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現今的醫療便攜設備方便病人自行診療、自由走動(dòng)，甚至可在外出時(shí)使用設備。便攜式電子醫療設備要實(shí)現"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，這些設備還要有極高的精度以確保病人的安全。醫療設備采用多種不同的傳感器來(lái)監視病人的健康狀況，然后傳感器將生理信號轉換成電子信號供電子設備分析使用。由于醫療設備中傳輸的信號都比較微弱，而且還會(huì )受到諸多噪聲源的干擾，因此信號路徑設計對便攜式醫療設備就顯得格外重要了。 本文將針對心電圖機和血糖測量?jì)x這兩種設備應用，討論如何將傳感器與匹配的PowerWise放大器相連接，以便延長(cháng)電池壽命和提高診療安全性。 1 心電圖機的操作原理 心電圖機(ECG)可實(shí)時(shí)記錄病人的心跳活動(dòng)。心跳信號是通過(guò)三個(gè)連接到病人身體的電極測量出來(lái)。圖1所示為其中一個(gè)電極輸出的ECG信號，圖中包含有五個(gè)測量點(diǎn)，分別是Q、P、R、S、和T，這些測量點(diǎn)可用來(lái)診斷病人患上心臟病的可能性。 從電極收集回來(lái)的信號處于 在400μV到最高5mV的范圍內，并在0.05Hz 和100Hz 下帶有3dB轉角頻率。這類(lèi)信號一般都會(huì )受到不少的干擾，例如電極的接觸噪聲、電源線(xiàn)路噪聲(50MHz)、呼吸、肌肉活動(dòng)、以及來(lái)自其他電子器件的干擾。 2 ECG的信號調整 正如上述所說(shuō)，ECG的信號路徑必須能調理不同來(lái)源的噪聲。對抗直流電噪聲，可以使用高通濾波器。然而，最令人頭痛的是50Hz的噪聲，因為它剛好與我們收集的信號頻率處于相同范圍。要消除這個(gè)共模噪聲，需要建立一個(gè)測量?jì)x表放大器。這個(gè)配置之所以很理想是因為它可在抑制共模電壓的同時(shí)放大有用的差分信號，這利于把微弱的有效信號從背景噪聲中分隔出來(lái)。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運算放大器)和高精度的電阻器(0.1%)實(shí)現出來(lái)。 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(lái)的超低功耗放大器非常適合電池供電的低功耗應用。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(cháng)便攜系統中電池的壽命。LMP2234是LMP高精度放大器家族的成員，其高阻抗CMOS輸入使它成為測量?jì)x表和其他傳感器接口應用的理想選擇。 由于來(lái)自電極的信號幅度極低，放大器的直流參數便顯得很重要。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和偏置電流分別僅為0.3 μV/℃和±20 fA。這些高精度的嚴格規格使LMP2334在維持系統常精度和長(cháng)期穩定性方面有相當出色的表現。 這個(gè)測量?jì)x表放大器包含有兩個(gè)級。最后一個(gè)級(亦即輸出級)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(亦即是輸入級)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)級的增益相乘便可得出測量?jì)x表放大器的增益。理論上，共模抑制比(CMPR)應該是無(wú)限大，但由于出現電阻失配，導致輸出級的非零共模增益非常小。在電路的輸入級中，流經(jīng)所有電阻的電流是一樣的。這都有賴(lài)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(lái)抑制能夠引致下一個(gè)增益級飽和的直流器件。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 拓撲技術(shù)來(lái)實(shí)現。至于第二級是一個(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 拓撲來(lái)實(shí)現。諸Sallen Key 類(lèi)的模擬濾波器是圍繞著(zhù)有電阻器和電容器的運算放大器而建立。當中沒(méi)有采用電感器是因為它體積過(guò)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算放大器LMV552來(lái)實(shí)現，而這款放大器是采用美國國家半導體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/功耗比是同級運算放大器中最高的。LMV552擁有一個(gè)軌到軌輸出級和一個(gè)擴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。 用電池操作的系統需要一個(gè)直流/直流升壓來(lái)提供信號路徑所需的3.3V電壓。LM2623是一款高效率的通用式升壓直流-直流開(kāi)關(guān)穩壓器，專(zhuān)門(mén)應用于采用電池供電的低輸入電壓系統。