基于高性能模擬器件簡化便攜式醫(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。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，如將運算放大器、ADC、DAC等高性能外設與低功耗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。

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。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不止一種。本文著重介紹非侵入式光學體積描記技術。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