基于超小型ADC的低功耗醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)

目前醫(yī)療設(shè)備的發(fā)展正在徹底變革家庭醫(yī)療保健市場(chǎng)，人們無(wú)需離開家門就能診斷出各種健康狀況。技術(shù)的發(fā)展使得便攜式自助護(hù)理保健系統(tǒng)成為現(xiàn)實(shí)，這些系統(tǒng)可以幫助人們監(jiān)視諸如血壓、血糖和體溫等重要指標(biāo)。
   
    家庭醫(yī)療監(jiān)察和監(jiān)視系統(tǒng)可以幫助人們掌控自己的健康狀況，但是這些醫(yī)療設(shè)備必須快速和高效率，并能在最重要的時(shí)候保證工作。隨著便攜式醫(yī)療傳感器的發(fā)展，更長(zhǎng)電池壽命和更小外形尺寸的需求對(duì)非組織入侵式護(hù)理來(lái)說(shuō)變得愈加關(guān)鍵。
   
    醫(yī)療測(cè)量設(shè)備一般需要整合多種信號(hào)調(diào)節(jié)電路，包括放大器、濾波、參考源和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)等，才能分辨和識(shí)別傳感器信號(hào)。除了小尺寸外，讀取傳感器輸出的模擬電路要求低功率工作也很重要，這樣才能提供更長(zhǎng)的電池壽命和更多的讀取次數(shù)。隨著更小更快的模擬IC的上市，通過(guò)墻上插座供電的小型、低功率醫(yī)療設(shè)備也變得越來(lái)越流行。

    要求小尺寸和低功耗解決方案的醫(yī)療設(shè)備例子包括血液分析系統(tǒng)、脈搏血氧計(jì)、數(shù)字X射線和數(shù)字體溫計(jì)等等。
   
    醫(yī)療測(cè)量使用的模擬電路
   
    有些醫(yī)療測(cè)量需要模擬電路連續(xù)運(yùn)行，并且每秒要取得數(shù)千甚至數(shù)百萬(wàn)個(gè)讀數(shù)。而有的應(yīng)用每天僅需要讀取一次。就這些偶然性測(cè)試而言，模擬電路僅需加一次電進(jìn)行測(cè)量，然后在一天的剩余時(shí)間中一直處于空閑狀態(tài)，此時(shí)可令其進(jìn)入低功率“休眠”模式。
   
    模擬IC的選擇取決于傳感器讀數(shù)的頻繁程度。模擬電路的核心是將來(lái)自傳感器的模擬讀數(shù)最終轉(zhuǎn)換成數(shù)字結(jié)果的ADC，數(shù)字結(jié)果可儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器中或顯示在屏幕上。就大多數(shù)便攜式醫(yī)療傳感器應(yīng)用而言，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的最佳選擇將是逐次逼近型寄存器(SAR)ADC。
   
    選擇這類ADC有很多理由。首先，SAR ADC非常適用于測(cè)量從零赫茲 (穩(wěn)定狀態(tài)) 直到幾兆赫茲的信號(hào)。這些ADC還具有快速響應(yīng)和低延遲性能，是測(cè)量單個(gè)輸入或多個(gè)輸入的理想選擇。另一個(gè)關(guān)鍵因素是功率。與閃存或管線型ADC不同的是，SAR ADC的功耗將隨采樣率的變化而改變。因此，以每秒1萬(wàn)次采樣(10ksps)運(yùn)行的ADC所需的功耗將低于以100ksps運(yùn)行的功耗，而且功率節(jié)省非常顯著。例如，一個(gè)以每秒幾百萬(wàn)次采樣(Msps)速度轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的SAR ADC可能消耗幾毫安電流，而相同的SAR ADC以1ksps或更低采樣率運(yùn)行時(shí)可能僅消耗幾十微安電流。

   脈搏血氧計(jì) 
   
    脈搏血氧計(jì)就是受益于SAR ADC為核心的一個(gè)醫(yī)療應(yīng)用例子。這種設(shè)備用于測(cè)量與病人血液中的血紅蛋白相當(dāng)?shù)难鹾?。脈搏血氧計(jì)檢測(cè)動(dòng)脈中的血液脈動(dòng)，因此還能計(jì)算病人的心律。一對(duì)發(fā)光二極管(LED)通過(guò)病人身體的半透明部分(通常是指尖)對(duì)著一個(gè)光電二極管。一個(gè)光發(fā)射器用660nm的波長(zhǎng)觸發(fā)一個(gè)紅色LED，同時(shí)用940nm的波長(zhǎng)觸發(fā)一個(gè)紅外線LED。光電二極管接收這兩個(gè)信號(hào)，并將光致電流轉(zhuǎn)換成電壓。然后由ADC測(cè)量這個(gè)電壓，從而在光通過(guò)病人身體后基于每種波長(zhǎng)光的吸收率讀出血氧百分?jǐn)?shù)(參見圖 1)。接下來(lái)通常是跨過(guò)一個(gè)隔離裝置將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行儲(chǔ)存或在監(jiān)視器上顯示。

    圖1所示的凌力爾特公司LT6202放大器提供了增益帶寬(100MHz)和低壓噪聲(1.9nV/Hz)的良好組合，同時(shí)僅消耗2.5mA電流。它還具有0.75pA/Hz的低電流噪聲，在小信號(hào)應(yīng)用中具有超低的總體噪聲和失真功率。這個(gè)放大器規(guī)定用3V、5V和±5V電源工作。

