想讓血氧測量儀小而美？試試這種光學(xué)前端

集成光學(xué)前端接收機(jī)在醫(yī)療設(shè)備特別是針對脈搏血氧測量以及護(hù)理點即時檢測(PoC)等應(yīng)用中，有著廣泛的使用。本文介紹脈搏血氧測量應(yīng)用以及護(hù)理點即時檢測(PoC)應(yīng)用，光學(xué)前端的性能要求，來引出集成光學(xué)前端接收機(jī)的優(yōu)點。

01 光學(xué)前端在體外診斷(IVD)系統(tǒng)中的應(yīng)用實例

1.1 脈搏血氧測量應(yīng)用

2020年的Covid-19帶來了健康世界的范式轉(zhuǎn)變。不同年齡段的人現(xiàn)在不斷跟蹤和監(jiān)測他們的生命體征，如血氧飽和度(SpO2)、心率(HR)和VOx水平，這是他們?nèi)粘Ｉ罘绞降囊徊糠帧?/p>

脈搏血氧測量原理：

脈搏血氧測量是一種無創(chuàng)的血氧合(SpO2)測量方法。這種測量是基于一種叫做PPG(Photoplethysmography)的技術(shù)。這種技術(shù)可以分為透射式或反射式:

●   在透射式脈搏血氧測量中，光電二極管和(發(fā)光二極管)LED分別放置在人體的相對兩側(cè)(例如手指)。人體組織吸收部分光線，而光電二極管則收集通過人體的剩余光線。

●   在反射式脈沖血氧儀中，光電二極管和LED在同一側(cè)。這里的光電二極管收集皮膚下方反射的光。

圖1. 用于脈搏血氧測量的透射式(左)以及反射式(右)技術(shù)（圖片來源ADI）

脈搏血氧測量主要基于三個原則:

●   脈搏動脈血液對透射/反射光的吸光度。

●   HbO2和RHb對不同光波長(紅光vs紅外光)的不同吸光度特征。

●   透射/反射光與光電二極管產(chǎn)生的PPG信號電流之間的直接相關(guān)性。

1.2 熒光檢測應(yīng)用

在基于熒光檢測診斷技術(shù)的IVD測試中，含有熒光標(biāo)簽的樣本被特定波長的光激發(fā)，如圖2中的綠色箭頭所示。如果樣本中含有感興趣的分析物，熒光標(biāo)簽會通過發(fā)射低能級的光對激發(fā)產(chǎn)生反應(yīng)。

例如，在圖2中，樣本中的熒光標(biāo)簽通過發(fā)射紅外線進(jìn)行反應(yīng)。這種發(fā)出的光就是需要檢測的熒光信號，以確定樣本中分析物的存在，可能還有數(shù)量。

圖2. IVD熒光檢測系統(tǒng)

基于熒光的診斷測試將有一個被認(rèn)為是可報告的熒光的閾值。低于閾值水平的熒光信號，不能確定地表明樣本中存在被分析物。

診斷檢測儀器中的電子元件，以及其他因素，都會造成背景噪聲，從而迫使閾值更高。

為了降低閾值水平，從而在不犧牲選擇性的情況下獲得更好的靈敏度，需要仔細(xì)設(shè)計光學(xué)檢測系統(tǒng)，以確保信號鏈不會造成背景噪聲水平。

02 光學(xué)前端的性能要求

我們以典型的PoC診斷熒光檢測系統(tǒng)舉例。

采用 發(fā)光二極管（LED）來產(chǎn)生激發(fā)光，并采用 光電二極管（PD）來檢測來自樣本的熒光發(fā)射。PD產(chǎn)生與熒光信號強(qiáng)度成比例的電流，該電流可能非常微弱。相對于本底噪聲，PD電流通常非常小，需要仔細(xì)的電子設(shè)計以實現(xiàn)高靈敏度檢測而不犧牲選擇性。

圖3. 典型的PoC診斷熒光檢測系統(tǒng)

圖3顯示了典型的PoC熒光檢測系統(tǒng)的主要元件。來自PD的電流信號被跨阻放大器（TIA）轉(zhuǎn)換成電壓信號。電壓信號由模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）數(shù)字化并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的熒光水平。

PoC系統(tǒng)的設(shè)計人員需要盡量在不犧牲選擇性的情況下實現(xiàn)最高的診斷靈敏度。因此，提出了對于光學(xué)前端的性能要求：

●   響應(yīng)LED勵磁可靠地識別非常低的PD電流

關(guān)于PoC系統(tǒng)，如何在不犧牲選擇性的情況下實現(xiàn)最大的診斷靈敏度，這一目標(biāo)轉(zhuǎn)化為響應(yīng)LED勵磁可靠地識別非常低的PD電流的要求。例如，高靈敏度系統(tǒng)必須能夠在響應(yīng)100 mA數(shù)量級的LED激勵電流時檢測到皮安培量級的PD電流。也就是說，在給定大約140 dB的光學(xué)衰減的情況下，系統(tǒng)必須能夠檢測到PD熒光。

要實現(xiàn)這樣的性能，必須結(jié)合電子和系統(tǒng)設(shè)計方面的考慮。

●   PD的模擬前端(AFE)設(shè)計尤為重要。

由于PD電流通常相對于本底噪聲非常弱，TIA需要具有高增益和低輸入偏置電流。其他重要的參數(shù)是低TIA輸入偏置電壓以及PD和TIA之間的最小距離。

●   系統(tǒng)設(shè)計對于實現(xiàn)高靈敏度檢測也是非常重要的。

熒光檢測必須與LED激發(fā)同步，因此需要一個控制器來確保這種同步性。為了從本底噪聲識別微弱的PD電流信號，通常需要對多個熒光讀數(shù)求平均。這種平均技術(shù)是系統(tǒng)控制器的一項重要功能。環(huán)境光和LED照明中的漂移會導(dǎo)致系統(tǒng)誤差。允許拒絕環(huán)境光并考慮LED照明中漂移影響的控制器可以實現(xiàn)整體系統(tǒng)性能優(yōu)勢。

