【導(dǎo)讀】醫(yī)療電子是用于診斷和治療健康的電子儀器和設(shè)備，它是應(yīng)用于醫(yī)學(xué)和生物學(xué)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)。為了滿足醫(yī)療電子的需求，以前主要用于工業(yè)領(lǐng)域的各種傳感器如今已大量用于診斷和治療自發(fā)性疾病和生理障礙。溫度、濕度、壓力傳感器、熱敏電阻等傳感元件被證明是執(zhí)行醫(yī)療解決方案所必需的電子器件。這些傳感器產(chǎn)生的信號(hào)通常是低振幅、非線性且包含較強(qiáng)的固有噪聲，在大多數(shù)情況下，它們需要從真實(shí)世界的模擬形式轉(zhuǎn)換為數(shù)字值才能發(fā)揮真正的作用。此時(shí)，能夠凈化和轉(zhuǎn)換這些原始測(cè)量值的信號(hào)鏈電路在滿足醫(yī)療電子需求方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。
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醫(yī)療電子
醫(yī)療電子是用于診斷和治療健康的電子儀器和設(shè)備，它是應(yīng)用于醫(yī)學(xué)和生物學(xué)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)。為了滿足醫(yī)療電子的需求，以前主要用于工業(yè)領(lǐng)域的各種傳感器如今已大量用于診斷和治療自發(fā)性疾病和生理障礙。溫度、濕度、壓力傳感器、熱敏電阻等傳感元件被證明是執(zhí)行醫(yī)療解決方案所必需的電子器件。這些傳感器產(chǎn)生的信號(hào)通常是低振幅、非線性且包含較強(qiáng)的固有噪聲，在大多數(shù)情況下，它們需要從真實(shí)世界的模擬形式轉(zhuǎn)換為數(shù)字值才能發(fā)揮真正的作用。此時(shí)，能夠凈化和轉(zhuǎn)換這些原始測(cè)量值的信號(hào)鏈電路在滿足醫(yī)療電子需求方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。
醫(yī)療電子設(shè)備中有哪些信號(hào)鏈產(chǎn)品？
每一種醫(yī)療電子產(chǎn)品都有特定的功能，它們通過使用模擬或數(shù)字傳感器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。當(dāng)與現(xiàn)實(shí)世界交互時(shí)，這些傳感器產(chǎn)生的信號(hào)通常很小且有噪聲，需要高性能放大器和轉(zhuǎn)換器來測(cè)量、調(diào)節(jié)和處理它們。
其中，可能需要一個(gè)或多個(gè)放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，還可能需要多個(gè)濾波器用于獲取特定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)，最后是模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），以對(duì)調(diào)節(jié)后的信號(hào)進(jìn)行采樣和數(shù)字化，便于后續(xù)處理或存儲(chǔ)。逐次逼近寄存器（SAR）或∑-ΔADC非常適合對(duì)濾波和放大信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化采樣。SAR ADC往往具有比∑-ΔADC更低的延遲，但最大采樣率通常較低?！?ΔADC的優(yōu)勢(shì)包括高分辨率和高功率效率，并且通常還集成了濾波器、多路復(fù)用器或輸入緩沖器等附加功能。
總結(jié)下來，在醫(yī)療電子設(shè)備中，通用的信號(hào)鏈器件主要包括：傳感器、放大器、濾波器和ADC。
醫(yī)用電子設(shè)備中的傳感器技術(shù)
用于診斷、監(jiān)測(cè)或治療醫(yī)學(xué)領(lǐng)域疾病的傳感器被稱為醫(yī)學(xué)傳感器。醫(yī)療設(shè)備中使用的傳感器主要有壓力、氣流、氧氣、溫度、心率傳感等。
