高性能模擬器件在便攜式醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

目前，醫(yī)療電器 OEM廠商正在開(kāi)發(fā)技術(shù)含量更高的、用于治療和監(jiān)控常見(jiàn)疾病的個(gè)人保健設(shè)備。這些產(chǎn)品價(jià)格合理，極大提高了醫(yī)療保健質(zhì)量。MCU在家用血壓計(jì)、肺活量計(jì)、脈搏血氧計(jì)及心率監(jiān)測(cè)器等便攜式醫(yī)療設(shè)備中起著重要作用。大多數(shù)此類(lèi)產(chǎn)品中的實(shí)際生理信號(hào)是模擬信號(hào)，在測(cè)量、監(jiān)控或顯示前需要進(jìn)行放大、過(guò)濾等處理。

將高性能模擬外設(shè)嵌入超低功耗 MCU 中，不僅可以實(shí)現(xiàn)便攜式醫(yī)療電子設(shè)備的片上系統(tǒng)化，而且還可延長(zhǎng)電池使用壽命。本文將介紹簡(jiǎn)化便攜式電池供電醫(yī)療設(shè)備的模擬前端設(shè)計(jì)的多種方法，如將運(yùn)算放大器、ADC、DAC等高性能外設(shè)與低功耗MCU結(jié)合使用。MCU 具有數(shù)字濾波、處理功能，還可以顯示血壓、肺活量、心率及血氧含量等生理數(shù)據(jù)。將上述外設(shè)與 MCU 結(jié)合使用，不僅可以實(shí)現(xiàn)上述全部功能，而且還可通過(guò)關(guān)閉外設(shè)使其進(jìn)入待機(jī)模式(電流消耗僅為幾mA)來(lái)滿(mǎn)足功耗要求。

MSP430FG4619就是一個(gè)很好的例子，其16 位RISC CPU不僅能提供所需的信號(hào)處理能力，而且還具有超低的工作電流，使電池在此類(lèi)應(yīng)用中的壽命可達(dá)數(shù)年之久。該 MCU 集成了運(yùn)算放大器、12位多通道ADC及雙12 位DAC等外設(shè)，是模擬信號(hào)處理電路的一部分。除嵌入高性能模擬外設(shè)之外，該器件還具有 120KB的片上閃存及通用串行通信接口(USCI)。 以下為集成模擬外設(shè)實(shí)現(xiàn)醫(yī)療產(chǎn)品單芯片解決方案的具體介紹。

血壓計(jì)

該應(yīng)用通常使用橋式壓力變送器作為傳感器，與充氣式袖袋相連。變送器可通過(guò)端口引腳激活，由于僅在壓力測(cè)量時(shí)被激活，所以可以顯著節(jié)省電能。傳感器的mV級(jí)輸出與壓力成正比。此信號(hào)在數(shù)字化之前需要放大，然后由ADC進(jìn)行測(cè)量。放大后的信號(hào)可檢測(cè)科羅特科夫 (Korotkoff) 音并確定心臟收縮及舒張壓讀數(shù)。MCU中的3個(gè)運(yùn)算放大器能夠出色地完成這項(xiàng)工作。幾個(gè)放大器共同組成的高增益差動(dòng)放大器功能塊可消除應(yīng)用中的共模噪聲。使用 3 個(gè)放大器的差動(dòng)放大器功能塊如圖 2 所示。放大后的信號(hào)從內(nèi)部輸入至 12 位ADC。器件中的DMA外設(shè)可以進(jìn)行高效的數(shù)據(jù)處理，能夠快速執(zhí)行Korotkoff音檢測(cè)算法，并濾掉影響測(cè)量結(jié)果的噪聲。16位CPU以較低的MIPS處理能力處理上述算法。該器件還集成了帶有穩(wěn)壓充電泵的 160 段的 LCD驅(qū)動(dòng)器，以提供穩(wěn)定對(duì)比度，從而進(jìn)一步完善了該單芯片解決方案。MCU中的120KB 低功耗閃存可以在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行軟件升級(jí)，由于閃存具有系統(tǒng)內(nèi)可編程性，所以可以當(dāng)作數(shù)據(jù)記錄器。器件中的USCI串行端口可以與PC 或 PDA 通信，以下載記錄的數(shù)據(jù)。由于 MCU 具有超低功耗架構(gòu)，在血壓測(cè)量模式下，該解決方案的工作電流低于 3mA。在空閑模式下，該器件正常工作并顯示實(shí)時(shí)時(shí)鐘的電流消耗不足 3mA。