03 集成光學(xué)前端的優(yōu)點

為PoC讀取器設(shè)計信號鏈時，有兩種不同的架構(gòu)選擇:如圖2所示的完全離散解決方案或使用集成光學(xué)前端，如圖3所示。

圖4. 采用集成光學(xué)前端的PoC檢測系統(tǒng)

集成解決方案的明顯好處：

●   提供的系統(tǒng)設(shè)計的簡化。

●   同步熒光檢測與LED激發(fā)的挑戰(zhàn)被消除了，因為這是由光學(xué)前端內(nèi)部處理的。

●   集成光學(xué)前端還提供了更緊湊的解決方案，電子元件更少。

●   降低了BOM和供應(yīng)管理的復(fù)雜性，同時實現(xiàn)了更小的終端設(shè)備。

最關(guān)鍵的是，能夠通過固件調(diào)整關(guān)鍵配置參數(shù)

如光電二極管PD、LED驅(qū)動器和光學(xué)濾鏡配置。在沒有開發(fā)新的硬件的情況下，離散解決方案無法實現(xiàn)可編程性。當(dāng)試圖隨著時間的推移，調(diào)整平臺以使用新的或修改的分析方法時，這種類型的可配置性是至關(guān)重要的。由于病原體的新變異株和新的疾病經(jīng)常被添加到測試菜單中，創(chuàng)建一個可以修改以適應(yīng)新的分析方法的平臺，而不需要修改硬件，是非常有利的。

集成光學(xué)前端具有明顯的優(yōu)勢，然而，在弱光熒光應(yīng)用中確定光學(xué)前端的性能并不是一件微不足道的任務(wù)。比較集成光學(xué)前端之間的信噪比(SNR)數(shù)字并不能真正了解光學(xué)接收機(jī)的實際性能。由于光通量通常較低，因此光學(xué)前端的絕對本底噪聲是關(guān)鍵參數(shù)，而不是信噪比。盡管1/f噪聲分量會限制均值方法對本底噪聲的改善程度，但我們還是可以基于熒光測量的時標(biāo)采用均值方法降低本底噪聲。因此，絕對暗電流噪聲，特別是閃爍噪聲，是主導(dǎo)因素。包括PD在內(nèi)的完整系統(tǒng)的暗電流噪聲在許多集成光學(xué)前端的數(shù)據(jù)表中并沒有描述，必須單獨測量。

ADI 集成光學(xué)前端

ADI的集成光學(xué)前端，如 MAX86171非常適合PoC熒光應(yīng)用。模擬信號鏈與數(shù)字控制器的集成使實現(xiàn)光接收機(jī)的單個IC解決方案成為可能。MAX86171 包含信號調(diào)理光電二極管輸入，19位電荷集成ADC，低噪聲LED驅(qū)動器和FIFO緩沖串行接口。

圖5. MAX86171的框圖 （來自于ADI）

●   AFE具有9個LED通道和4個PD通道

●   足夠通道支持多種檢測方法并支持未來的檢測擴(kuò)展而無需進(jìn)行硬件升級。

●   可通過SPI或I2C進(jìn)行編程

●   允許對例如積分時間、均值范圍和動態(tài)范圍等參數(shù)進(jìn)行微調(diào)

●   FIFO支持在MCU的休眠模式下進(jìn)行測量，從而延長手持式PoC系統(tǒng)的電池壽命。

更重要的是，該器件具有高性能和低噪聲的特性，能夠助力構(gòu)建高靈敏度的檢測系統(tǒng)。借助均值功能和低1/f噪聲的特性，面積為7.5 mm2的光電二極管構(gòu)成的信號鏈的暗電流噪聲僅為11 pA rms，能夠可靠檢測1 pA至10 pA范圍內(nèi)的低光電二極管電流，尤其適用于低光度的熒光應(yīng)用。此外，該器件出色的PSRR和環(huán)境光抑制特性能夠減輕系統(tǒng)工程師設(shè)計電源和機(jī)械外殼的負(fù)擔(dān)。

圖6. 用MAX86171進(jìn)行的弱光探測器測量

我們使用MAX86171驅(qū)動LED通過多層中性密度(ND)光學(xué)濾波器再經(jīng)光電二極管接收以驗證性能。通過增大ND濾波器的密度，光學(xué)衰減可在40 dB (ND2)至140 dB (ND7)之間變化，由此模擬PCR或LAMP檢測過程中熒光含量減少的行為。當(dāng)衰減低于140 dB時，MAX86171能夠可靠檢測高于本底暗電流的光電二極管電流，并且分辨率好于10 pA。MAX86171之所以具有如此高的靈敏度，是因為光電二極管連接至光學(xué)前端時的暗電流噪聲很低，僅為11 pA rms。

圖7. MAX86171的性能結(jié)果(來源于ADI)

這一性能水平超過了PoC系統(tǒng)的典型要求，充分適配各種生化目標(biāo)分析物的檢測。

總結(jié)

在快速發(fā)展的體外診斷(IVD)系統(tǒng)市場中，選擇合適的光學(xué)傳感器特別重要。集成光學(xué)前端可以簡化系統(tǒng)設(shè)計，降低了BOM和供應(yīng)管理的復(fù)雜性，同時實現(xiàn)了更小的終端設(shè)備。