比如，溫度傳感器常用于測(cè)量體溫的溫度計(jì)中。與需要大量信號(hào)處理的熱敏電阻和RTD溫度傳感器相比，常被用于體溫計(jì)的硅基數(shù)字溫度傳感器具有更高的線性度、穩(wěn)定性和易用性。盡管它們的溫度范圍較窄（通常為-20℃--70℃），但這對(duì)于醫(yī)療電子設(shè)備和可穿戴設(shè)備的體溫監(jiān)測(cè)來說綽綽有余。
Analog Devices的MAX30208是一款臨床級(jí)數(shù)字溫度傳感器，溫度測(cè)量點(diǎn)在封裝的頂部，便于貼著皮膚表面放置，受自熱影響小。I2C接口允許多個(gè)傳感器的菊花鏈連接，可在身體上的多個(gè)點(diǎn)位監(jiān)測(cè)體溫。MAX30308測(cè)量體溫在±0.1℃以內(nèi)，并包含集成信號(hào)鏈電路和32位FIFO，以簡化與主機(jī)處理器的交互。
圖1：MAX30208評(píng)估套件MAX30208EVSYS
（圖源：Analog Devices）
TE公司的TSYS03屬于微型數(shù)字溫度傳感器，尤其適合可穿戴設(shè)備應(yīng)用。該傳感器提供經(jīng)工廠校準(zhǔn)的高準(zhǔn)確度溫度數(shù)據(jù)，分辨率為±0.01℃，有TDFN8或XDFN6兩種封裝可供選擇，還包含耐用的溫度傳感器元件、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和微控制器。
圖2：TSYS03微型數(shù)字溫度傳感器
（圖源：TE）
壓力傳感器在醫(yī)療電子中的應(yīng)用非常廣泛，可用在輸液泵、血壓計(jì)和睡眠呼吸暫停機(jī)等設(shè)備中。TE的FX29是一種緊湊型壓力傳感器，在具有毫伏、模擬或數(shù)字輸出信號(hào)的堅(jiān)固的傳感器系列中展現(xiàn)出了出色的性價(jià)比，并針對(duì)嵌入式力傳感應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，包括一次性醫(yī)療設(shè)備和健身器材。
圖3：FX29壓力傳感器
（圖源：TE）
心率傳感器也稱為心率監(jiān)測(cè)器，它是一種個(gè)人監(jiān)測(cè)設(shè)備，允許用戶實(shí)時(shí)跟蹤和顯示他/她的心率，該傳感器有光學(xué)和電氣兩種方式。
目前，集成式光學(xué)傳感器正在逐漸成為市場的主流，尤其是可穿戴式產(chǎn)品，它們更傾向于選擇這一類傳感器。ADI公司的MAX86160為集成式心率監(jiān)測(cè)傳感器模塊，包括內(nèi)部LED、光電探測(cè)器和低噪聲電子電路，具有高動(dòng)態(tài)范圍環(huán)境光抑制能力，并配備即插即用軟件和可靠算法，用戶只需最少的設(shè)計(jì)工作，即可獲得信息豐富的輸出，滿足移動(dòng)、可穿戴及智能耳戴式心率監(jiān)測(cè)功能的需求。
圖4：MAX86160評(píng)估板(MAX86160EVSYS)提供經(jīng)過驗(yàn)證的設(shè)計(jì)，用于評(píng)估MAX86160集成心率監(jiān)測(cè)傳感器模塊（圖源：Mouser）
醫(yī)療傳感器在醫(yī)療設(shè)備的安全操作中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，那些智能醫(yī)療設(shè)備利用最新的傳感器技術(shù)，提高精度、重復(fù)性、降低功耗和數(shù)字輸出。在醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域，非侵入式和非接觸式傳感器技術(shù)的應(yīng)用范圍更加廣泛。
考慮到應(yīng)用場景的特殊性，醫(yī)療傳感器在設(shè)計(jì)時(shí)需同時(shí)考慮機(jī)械和電氣兩個(gè)方面的特性。其中，設(shè)備的耐受性（或耐用性）是首先需要考慮的一個(gè)重要特性。小型化是醫(yī)療傳感器選型時(shí)需要考慮的另一個(gè)重要因素。高精度的測(cè)量是選擇醫(yī)療傳感器的極重要的電特性指標(biāo)。由于醫(yī)院內(nèi)的醫(yī)療設(shè)備通常需要使用5年或10年，因此，在高精度之外，傳感器的穩(wěn)定性一定要高，并且測(cè)量數(shù)值要能夠長期保持高穩(wěn)定性。
