淺談簡化便攜式醫(yī)療設備原理及設計

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)療設備中起著重要作用。將高性能模擬外設嵌入超低功耗 MCU 中，不僅可以實現(xiàn)便攜式醫(yī)療電子設備的片上系統(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)療設備的模擬前端設計的多種方法。將上述外設與 MCU 結(jié)合使用，不僅可以實現(xiàn)上述全部功能，而且還可通過關閉外設使其進入待機模式（電流消耗僅為幾mA）來滿足功耗要求。

MCU（Micro Control Unit）中文名稱為微控制單元，又稱單片微型計算機（Single Chip Microcomputer）或者單片機，是指隨著大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)及其發(fā)展，將計算機的CPU、RAM、ROM、定時計數(shù)器和多種I/O接口集成在一片芯片上，形成芯片級的計算機，為不同的應用場合做不同組合控制常見存儲器件。MCU同溫度傳感器之間通過I2C總線連接。I2C總線占用2條MCU輸入輸出口線，二者之間的通信完全依靠軟件完成。溫度傳感器的地址可以通過2根地址引腳設定，這使得一根I2C總線上可以同時連接8個這樣的傳感器。本方案中，傳感器的7位地址已經(jīng)設定為1001000。MCU需要訪問傳感器時，先要發(fā)出一個8位的寄存器指針，然后再發(fā)出傳感器的地址（7位地址，低位是WR信號）。

MCU讀取傳感器的測量值后，接下來就要進行換算并將結(jié)果顯示在LCD上。整個處理過程包括：判斷顯示結(jié)果的正負號，進行二進制碼到BCD碼的轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)傳到LCD的相關寄存器中。數(shù)據(jù)處理完畢并顯示結(jié)果之后，MCU會向傳感器發(fā)出一個單步指令。單步指令會讓傳感器啟動一次溫度測試，然后自動進入等待模式，直到模數(shù)轉(zhuǎn)換完畢。MCU發(fā)出單步指令后，就進入LPM3模式，這時MCU系統(tǒng)時鐘繼續(xù)工作，產(chǎn)生定時中斷喚醒CPU。定時的長短可以通過編程調(diào)整，以便適應具體應用的需要。

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，是模擬信號處理電路的一部分。除嵌入高性能模擬外設之外，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。

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）設備，在醫(yī)療診斷中用于測試肺容量。在該應用中，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，使設計適用于各種情況。圖 1 可以作為該肺活量計的參考設計（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

必須使用恒流源驅(qū)動這兩個LED，以確保測量過程中保持穩(wěn)定的亮度。具有自動增益控制（AGC） 反饋的恒流源可以通過采用內(nèi)部 DAC及簡單MCU算法而獲得。MCU能夠選擇輸出血液脈動部分的吸收量，動脈血液、非脈動靜脈血液或毛細血管血液以及其它人體組織色素均會吸收光線。最新測量技術(shù)降低了測量血氧飽和度時的干擾效應。兩個LED周期性打開，紅光LED開啟，然后紅外線LED開啟，最后兩個都關閉，每秒鐘重復幾次，這種時分多路復用技術(shù)消除了背景噪聲的干擾。這種更先進的技術(shù)有可能消除運動或電磁干擾產(chǎn)生的大氣干擾，原因是兩種LED信號在再組合時相位有差異 。5~20s可 以測出平均血樣飽和度，通過連續(xù)脈動信號之間的LED周期數(shù)能夠計算出脈搏率，得出脈搏率平均值大概與得出飽和度平均值的時間近似，這與具體的監(jiān)控器有關。

MCU根據(jù)兩種頻率光線的吸收比例計算兩個參數(shù)的比值。MCU 閃存中存儲了一系列通過實驗得到的血氧飽和值（志愿者在實驗中呼吸氣體的氧氣含量逐漸增加）。MCU將測量到的兩種光線波長吸收率的比值與存儲值比較，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)是估測得出的，因為無法獲得人體血氧含量低于70%的數(shù)據(jù)。

圖4 基于MSP430FG461x的脈搏血氧計

結(jié)語

在上述便攜式醫(yī)療應用中，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。ADC的高精度很容易滿足測量類應用的需求。片上運算放大器及 DAC非常有助于信號調(diào)節(jié)和自動增益控制。為測量類應用選擇了合適 的MCU之后 ，系統(tǒng)設計師下一步就要進行軟件開發(fā)。由于MCU能夠提供片上仿真功能，所以設計人員可以通過JTAG端口進行實時調(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。