這款穩壓器可接受8V到14V的輸入電壓并把它們轉換成1.24V到14V的穩定輸出電壓。配合LM2623，系統的效率可高達90%。 假如系統要求有病人安全性隔離，可通過(guò)采用伽伐尼隔離(galvanic isolation)、光電耦合電容和磁耦合來(lái)實(shí)現。本文雖然著(zhù)重討論ECG的前端，但在開(kāi)發(fā)醫療電子系統時(shí)，安全標準問(wèn)題不容忽視。 3 藍牙傳輸 心跳的記錄可以用無(wú)線(xiàn)傳送到電腦、移動(dòng)電話(huà)或PDA中。藍牙技術(shù)穩定可靠、簡(jiǎn)單易用，成本經(jīng)濟，而且覆蓋范圍廣，因此在病人監視方面成為普遍采用的無(wú)線(xiàn)技術(shù)。 美國國家半導體的LMX9838藍牙串行端口模塊是一款高度集成的器件，當中包含有藍牙2.0基帶控制器、2.4GHz的無(wú)線(xiàn)電機、晶體、天線(xiàn)、LDO和分立元件。該藍牙節點(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牙堆疊層的天線(xiàn)、通用存取規范(GAP)、服務(wù)發(fā)現應用規范(SDAP)和串行端口規范(SPP)等的應用。該模塊包含有一個(gè)可配置的服務(wù)數據庫以便迎合主控上的附加服務(wù)規范要求。此外，LMX9838通過(guò)了藍牙終端產(chǎn)品認證，無(wú)需再通過(guò)任何測試或支付技術(shù)牌照費就可以直接使用到最終應用上。 基于美國國家半導體的CompactRISC 16位處理器架構和數字智能無(wú)線(xiàn)電技術(shù)，LMX9838作為一個(gè)優(yōu)化解決方案可以完全滿(mǎn)足藍牙節點(diǎn)所需的數據處理和鏈路管理要求。 4 另一例子：血糖測量?jì)x 血糖測量?jì)x是針對患糖尿癥病人的重要設備。血糖控制無(wú)疑可有助于降低病患的風(fēng)險，改善病人的生活品質(zhì)。血糖測量通常有兩個(gè)方法：反射光度測量和電化學(xué)。在光學(xué)方法中，血糖與試紙上的另一化合物產(chǎn)生反應后會(huì )產(chǎn)生某種顏色記號，其顏色的深淺程度會(huì )與血糖的濃度成正比。反射光度測量的原理是通過(guò)量度LED的反射光線(xiàn)來(lái)量化顏色的深度：血糖濃度越高，反射出來(lái)的光線(xiàn)便越弱。LED會(huì )捕捉光線(xiàn)并把它轉換成電子信號。 然而，大多數的血糖測量?jì)x都采用以氧化作用為基礎的電化學(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(lái)作測量，另一個(gè)則用來(lái)作參考。當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 )量化電子的數量：所產(chǎn)生的電子數量會(huì )與血糖的濃度成正比。當一個(gè)參考電壓(典型為200mV)施加到試紙上時(shí)，電子會(huì )被轉換成一個(gè)與血糖濃度成比例的電流，這種方法被稱(chēng)作電流分析法。不過(guò)，產(chǎn)生出來(lái)的電流相當微弱，一般介乎μA 到 nA級，并需要再轉換成一個(gè)可供處理的電壓。 圖5所示為一個(gè)完整方案的框圖，該系統是由電池供電并可使用LM2623來(lái)提供3.3V的電源電壓。通過(guò)電極量度出來(lái)的電流之后會(huì )經(jīng)由一個(gè)運算放大器被轉換成一個(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(lái)再深入探討一下這個(gè)由一個(gè)跨阻放大器來(lái)實(shí)現的電流到電壓的轉換。這種拓撲的增益會(huì )以輸出電壓和輸入電流的比例來(lái)量度，意即反饋電阻器 Rf 必須夠大至可檢測到細小的電流。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 )導致增益峰值出現并影響電路的穩定性。電容器Cf是用來(lái)產(chǎn)生一個(gè)極和增加相角的穩定裕度。此外，此電容器亦可用來(lái)限制帶寬，從而實(shí)現對噪聲的抑制。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)需要注意的參數是放大器的偏置電流，尤其是當反饋電阻很大時(shí)，此參數顯得尤為重要。此外，偏移電壓的影響亦同樣重要，來(lái)自這兩個(gè)參數的誤差可計算成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(lèi)應用的最佳選擇。 正如上述指出的，這一放大器是一個(gè)微功率組件，雙通道型號只僅消耗13μA的電流。 5 結論 無(wú)論是心電圖還是血糖測量應用，對便攜醫療設備來(lái)說(shuō)最重要的都是保證病人的安全和移動(dòng)的便利性。在設計系統的時(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)例子顯示出美國國家半導體產(chǎn)品在精度、功耗、尺寸和靈活性等方面具有優(yōu)勢。 |
