浅析便携式医疗设备中的信号调整

 现今的医疗便携设备方便病人自行诊疗、自由走动，甚至可在外出时使用设备。便携式电子医疗设备要实现“方便携带”的特色功能，就必须具备微型化和低功耗的特性。

此外，这些设备还要有极高的精度以确保病人的安全。医疗设备采用多种不同的传感器来监视病人的健康状况，然后传感器将生理信号转换成电子信号供电子设备分析使用。由于医疗设备中传输的信号都比较微弱，而且还会受到诸多噪声源的干扰，因此信号路径设计对便携式医疗设备就显得格外重要了。本文将针对心电图机和血糖测量仪这两种设备应用，讨论如何将传感器与匹配的PowerWise放大器相连接，以便延长电池寿命和提高诊疗安全性。

心电图机的操作原理

心电图机(ECG)可实时记录病人的心跳活动。心跳信号是通过三个连接到病人身体的电极测量出来。图1所示为其中一个电极输出的ECG信号，图中包含有五个测量点，分别是Q、P、R、S、和T，这些测量点可用来诊断病人患上心脏病的可能性。

 

 

从电极收集回来的信号处于在400μV到最高5mV的范围内，并在0.05Hz 和100Hz 下带有3dB转角频率。这类信号一般都会受到不少的干扰，例如电极的接触噪声、电源线路噪声(50MHz)、呼吸、肌肉活动、以及来自其他电子器件的干扰。

ECG的信号调整

正如上述所说，ECG的信号路径必须能调理不同来源的噪声。对抗直流电噪声，可以使用高通滤波器。然而，最令人头痛的是50Hz的噪声，因为它刚好与我们收集的信号频率处于相同范围。要消除这个共模噪声，需要建立一个测量仪表放大器。这个配置之所以很理想是因为它可在抑制共模电压的同时放大有用的差分信号，这利于把微弱的有效信号从背景噪声中分隔出来。正如图2所示，这个仪表放大器是用LMP2234(四通道、微功率、高精度的RRO运算放大器)和高精度的电阻器(0.1%)实现出来。

 

 

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工艺技术制成，即绝缘硅BiCMOS工艺。用这种工艺制作出来的超低功耗放大器非常适合电池供电的低功耗应用。该工艺具有1.8到5.5V 的操作电压范围和36μA的静态电流，利于延长便携系统中电池的寿命。LMP2234是LMP高精度放大器家族的成员，其高阻抗CMOS输入使它成为测量仪表和其他传感器接口应用的理想选择。

由于来自电极的信号幅度极低，放大器的直流参数便显得很重要。LMP2234的最高偏移电压为 150V(典型值为10 V)，而偏移电压漂移温度系数和偏置电流分别仅为0.3 μV/℃和±20 fA。这些高精度的严格规格使LMP2334在维持系统常精度和长期稳定性方面有相当出色的表现。

这个测量仪表放大器包含有两个级。最后一个级(亦即输出级)是一个差分放大器，它能够拒绝直流电平以及同时影响两个输入的干扰和噪声电压源。由两个放大器组成的第一级(亦即是输入级)则被配置成一个可将输入隔离的缓冲器。可是，基于放大器间的失配使它们彼此不能相互连接，所以要在两个放大器之间加装平衡电阻。将两个级的增益相乘便可得出测量仪表放大器的增益。理论上，共模抑制比(CMPR)应该是无限大，但由于出现电阻失配，导致输出级的非零共模增益非常小。在电路的输入级中，流经所有电阻的电流是一样的。这都有赖于LMP2234具有高输入阻抗和低输入偏置电流的特点。

输出电压被定义成：

 

 

输入信号的最大幅度仅为5mV，但为了建立增益，我们必须考虑到电极的直流偏移电压，它有时甚至可高至±300mV。LMP2234的轨到轨输出可从电源电压轨摇摆至15mV，从而增加了系统的动态范围。此外，由R10和R11组成的偏置分压器可提供一个电压，该电压恰好等于正确诊段病人体征所需电源电压的一半。

正如图3所示，会采用一个高通滤波器来抑制能够引致下一个增益级饱和的直流器件。这个高通滤波器的截止频率为0.5Hz。该滤波器采用二阶Sallen Key型的 Butterworth 拓扑技术来实现。至于第二级是一个低通滤波器，其拥有100Hz的截止频率和100的增益，并且同样以Sallen Key 拓扑来实现。诸Sallen Key 类的模拟滤波器是围绕着有电阻器和电容器的运算放大器而建立。当中没有采用电感器是因为它体积过大、笨重和不够完美。

 

 

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

两个滤波器都是采用低功耗的运算放大器LMV552来实现，而这款放大器是采用美国国家半导体VIP50工艺制成。拥有3MHz的带宽，同时每个放大器仅需消耗34μA的电流，带宽/功耗比是同级运算放大器中最高的。LMV552拥有一个轨到轨输出级和一个扩展到接地以下的输入共模范围，操作电源电压范围是 2.7V到5.5V。