超實(shí)用的ECG信號(hào)鏈設(shè)計(jì)方案
信號(hào)鏈路是指一個(gè)系統(tǒng)中信號(hào)從輸入到輸出的路徑，重點(diǎn)針對(duì)模擬信號(hào)完成收發(fā)、轉(zhuǎn)換、放大、過濾等功能。除了上述介紹的傳感器，信號(hào)鏈模擬芯片主要包括運(yùn)算放大器、濾波器、轉(zhuǎn)換器、接口和隔離器等。下面我們以心電圖（ECG）方案為例，結(jié)合具體應(yīng)用介紹醫(yī)療電子設(shè)備中信號(hào)鏈的設(shè)計(jì)考慮。
就監(jiān)測(cè)心臟活動(dòng)而言，臨床級(jí)監(jiān)測(cè)器傳統(tǒng)上依賴于來自連接在身體上的多個(gè)傳感器的ECG信號(hào)。ECG系統(tǒng)通過測(cè)量活組織表面電位來記錄心臟在一段時(shí)間內(nèi)的電性活動(dòng)，它使用生物電位電極來拾取身體特定部位的心臟信號(hào)，兩個(gè)電極間的差分電壓或某一電極與多電極平均電壓之間的差分電壓可在測(cè)量后顯示為ECG輸出上的一個(gè)通道。
設(shè)計(jì)ECG系統(tǒng)時(shí)，需要克服各種挑戰(zhàn)，例如安全、共模抑制、直流偏置、RFI(射頻干擾)/EMC(電磁兼容性)、輸入保護(hù)和等效輸入噪底。模擬前端(AFE)的主要功能是將心臟信號(hào)數(shù)字化。由于需要抑制來自強(qiáng)射頻源、起搏信號(hào)、導(dǎo)聯(lián)脫落信號(hào)、共模頻率、其他肌肉信號(hào)及電噪聲的干擾，該過程十分復(fù)雜。
通常，AFE包括儀表放大器(INA)、濾波器和ADC。ECG架構(gòu)設(shè)計(jì)方法有兩種：交流耦合和直流耦合。今天介紹的兩個(gè)方案均屬直流耦合方案。
1?ADI心電圖解決方案
ADI公司為ECG設(shè)計(jì)提供了種類齊全的高性能線性、混合信號(hào)、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)。方案中的模擬前端使用了ADAS1000芯片，該產(chǎn)品為低功耗、5電極AFE，工作功率低至19mW。它將驅(qū)動(dòng)放大器、交流和直流導(dǎo)聯(lián)脫落檢測(cè)、屏蔽驅(qū)動(dòng)以及呼吸測(cè)量、起搏器脈搏檢測(cè)所需的全部電路集成在單芯片上，噪聲極低(10μV峰峰值，0.05Hz至150Hz)。ADAS1000將有源元件數(shù)從50多個(gè)減少至僅一個(gè)，大大簡化了5電極ECG的設(shè)計(jì)，非常適合家用、移動(dòng)式和臨床ECG系統(tǒng)。
運(yùn)算放大器是線性產(chǎn)品的基本構(gòu)建模塊之一，在其信號(hào)處理范圍內(nèi)，通常可以認(rèn)為是線性器件，即增益不隨信號(hào)的幅度變化而變化。本方案中，ADI采用的是AD8221/AD8226高性能儀表放大器，增益為1--1,000，擁有高CMMR和單位增益穩(wěn)定性。
圖5：ADI公司ECG系統(tǒng)信號(hào)鏈功能框圖
（圖源：Analog Devices）
在ADI的ECG方案中，根據(jù)性能需要有兩種ADC可供選擇。其中的AD7691是18位1.5 LSB INL、250KSPS PulSAR差分ADC，與400 KSPS版本AD7690引腳兼容。更高分辨率、更低INL，適合高精度采樣系統(tǒng)。AD7980是一款16位、1MSPS、1.5 LSB（24 ppm）PulSAR差分ADC，與18位版本AD7982引腳兼容。
2? TI心電圖解決方案
該方案可謂是一種低成本心率監(jiān)測(cè)方案，主要基于MSP430 LaunchPad Value Line開發(fā)套件（MSP-EXP430G2）。硬件系統(tǒng)是一塊可連接到Lanuchpad開發(fā)工具包的子板。這塊子板有模擬前端、電池連接器、排針等，MSP430G2xx微控制器（MCU）、反向通道UART以及eZ430射頻電路、USB接口等都在Launchpad上。心電圖信號(hào)在被送到MCU取樣和處理之前已經(jīng)被子板放大和過濾，每分鐘心跳數(shù)據(jù)通過Lanuchpad上的反向通道UART-overUSB傳送給MCU。
