淺談如何滿足便攜式醫(yī)療設(shè)備的安全性設(shè)計(jì)

現(xiàn)今的醫(yī)療便攜設(shè)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(shè)備。便攜式電子醫(yī)療設(shè)備要實(shí)現(xiàn)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(shè)備還要有極高的精度以確保病人的安全。醫(yī)療設(shè)備采用多種不同的傳感器來(lái)監(jiān)視病人的健康狀況，然后傳感器將生理信號(hào)轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)供電子設(shè)備分析使用。

由于醫(yī)療設(shè)備中傳輸?shù)男盘?hào)都比較微弱，而且還會(huì)受到諸多噪聲源的干擾，因此信號(hào)路徑設(shè)計(jì)對(duì)便攜式醫(yī)療設(shè)備就顯得格外重要了。本文將針對(duì)心電圖機(jī)和血糖測(cè)量?jī)x這兩種設(shè)備應(yīng)用，討論如何將傳感器與匹配的PowerWise放大器相連接，以便延長(zhǎng)電池壽命和提高診療安全性。

心電圖機(jī)的操作原理

心電圖機(jī)(ECG)可實(shí)時(shí)記錄病人的心跳活動(dòng)。心跳信號(hào)是通過(guò)三個(gè)連接到病人身體的電極測(cè)量出來(lái)。圖1所示為其中一個(gè)電極輸出的ECG信號(hào)，圖中包含有五個(gè)測(cè)量點(diǎn)，分別是Q、P、R、S、和T，這些測(cè)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(hào)處于 在400μV到最高5mV的范圍內(nèi)，并在0.05Hz 和100Hz 下帶有3dB轉(zhuǎn)角頻率。這類信號(hào)一般都會(huì)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(dòng)、以及來(lái)自其他電子器件的干擾。

ECG的信號(hào)調(diào)整

正如上述所說(shuō)，ECG的信號(hào)路徑必須能調(diào)理不同來(lái)源的噪聲。對(duì)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?yàn)樗鼊偤门c我們收集的信號(hào)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(cè)量?jī)x表放大器。

這個(gè)配置之所以很理想是因?yàn)樗稍谝种乒材ｋ妷旱耐瑫r(shí)放大有用的差分信號(hào)，這利于把微弱的有效信號(hào)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(yùn)算放大器)和高精度的電阻器(0.1%)實(shí)現(xiàn)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(yīng)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(zhǎng)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(cè)量?jī)x表和其他傳感器接口應(yīng)用的理想選擇。

由于來(lái)自電極的信號(hào)幅度極低，放大器的直流參數(shù)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(shù)和偏置電流分別僅為0.3 μV/℃和±20 fA。這些高精度的嚴(yán)格規(guī)格使LMP2334在維持系統(tǒng)常精度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性方面有相當(dāng)出色的表現(xiàn)。

這個(gè)測(cè)量?jī)x表放大器包含有兩個(gè)級(jí)。最后一個(gè)級(jí)(亦即輸出級(jí))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(jí)(亦即是輸入級(jí))則被配置成一個(gè)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(gè)放大器之間加裝平衡電阻。將兩個(gè)級(jí)的增益相乘便可得出測(cè)量?jī)x表放大器的增益。理論上，共模抑制比(CMPR)應(yīng)該是無(wú)限大，但由于出現(xiàn)電阻失配，導(dǎo)致輸出級(jí)的非零共模增益非常小。在電路的輸入級(jí)中，流經(jīng)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(diǎn)。

輸入信號(hào)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(tǒng)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(jí)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?fù)浼夹g(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。至于第二級(jí)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?fù)鋪?lái)實(shí)現(xiàn)。諸Sallen Key 類的模擬濾波器是圍繞著有電阻器和電容器的運(yùn)算放大器而建立。當(dāng)中沒(méi)有采用電感器是因?yàn)樗w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(yùn)算放大器LMV552來(lái)實(shí)現(xiàn)，而這款放大器是采用美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)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(jí)運(yùn)算放大器中最高的。LMV552擁有一個(gè)軌到軌輸出級(jí)和一個(gè)擴(kuò)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(gè)直流/直流升壓來(lái)提供信號(hào)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(wěn)壓器，專門(mén)應(yīng)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(zhuǎn)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(dá)90%。

假如系統(tǒng)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(xiàn)。本文雖然著重討論ECG的前端，但在開(kāi)發(fā)醫(yī)療電子系統(tǒng)時(shí)，安全標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題不容忽視。