用电池操作的系统需要一个直流/直流升压来提供信号路径所需的3.3V电压。LM2623是一款高效率的通用式升压直流-直流开关稳压器，专门应用于采用电池供电的低输入电压系统。这款稳压器可接受8V到14V的输入电压并把它们转换成1.24V到14V的稳定输出电压。配合LM2623，系统的效率可高达90%。

假如系统要求有病人安全性隔离，可通过采用伽伐尼隔离(galvanic isolation)、光电耦合电容和磁耦合来实现。本文虽然着重讨论ECG的前端，但在开发医疗电子系统时，安全标准问题不容忽视。

蓝牙传输

心跳的记录可以用无线传送到电脑、移动电话或PDA中。蓝牙技术稳定可靠、简单易用，成本经济，而且覆盖范围广，因此在病人监视方面成为普遍采用的无线技术。

美国国家半导体的LMX9838蓝牙串行端口模块是一款高度集成的器件，当中包含有蓝牙2.0基带控制器、2.4GHz的无线电机、晶体、天线、LDO和分立元件。该蓝牙节点功能完整，而且体积小巧(10 mm x 17 mm x 2.0 mm)。

在这个完整的方案中包括硬件和软件，适用于具有完整的高低蓝牙堆叠层的天线、通用存取规范(GAP)、服务发现应用规范(SDAP)和串行端口规范 (SPP)等的应用。该模块包含有一个可配置的服务数据库以便迎合主控上的附加服务规范要求。此外，LMX9838通过了蓝牙终端产品认证，无需再通过任何测试或支付技术牌照费就可以直接使用到最终应用上。

基于美国国家半导体的CompactRISC 16位处理器架构和数字智能无线电技术，LMX9838作为一个优化解决方案可以完全满足蓝牙节点所需的数据处理和链路管理要求。

另一例子：血糖测量仪

血糖测量仪是针对患糖尿症病人的重要设备。血糖控制无疑可有助于降低病患的风险，改善病人的生活品质。血糖测量通常有两个方法：反射光度测量和电化学。在光学方法中，血糖与试纸上的另一化合物产生反应后会产生某种颜色记号，其颜色的深浅程度会与血糖的浓度成正比。反射光度测量的原理是通过量度LED的反射光线来量化颜色的深度：血糖浓度越高，反射出来的光线便越弱。LED会捕捉光线并把它转换成电子信号。

 

 

然而，大多数的血糖测量仪都采用以氧化作用为基础的电化学方法。在这一方法中，血糖传感器是一张包含有酶和三个电极的试纸。其中的两个电极用来作测量，另一个则用来作参考。当血液样品放在试纸上时，电子会被传送到电极。电化学会量化电子的数量：所产生的电子数量会与血糖的浓度成正比。当一个参考电压(典型为 200mV)施加到试纸上时，电子会被转换成一个与血糖浓度成比例的电流，这种方法被称作电流分析法。不过，产生出来的电流相当微弱，一般介乎μA 到 nA级，并需要再转换成一个可供处理的电压。

图5所示为一个完整方案的框图，该系统是由电池供电并可使用LM2623来提供3.3V的电源电压。通过电极量度出来的电流之后会经由一个运算放大器被转换成一个电压，这个电压再被送到微控制器处理，最后显示在LCD荧幕上。

R1= 47 kΩ and R2= 3 kΩ， RF= 25 kΩ

 

 

接下来再深入探讨一下这个由一个跨阻放大器来实现的电流到电压的转换。这种拓扑的增益会以输出电压和输入电流的比例来量度，意即反馈电阻器 Rf 必须够大至可检测到细小的电流。然而，放大器输入的电容(Cin)加上反馈电阻器(Rf)便产生出一个相位落后，而这个落后会导致增益峰值出现并影响电路的稳定性。电容器Cf是用来产生一个极和增加相角的稳定裕度。此外，此电容器亦可用来限制带宽，从而实现对噪声的抑制。正如前文提及的，传感器输出的电流是非常微弱的，这意味放大器必须有极高精度的规格。首先，使用中放大器的电流噪声必须很低，因此带有10 fA/sqrt(Hz)的LMP2232是最佳的选择。

另一个需要注意的参数是放大器的偏置电流，尤其是当反馈电阻很大时，此参数显得尤为重要。此外，偏移电压的影响亦同样重要，来自这两个参数的误差可计算成Verror = Vos + Ib x Rf。LM2232在工作温度范围下的偏移电压和偏置电流分别为230μV (典型值为10μV) 和 50pA (典型值为20fA)。因此，LM2232可谓此类应用的最佳选择。

正如上述指出的，这一放大器是一个微功率组件，双通道型号只仅消耗13μA的电流。

结论

无论是心电图还是血糖测量应用，对便携医疗设备来说最重要的都是保证病人的安全和移动的便利性。在设计系统的时候，超低功耗和超高精度都是不可妥协的要求。上述两个例子显示出美国国家半导体产品在精度、功耗、尺寸和灵活性等方面具有优势。