圖6：MSP430 LaunchPad Value Line開發(fā)套件
（圖源：TI）
考慮到心電圖信號(hào)峰峰值僅為1mV左右，而來自ECG主電源的50Hz至60Hz電容耦合干擾要比心臟信號(hào)強(qiáng)許多。此外，身體皮膚的接觸阻抗以及傳感器之間的阻抗不匹配，也會(huì)導(dǎo)致信號(hào)出現(xiàn)較大的偏差以及共模抑制能力的下降。接觸噪聲以及電磁源產(chǎn)生的干擾也是一個(gè)令人頭疼的問題。這些因素對(duì)檢測(cè)低頻、低幅的心電圖信號(hào)會(huì)帶來嚴(yán)重困擾。
為此，TI設(shè)計(jì)了一個(gè)擁有高增益、低截止頻率的模擬前端。為達(dá)到消除共模信號(hào)同時(shí)放大輸入的心電圖信號(hào)，方案中選用的INA332儀表放大器是一個(gè)低成本的差分放大器，其共模抑制比對(duì)于頻率小于10 kHz信號(hào)為73 dB，靜態(tài)電流為490 μA，關(guān)機(jī)電流小于1μA。
另外，該放大器還有一個(gè)專門的關(guān)機(jī)引腳，其最低工作電壓可低至2.7V。在該方案中TI選用了TLV274作為構(gòu)建Sallen-Key低頻濾波器的運(yùn)放。TLV274是一個(gè)四核運(yùn)放，工作電流550μA/通道，最小工作電壓是2.7V，共模抑制比為58dB。利用TLV274運(yùn)放做成的二階Sallen-Key濾波器，每級(jí)的電壓增益是8.5V/V，整個(gè)模擬前端的電壓增益是10 X 8.5 X 8.5 = 722.5V/V，截止頻率是16Hz。作為一個(gè)預(yù)防措施，在模擬前端的傳導(dǎo)墊上還放置了保護(hù)二極管TPD2E001，用來保護(hù)在人體靜電放電（ESD）情況下器件不受損壞。
結(jié)語
生命體征是人體基本功能的測(cè)量值，可用于評(píng)估人體的一般身體健康狀況。隨著技術(shù)的發(fā)展，新一代的生命體征傳感器將更加小巧、集成度更高、成本更低，并且還可以感測(cè)多個(gè)參數(shù)，提供更精確的測(cè)量。還是以ECG為例，如今一種無需測(cè)量生物電信號(hào)就能獲得心臟功能信息的光學(xué)技術(shù)——光體積變化描記圖法（Photoplethysmography，PPG）傳感已經(jīng)開發(fā)出來了，這是一種借助光電手段在活體組織中檢測(cè)血液容積變化的無創(chuàng)檢測(cè)方法。該技術(shù)可用在小型非侵入式可穿戴設(shè)備（如健身腕帶或手指夾脈搏血氧計(jì)），提供可接受的精度，還可以對(duì)組織狀況和器官功能進(jìn)行推斷。
捕獲來自傳感器的信號(hào)以創(chuàng)建任何應(yīng)用的信息數(shù)據(jù)，需要對(duì)信號(hào)鏈中的每個(gè)組成部分有良好的理解。從傳感器開始，一直到放大器和ADC，每一個(gè)元器件的選擇都非常重要。可喜的是，目前市場上已經(jīng)有很多單芯片模擬前端可供選用，它們能有效簡化設(shè)計(jì)并縮短醫(yī)療電子產(chǎn)品的上市時(shí)間。
醫(yī)療電子是醫(yī)療器械行業(yè)極其重要的一部分。它以現(xiàn)代電子技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)為基礎(chǔ)，為專業(yè)的臨床診斷、治療、生化分析、監(jiān)測(cè)、康復(fù)提供助力。根據(jù)MarketWatch的最新數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì)到2028年，全球醫(yī)用電子產(chǎn)品市場規(guī)模將從2021年的1,617.3億美元增至2,203.7億美元，2022-2028年的復(fù)合年增長率為4.7%。糖尿病、癌癥、心血管疾病和慢性阻塞性肺病是醫(yī)療電子產(chǎn)品大量使用的主要領(lǐng)域，是推動(dòng)市場增長的關(guān)鍵因素。與簡單的醫(yī)療保健器具不同，醫(yī)療電子產(chǎn)品開發(fā)難度高，但附加值大，市場前景廣闊，正被越來越多的行業(yè)企業(yè)所重視。
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