便攜式醫(yī)療設(shè)備原理及設(shè)計

醫(yī)療電器OEM廠商正在開發(fā)技術(shù)含量更高的、用于治療和監(jiān)控常見疾病的個人保健設(shè)備。這些產(chǎn)品價格合理，極大提高了醫(yī)療保健質(zhì)量。MCU在家用血壓計、肺活量計、脈搏血氧計及心率監(jiān)測器等便攜式醫(yī)療設(shè)備中起著重要作用。大多數(shù)此類產(chǎn)品中的實際生理信號是模擬信號，在測量、監(jiān)控或顯示前需要進行放大、過濾等處理。

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，而且還可延長電池使用壽命。本文將介紹簡化便攜式電池供電醫(yī)療設(shè)備的模擬前端設(shè)計的多種方法，如將運算放大器、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，不僅可以實現(xiàn)上述全部功能，而且還可通過關(guān)閉外設(shè)使其進入待機模式(電流消耗僅為幾mA)來滿足功耗要求。

MSP430FG4619就是一個很好的例子，其16 位RISC CPU不僅能提供所需的信號處理能力，而且還具有超低的工作電流，使電池在此類應(yīng)用中的壽命可達數(shù)年之久。該 MCU 集成了運算放大器、12位多通道ADC及雙 12 位 DAC等外設(shè)，是模擬信號處理電路的一部分。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)實現(xiàn)醫(yī)療產(chǎn)品單芯片解決方案的具體介紹。

血壓計

圖1為血壓計功能結(jié)構(gòu)圖。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。變送器可通過端口引腳激活，由于僅在壓力測量時被激活，所以可以顯著節(jié)省電能。傳感器的mV級輸出與壓力成正比。此信號在數(shù)字化之前需要放大，然后由ADC進行測量。放大后的信號可檢測科羅特科夫 (Korotkoff) 音并確定心臟收縮及舒張壓讀數(shù)。MCU中的3個運算放大器能夠出色地完成這項工作。幾個放大器共同組成的高增益差動放大器功能塊可消除應(yīng)用中的共模噪聲。使用 3 個放大器的差動放大器功能塊如圖 2 所示。放大后的信號從內(nèi)部輸入至 12 位ADC。器件中的DMA外設(shè)可以進行高效的數(shù)據(jù)處理，能夠快速執(zhí)行Korotkoff音檢測算法，并濾掉影響測量結(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)動器，以提供穩(wěn)定對比度，從而進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)場進行軟件升級，由于閃存具有系統(tǒng)內(nèi)可編程性，所以可以當作數(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時時鐘的電流消耗不足 3mA。

圖1 血壓計功能結(jié)構(gòu)圖

MCU 中PWM 輸出控制的直流電馬達對袖袋進行充/放氣。這是該血壓計唯一用到 6V 電源驅(qū)動馬達的地方。如果不能滿足電源需求，整個血壓計可以用一節(jié) 3V 鋰離子鈕扣電池供電。不過，目前只有少數(shù)馬達可以靠這種高阻抗鈕扣電池驅(qū)動，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)每天測量兩次血壓，這些電池可以使用兩年。MCU可以長期工作在活動顯示計時模式，原因是該模式的電流消耗非常小。另外，用戶查看存儲的血壓讀數(shù)時也不會增加電流消耗。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。

肺活量計

肺活量計也稱為肺功能測試 (PFT)設(shè)備，在醫(yī)療診斷中用于測試肺容量。在該應(yīng)用中，測量參數(shù)是一定呼氣時間內(nèi)的氣流量，單位為升/分鐘。所用傳感器是氣動變送器，實際上是壓差變送器。除了無需充氣馬達外，該肺活量計與血壓計設(shè)計類似。3個MCU運算放大器用作測量氣流的傳感器放大器。肺活量計其他部分的設(shè)計比較簡單，12 位 ADC的作用是測量氣流并與存儲的標準化數(shù)值進行比較。閃存有助于存儲各種標準化數(shù)值，使設(shè)計適用于各種情況。圖 1 可以作為該肺活量計的參考設(shè)計(系統(tǒng)所用的變送器比較相似)。請注意，肺活量計無需馬達控制。另外，MCU的低功耗特性延長了電池使用時間，其高集成度降低了成本并提高了系統(tǒng)可靠性。

　圖2 差動放大器

脈搏血氧計及心率監(jiān)測器

心率監(jiān)視和脈搏血氧計采用的技術(shù)不止一種。本文著重介紹非侵入式光學體積描記技術(shù)。此類血氧計采用配有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，同一個傳感器可同時用作心率檢測及脈搏血氧測量。該技術(shù)提供了估測動脈血氧飽和度和心率的簡單而精確的辦法。探頭置于指尖、耳垂和鼻子等身體不同位置。探頭包含兩個發(fā)光二極管(LED)，其中一個發(fā)射可見紅光(660nm)，另一個發(fā)射紅外線(940nm)(見圖 3)。光束通過人體組織到達光電檢測器。在通過人體組織時，紅血球中的血色素會吸收部分光線，吸收量因血氧飽和度的不同而不同。首先，通過測量對兩個波長光線的吸收量，MCU能夠精確計算出氧化的血色素比例。其次，通過人體組織的光線中含有因心跳造成動脈血量不同而產(chǎn)生的脈沖分量。

圖3探頭上配有兩個LED