圖1：血壓計(jì)功能結(jié)構(gòu)圖

MCU 中PWM 輸出控制的直流電馬達(dá)對(duì)袖袋進(jìn)行充/放氣。這是該血壓計(jì)唯一用到 6V 電源驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的地方。如果不能滿(mǎn)足電源需求，整個(gè)血壓計(jì)可以用一節(jié) 3V 鋰離子鈕扣電池供電。不過(guò)，目前只有少數(shù)馬達(dá)可以靠這種高阻抗鈕扣電池驅(qū)動(dòng)，所以，此例可以使用4節(jié)普通低成本AAA堿性電池及低壓降穩(wěn)壓器 (LDO) 為MCU提供 3.3V電源。假設(shè)每天測(cè)量?jī)纱窝獕?，這些電池可以使用兩年。MCU可以長(zhǎng)期工作在活動(dòng)顯示計(jì)時(shí)模式，原因是該模式的電流消耗非常小。另外，用戶(hù)查看存儲(chǔ)的血壓讀數(shù)時(shí)也不會(huì)增加電流消耗。此外，集成的雙通道 DAC能夠產(chǎn)生相移180°的正弦波，從而可以提高變送器性能。

活量計(jì)

肺活量計(jì)也稱(chēng)為肺功能測(cè)試 (PFT)設(shè)備，在醫(yī)療診斷中用于測(cè)試肺容量。在該應(yīng)用中，測(cè)量參數(shù)是一定呼氣時(shí)間內(nèi)的氣流量，單位為升/分鐘。所用傳感器是氣動(dòng)變送器，實(shí)際上是壓差變送器。除了無(wú)需充氣馬達(dá)外，該肺活量計(jì)與血壓計(jì)設(shè)計(jì)類(lèi)似。3個(gè)MCU運(yùn)算放大器用作測(cè)量氣流的傳感器放大器。肺活量計(jì)其他部分的設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，12 位 ADC的作用是測(cè)量氣流并與存儲(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值進(jìn)行比較。閃存有助于存儲(chǔ)各種標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值，使設(shè)計(jì)適用于各種情況。圖 1 可以作為該肺活量計(jì)的參考設(shè)計(jì)(系統(tǒng)所用的變送器比較相似)。請(qǐng)注意，肺活量計(jì)無(wú)需馬達(dá)控制。另外，MCU的低功耗特性延長(zhǎng)了電池使用時(shí)間，其高集成度降低了成本并提高了系統(tǒng)可靠性。

圖2：差動(dòng)放大器

脈搏血氧計(jì)及心率監(jiān)測(cè)器

心率監(jiān)視和脈搏血氧計(jì)采用的技術(shù)不止一種。本文著重介紹非侵入式光學(xué)體積描記技術(shù)。此類(lèi)血氧計(jì)采用配有MCU的外部探頭，能夠顯示血氧飽和度及脈搏率。在此應(yīng)用中，同一個(gè)傳感器可同時(shí)用作心率檢測(cè)及脈搏血氧測(cè)量。該技術(shù)提供了估測(cè)動(dòng)脈血氧飽和度和心率的簡(jiǎn)單而精確的辦法。探頭置于指尖、耳垂和鼻子等身體不同位置。探頭包含兩個(gè)發(fā)光二極管(LED)，其中一個(gè)發(fā)射可見(jiàn)紅光(660nm)，另一個(gè)發(fā)射紅外線(940nm)(見(jiàn)圖 3)。光束通過(guò)人體組織到達(dá)光電檢測(cè)器。在通過(guò)人體組織時(shí)，紅血球中的血色素會(huì)吸收部分光線，吸收量因血氧飽和度的不同而不同。首先，通過(guò)測(cè)量對(duì)兩個(gè)波長(zhǎng)光線的吸收量，MCU能夠精確計(jì)算出氧化的血色素比例。其次，通過(guò)人體組織的光線中含有因心跳造成動(dòng)脈血量不同而產(chǎn)生的脈沖分量。

