量?jī)x

血糖測(cè)量?jī)x是針對(duì)患糖尿癥病人的重要設(shè)備。血糖控制無(wú)疑可有助于降低病患的風(fēng)險(xiǎn)，改善病人的生活品質(zhì)。血糖測(cè)量通常有兩個(gè)方法：反射光度測(cè)量和電化學(xué)。在光學(xué)方法中，血糖與試紙上的另一化合物產(chǎn)生反應(yīng)后會(huì)產(chǎn)生某種顏色記號(hào)，其顏色的深淺程度會(huì)與血糖的濃度成正比。反射光度測(cè)量的原理是通過量度LED的反射光線來量化顏色的深度：血糖濃度越高，反射出來的光線便越弱。LED會(huì)捕捉光線并把它轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)。

然而，大多數(shù)的血糖測(cè)量?jī)x都采用以氧化作用為基礎(chǔ)的電化學(xué)方法。在這一方法中，血糖傳感器是一張包含有酶和三個(gè)電極的試紙。其中的兩個(gè)電極用來作測(cè)量，另一個(gè)則用來作參考。當(dāng)血液樣品放在試紙上時(shí)，電子會(huì)被傳送到電極。電化學(xué)會(huì)量化電子的數(shù)量：所產(chǎn)生的電子數(shù)量會(huì)與血糖的濃度成正比。當(dāng)一個(gè)參考電壓(典型為200mV)施加到試紙上時(shí)，電子會(huì)被轉(zhuǎn)換成一個(gè)與血糖濃度成比例的電流，這種方法被稱作電流分析法。不過，產(chǎn)生出來的電流相當(dāng)微弱，一般介乎μA 到 nA級(jí)，并需要再轉(zhuǎn)換成一個(gè)可供處理的電壓。

圖5所示為一個(gè)完整方案的框圖，該系統(tǒng)是由電池供電并可使用LM2623來提供3.3V的電源電壓。通過電極量度出來的電流之后會(huì)經(jīng)由一個(gè)運(yùn)算放大器被轉(zhuǎn)換成一個(gè)電壓，這個(gè)電壓再被送到微控制器處理，最后顯示在LCD熒幕上。

R1= 47 kΩ and R2= 3 kΩ, RF= 25 kΩ

接下來再深入探討一下這個(gè)由一個(gè)跨阻放大器來實(shí)現(xiàn)的電流到電壓的轉(zhuǎn)換。這種拓?fù)涞脑鲆鏁?huì)以輸出電壓和輸入電流的比例來量度，意即反饋電阻器 Rf 必須夠大至可檢測(cè)到細(xì)小的電流。然而，放大器輸入的電容(Cin)加上反饋電阻器(Rf)便產(chǎn)生出一個(gè)相位落后，而這個(gè)落后會(huì)導(dǎo)致增益峰值出現(xiàn)并影響電路的穩(wěn)定性。電容器Cf是用來產(chǎn)生一個(gè)極和增加相角的穩(wěn)定裕度。此外，此電容器亦可用來限制帶寬，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)噪聲的抑制。正如前文提及的，傳感器輸出的電流是非常微弱的，這意味放大器必須有極高精度的規(guī)格。首先，使用中放大器的電流噪聲必須很低，因此帶有10 fA/sqrt(Hz)的LMP2232是最佳的選擇。

另一個(gè)需要注意的參數(shù)是放大器的偏置電流，尤其是當(dāng)反饋電阻很大時(shí)，此參數(shù)顯得尤為重要。此外，偏移電壓的影響亦同樣重要，來自這兩個(gè)參數(shù)的誤差可計(jì)算成Verror = Vos + Ib x Rf。LM2232在工作溫度范圍下的偏移電壓和偏置電流分別為230μV (典型值為10μV) 和 50pA (典型值為20fA)。因此，LM2232可謂此類應(yīng)用的最佳選擇。

正如上述指出的，這一放大器是一個(gè)微功率組件，雙通道型號(hào)只僅消耗13μA的電流。

5 結(jié)論

無(wú)論是心電圖還是血糖測(cè)量應(yīng)用，對(duì)便攜醫(yī)療設(shè)備來說最重要的都是保證病人的安全和移動(dòng)的便利性。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)的時(shí)候，超低功耗和超高精度都是不可妥協(xié)的要求。上述兩個(gè)例子顯示出美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體產(chǎn)品在精度、功耗、尺寸和靈活性等方面具有優(yōu)勢(shì)。