便攜式醫(yī)療設備中的信號調整分析

現今的醫(yī)療便攜設備方便病人自行診療、自由走動，甚至可在外出時使用設備。便攜式電子醫(yī)療設備要實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(yī)療設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轉換成電子信號供電子設備分析使用。由于醫(yī)療設備中傳輸的信號都比較微弱，而且還會受到諸多噪聲源的干擾，因此信號路徑設計對便攜式醫(yī)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儀這兩種設備應用，討論如何將傳感器與匹配的PowerWise放大器相連接，以便延長電池壽命和提高診療安全性。

心電圖機的操作原理

心電圖機(ECG)可實時記錄病人的心跳活動。心跳信號是通過三個連接到病人身體的電極測量出來。圖1所示為其中一個電極輸出的ECG信號，圖中包含有五個測量點，分別是Q、P、R、S、和T，這些測量點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。這類信號一般都會受到不少的干擾，例如電極的接觸噪聲、電源線路噪聲(50MHz)、呼吸、肌肉活動、以及來自其他電子器件的干擾。

ECG的信號調整

正如上述所說，ECG的信號路徑必須能調理不同來源的噪聲。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。要消除這個共模噪聲，需要建立一個測量儀表放大器。這個配置之所以很理想是因為它可在抑制共模電壓的同時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。正如圖2所示，這個儀表放大器是用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%)實現出來。

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輸入使它成為測量儀表和其他傳感器接口應用的理想選擇。

由于來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(guī)格使LMP2334在維持系統(tǒng)常精度和長期穩(wěn)定性方面有相當出色的表現。

這個測量儀表放大器包含有兩個級。最后一個級(亦即輸出級)是一個差分放大器，它能夠拒絕直流電平以及同時影響兩個輸入的干擾和噪聲電壓源。由兩個放大器組成的第一級(亦即是輸入級)則被配置成一個可將輸入隔離的緩沖器。可是，基于放大器間的失配使它們彼此不能相互連接，所以要在兩個放大器之間加裝平衡電阻。將兩個級的增益相乘便可得出測量儀表放大器的增益。理論上，共模抑制比(CMPR)應該是無限大，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。

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)的動態(tài)范圍。此外，由R10和R11組成的偏置分壓器可提供一個電壓，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，會采用一個高通濾波器來抑制能夠引致下一個增益級飽和的直流器件。這個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 拓撲技術來實現。至于第二級是一個低通濾波器，其擁有100Hz的截止頻率和100的增益，并且同樣以Sallen Key 拓撲來實現。諸Sallen Key 類的模擬濾波器是圍繞著有電阻器和電容器的運算放大器而建立。當中沒有采用電感器是因為它體積過大、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

兩個濾波器都是采用低功耗的運算放大器LMV552來實現，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，同時每個放大器僅需消耗34μA的電流，帶寬/功耗比是同級運算放大器中最高的。LMV552擁有一個軌到軌輸出級和一個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(tǒng)需要一個直流/直流升壓來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-直流開關穩(wěn)壓器，專門應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現。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，安全標準問題不容忽視。

藍牙傳輸

心跳的記錄可以用無線傳送到電腦、移動電話或PDA中。藍牙技術穩(wěn)定可靠、簡單易用，成本經濟，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線技術。

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的無線電機、晶體、天線、LDO和分立元件。該藍牙節(jié)點功能完整，而且體積小巧(10 mm x 17 mm x 2.0 mm)。

在這個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、通用存取規(guī)范(GAP)、服務發(fā)現應用規(guī)范(SDAP)和串行端口規(guī)范(SPP)等的應用。該模塊包含有一個可配置的服務數據庫以便迎合主控上的附加服務規(guī)范要求。此外，LMX9838通過了藍牙終端產品認證，無需再通過任何測試或支付技術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線電技術，LMX9838作為一個優(yōu)化解決方案可以完全滿足藍牙節(jié)點所需的數據處理和鏈路管理要求。

另一例子：血糖測量儀

血糖測量儀是針對患糖尿癥病人的重要設備。血糖控制無疑可有助于降低病患的風險，改善病人的生活品質。血糖測量通常有兩個方法：反射光度測量和電化學。在光學方法中，血糖與試紙上的另一化合物產生反應后會產生某種顏色記號，其顏色的深淺程度會與血糖的濃度成正比。反射光度測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會捕捉光線并把它轉換成電子信號。

然而，大多數的血糖測量儀都采用以氧化作用為基礎的電化學方法。在這一方法中，血糖傳感器是一張包含有酶和三個電極的試紙。其中的兩個電極用來作測量，另一個則用來作參考。當血液樣品放在試紙上時，電子會被傳送到電極。電化學會量化電子的數量：所產生的電子數量會與血糖的濃度成正比。當一個參考電壓(典型為200mV)施加到試紙上時，電子會被轉換成一個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，產生出來的電流相當微弱，一般介乎μA 到 nA級，并需要再轉換成一個可供處理的電壓。

圖5所示為一個完整方案的框圖，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經由一個運算放大器被轉換成一個電壓，這個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由一個跨阻放大器來實現的電流到電壓的轉換。這種拓撲的增益會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)便產生出一個相位落后，而這個落后會導致增益峰值出現并影響電路的穩(wěn)定性。電容器Cf是用來產生一個極和增加相角的穩(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(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，此參數顯得尤為重要。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可謂此類應用的最佳選擇。

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

結論

無論是心電圖還是血糖測量應用，對便攜醫(yī)療設備來說最重要的都是保證病人的安全和移動的便利性。在設計系統(tǒng)的時候，超低功耗和超高精度都是不可妥協(xié)的要求。上述兩個例子顯示出美國國家半導體產品在精度、功耗、尺寸和靈活性等方面具有優(yōu)勢。