圖3：探頭上配有2個(gè)LED

必須使用恒流源驅(qū)動(dòng)這兩個(gè)LED，以確保測(cè)量過(guò)程中保持穩(wěn)定的亮度。具有自動(dòng)增益控制(AGC) 反饋的恒流源可以通過(guò)采用內(nèi)部 DAC及簡(jiǎn)單MCU算法而獲得。MCU能夠選擇輸出血液脈動(dòng)部分的吸收量，動(dòng)脈血液、非脈動(dòng)靜脈血液或毛細(xì)血管血液以及其它人體組織色素均會(huì)吸收光線。最新測(cè)量技術(shù)降低了測(cè)量血氧飽和度時(shí)的干擾效應(yīng)。兩個(gè)LED周期性打開(kāi)，紅光LED開(kāi)啟，然后紅外線LED開(kāi)啟，最后兩個(gè)都關(guān)閉，每秒鐘重復(fù)幾次，這種時(shí)分多路復(fù)用技術(shù)消除了背景噪聲的干擾。相位正交復(fù)用技術(shù)可使紅色光及紅外線先按相位(而不是時(shí)間)分離，隨后又組合。這種更先進(jìn)的技術(shù)有可能消除運(yùn)動(dòng)或電磁干擾產(chǎn)生的大氣干擾，原因是兩種LED信號(hào)在再組合時(shí)相位有差異。以測(cè)出平均血樣飽和度，通過(guò)連續(xù)脈動(dòng)信號(hào)之間的LED周期數(shù)能夠計(jì)算出脈搏率，得出脈搏率平均值大概與得出飽和度平均值的時(shí)間近似，這與具體的監(jiān)控器有關(guān)。

MCU根據(jù)兩種頻率光線的吸收比例計(jì)算兩個(gè)參數(shù)的比值。MCU 閃存中存儲(chǔ)了一系列通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到的血氧飽和值(志愿者在實(shí)驗(yàn)中呼吸氣體的氧氣含量逐漸增加)。MCU將測(cè)量到的兩種光線波長(zhǎng)吸收率的比值與存儲(chǔ)值比較，然后以百分比顯示血氧飽和度。通常情況下，血氧飽和值在70%~100%之間，低于70%的數(shù)據(jù)是估測(cè)得出的，因?yàn)闊o(wú)法獲得人體血氧含量低于70%的數(shù)據(jù)。

基于MSP430FG461x的脈搏血氧計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。該應(yīng)用具有完整的模擬前端解決方案，其中包括集成運(yùn)算放大器、ADC及 DAC。DAC與片上參考電路形成驅(qū)動(dòng) LED 的恒流源。其中一個(gè)運(yùn)算放大器用作傳感器光電二極管的I/V轉(zhuǎn)換器。通過(guò)使用DAC輸出及 MCU 執(zhí)行的軟件算法來(lái)調(diào)節(jié)LED 亮度，由此實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制。ADC將放大后并經(jīng)過(guò)濾波的輸出信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，而MCU中的軟件則計(jì)算出平均值。至此完成了紅光、紅外線光源及雙方比值的數(shù)據(jù)采集和計(jì)算。該比值與存儲(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)比較后得到精確的血氧飽和度值。計(jì)算出的血氧百分比值顯示在LCD上。A/D轉(zhuǎn)換值也含有心率信息，軟件在5s左右可以計(jì)算出心率平均值，該值也同時(shí)顯示在 LCD上。另外，MCU的PWM輸出驅(qū)動(dòng)壓力蜂鳴器，每心跳一下就發(fā)出一次短暫蜂鳴。通過(guò)這種周期性蜂鳴可以判斷傳感器位置及信號(hào)采集是否正常。

圖4：基于MSP430FG461x脈搏血氧計(jì)

結(jié)語(yǔ)

在上述便攜式醫(yī)療應(yīng)用中，超低功率微控制器MSP430FG461x作為單芯片解決方案，具有多種優(yōu)勢(shì)。ADC的高精度很容易滿(mǎn)足測(cè)量類(lèi)應(yīng)用的需求。片上運(yùn)算放大器及 DAC非常有助于信號(hào)調(diào)節(jié)和自動(dòng)增益控制。為測(cè)量類(lèi)應(yīng)用選擇了合適 的MCU之后 ，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師下一步就要進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)。由于MCU能夠提供片上仿真功能，所以設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)JTAG端口進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)試?，F(xiàn)有多種編譯器及調(diào)試器可用，且調(diào)試器硬件很便宜。調(diào)試器硬件需要一個(gè)簡(jiǎn)單的邏輯電平轉(zhuǎn)換器連接至PC并行端口，且無(wú)需傳統(tǒng)的ICE接口。全功能實(shí)時(shí)仿真可以在芯片內(nèi)置硬件上設(shè)定斷點(diǎn)，因而在調(diào)試的同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)全速運(yùn)行。該器件的高集成度和代碼開(kāi)發(fā)方便性顯著降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本。調(diào)試過(guò)程中可以隨時(shí)刷新閃存中的程序代碼，從而極大縮短了開(kāi)發(fā)時(shí)間，所以，選擇該MCU能夠有效縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。另外，120KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存同時(shí)可以作為數(shù)據(jù)記錄器使用。