便攜式醫(yī)療設(shè)備實(shí)現(xiàn)\"方便攜帶\"需進(jìn)行信號(hào)調(diào)整

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。

1 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。

2 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?？墒?，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)。

輸出電壓被定義成：

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。
　　
3 藍(lán)牙傳輸

心跳的記錄可以用無(wú)線傳送到電腦、移動(dòng)電話或PDA中。藍(lán)牙技術(shù)穩(wěn)定可靠、簡(jiǎn)單易用，成本經(jīng)濟(jì)，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(wú)線技術(shù)。

美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的LMX9838藍(lán)牙串行端口模塊是一款高度集成的器件，當(dāng)中包含有藍(lán)牙2.0基帶控制器、2.4GHz的無(wú)線電機(jī)、晶體、天線、LDO和分立元件。該藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)功能完整，而且體積小巧(10 mm x 17 mm x 2.0 mm)。

在這個(gè)完整的方案中包括硬件和軟件，適用于具有完整的高低藍(lán)牙堆疊層的天線、通用存取規(guī)范(GAP)、服務(wù)發(fā)現(xiàn)應(yīng)用規(guī)范(SDAP)和串行端口規(guī)范(SPP)等的應(yīng)用。該模塊包含有一個(gè)可配置的服務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)以便迎合主控上的附加服務(wù)規(guī)范要求。此外，LMX9838通過(guò)了藍(lán)牙終端產(chǎn)品認(rèn)證，無(wú)需再通過(guò)任何測(cè)試或支付技術(shù)牌照費(fèi)就可以直接使用到最終應(yīng)用上。

基于美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的CompactRISC 16位處理器架構(gòu)和數(shù)字智能無(wú)線電技術(shù)，LMX9838作為一個(gè)優(yōu)化解決方案可以完全滿足藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)所需的數(shù)據(jù)處理和鏈路管理要求。
　　
4 另一例子：血糖測(cè)量?jī)x

血糖測(cè)量?jī)x是針對(duì)患糖尿癥病人的重要設(shè)備。血糖控制無(wú)疑可有助于降低病患的風(fēng)險(xiǎn)，改善病人的生活品質(zhì)。血糖測(cè)量通常有兩個(gè)方法：反射光度測(cè)量和電化學(xué)。在光學(xué)方法中，血糖與試紙上的另一化合物產(chǎn)生反應(yīng)后會(huì)產(chǎn)生某種顏色記號(hào)，其顏色的深淺程度會(huì)與血糖的濃度成正比。反射光度測(cè)量的原理是通過(guò)量度LED的反射光線來(lái)量化顏色的深度：血糖濃度越高，反射出來(lái)的光線便越弱。LED會(huì)捕捉光線并把它轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)。

然而，大多數(shù)的血糖測(cè)量?jī)x都采用以氧化作用為基礎(chǔ)的電化學(xué)方法。在這一方法中，血糖傳感器是一張包含有酶和三個(gè)電極的試紙。其中的兩個(gè)電極用來(lái)作測(cè)量，另一個(gè)則用來(lái)作參考。當(dāng)血液樣品放在試紙上時(shí)，電子會(huì)被傳送到電極。電化學(xué)會(huì)量化電子的數(shù)量：所產(chǎn)生的電子數(shù)量會(huì)與血糖的濃度成正比。當(dāng)一個(gè)參考電壓(典型為200mV)施加到試紙上時(shí)，電子會(huì)被轉(zhuǎn)換成一個(gè)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(guò)，產(chǎn)生出來(lái)的電流相當(dāng)微弱，一般介乎μA 到 nA級(jí)，并需要再轉(zhuǎn)換成一個(gè)可供處理的電壓。

圖5所示為一個(gè)完整方案的框圖，該系統(tǒng)是由電池供電并可使用LM2623來(lái)提供3.3V的電源電壓。通過(guò)電極量度出來(lái)的電流之后會(huì)經(jīng)由一個(gè)運(yùn)算放大器被轉(zhuǎn)換成一個(gè)電壓，這個(gè)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(lái)再深入探討一下這個(gè)由一個(gè)跨阻放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)的電流到電壓的轉(zhuǎn)換。這種拓?fù)涞脑鲆鏁?huì)以輸出電壓和輸入電流的比例來(lái)量度，意即反饋電阻器 Rf 必須夠大至可檢測(cè)到細(xì)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(chǎn)生出一個(gè)相位落后，而這個(gè)落后會(huì)導(dǎo)致增益峰值出現(xiàn)并影響電路的穩(wěn)定性。電容器Cf是用來(lái)產(chǎn)生一個(gè)極和增加相角的穩(wěn)定裕度。此外，此電容器亦可用來(lái)限制帶寬，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)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(gè)需要注意的參數(shù)是放大器的偏置電流，尤其是當(dāng)反饋電阻很大時(shí)，此參數(shù)顯得尤為重要。此外，偏移電壓的影響亦同樣重要，來(lái)自這兩個(gè)參數(shù)的誤差可計(jì)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(yīng)用的最佳選擇。

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

5 結(jié)論

無(wú)論是心電圖還是血糖測(cè)量應(yīng)用，對(duì)便攜醫(yī)療設(shè)備來(lái)說(shuō)最重要的都是保證病人的安全和移動(dòng)的便利性。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)的時(shí)候，超低功耗和超高精度都是不可妥協(xié)的要求。上述兩個(gè)例子顯示出美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體產(chǎn)品在精度、功耗、尺寸和靈活性等方面具有優(yōu)勢(shì)。