 

    采樣LT6202輸出的是一個(gè)12位3Msps SAR ADC。LTC2366是采樣率從100ksps到3Msps、引腳和軟件完全兼容的微型ADC系列成員。這個(gè)系列的ADC在3Msps時(shí)僅消耗7.8mW功率，在100ksps時(shí)為1.5mW，在休眠模式時(shí)僅為0.3μW。LTC2366的特點(diǎn)是沒(méi)有數(shù)據(jù)通過(guò)延遲，因此在同一時(shí)鐘周期內(nèi)即可獲得采樣數(shù)據(jù)。該器件通過(guò)一個(gè)3線 SPI/Microwire 兼容接口提供采樣結(jié)果。

    LTC2366采用ThinSOT 6引腳或8引腳封裝(8.1mm2)，有助于脈搏血氧計(jì)的總體解決方案尺寸保持最小。在3Msps時(shí)，它具有足夠富裕的采樣帶寬，能夠通過(guò)放大器和光電二極管電流正確地采樣電壓。LTC2366在單3V 電源下工作，可由單節(jié)鋰離子電池、多節(jié)AA電池或者希望以低功率運(yùn)行的墻上供電系統(tǒng)供電。

    LTC236x系列共有5 種ADC，包括3Msps的LTC2366、1Msps的LTC2365、500ksps的LTC2362、250ksps的LTC2361和100ksps的LTC2360。上述采樣率都是每個(gè)ADC的最高采樣率。對(duì)于不需要以3Msps運(yùn)行的應(yīng)用而言，每個(gè)LTC236x ADC 可在更低的采樣率下進(jìn)一步節(jié)省功率。圖2詳細(xì)描述了3個(gè)較低速版本ADC的電源電流與采樣率的關(guān)系?；赟AR ADC本身內(nèi)核設(shè)計(jì)的原因，隨著采樣率的減小，功耗將迅速下降。

 

    數(shù)字 X 射線成像

    另一種需要快速ADC的醫(yī)療應(yīng)用實(shí)例是數(shù)字X射線成像，包括牙科X射線、計(jì)算機(jī)控制軸向X射線斷層攝影術(shù)(CAT掃描) 或用于全身掃描的醫(yī)用核磁共振成像等。X射線設(shè)備制造商現(xiàn)在不是將圖像儲(chǔ)存在一張膠片上，而是以數(shù)字方式儲(chǔ)存數(shù)據(jù)。醫(yī)生的辦公室或醫(yī)院不再是在文件柜中儲(chǔ)存成千上萬(wàn)張膠片，而是可以非常容易地將結(jié)果儲(chǔ)存到存儲(chǔ)器中，并可迅速查閱病人的病歷。

    采用數(shù)字X射線成像的第二個(gè)積極作用是能夠給患者帶來(lái)舒適感。隨著更快的ADC、傳感器和信號(hào)調(diào)節(jié)模塊的出現(xiàn)，檢查病人酸痛的牙齒或斷裂的骨頭可以快得多，這意味著病人需要保持不動(dòng)的時(shí)間短得多。有了更快的X射線檢查過(guò)程，醫(yī)生辦公室或醫(yī)院還可以在同樣的時(shí)間內(nèi)看更多的病人。 

    數(shù)字X射線一般需要至少12位分辨率和1Msps或更高采樣率的ADC。這種ADC必須有高于或等于刷新率乘以陣列大小所得數(shù)值的采樣率。這種應(yīng)用一般需要多個(gè)ADC以分辨來(lái)自閃爍體的所有光電二極管或CMOS成像電流。一組光電二極管、放大器和ADC用來(lái)對(duì)整個(gè)陣列采樣，如圖3所示。當(dāng)多個(gè)ADC放置在一個(gè)空間受限的區(qū)域內(nèi)時(shí)，有一個(gè)具有快速串行數(shù)據(jù)通信功能的低功率SAR ADC至關(guān)重要。基于73dB信噪比和零數(shù)據(jù)延遲的LTC2366(3Msps)和LTC2365(1Msps)就非常適合數(shù)字 X 射線成像使用。

圖3：X 射線成像設(shè)備原理示意圖

    LTC2366的低功率(3Msps時(shí)為7.8mW)意味著，設(shè)計(jì)師可以使用多個(gè)緊密相鄰的 ADC，而不會(huì)使系統(tǒng)變熱或者干擾讀數(shù)或病人。管線型 ADC 在相同采樣率時(shí)可能消耗 10倍的功率。

    數(shù)字體溫計(jì)

    數(shù)字體溫計(jì)是另一個(gè)可在家庭或醫(yī)院用于病人護(hù)理的小型且價(jià)格不貴的設(shè)備。它們?cè)试S通過(guò)測(cè)量耳膜或放在腋下快速檢查病人體溫。檢測(cè)溫度并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字讀數(shù)的模擬電路可以相當(dāng)簡(jiǎn)單。這種應(yīng)用常常會(huì)用到熱敏電阻，即一個(gè)隨溫度變化而改變的電阻，因?yàn)樗鼘?duì)人體溫度具有最高的靈敏度。

    LTC2450-1是一個(gè)有點(diǎn)兒像SAR ADC的16位delta sigma型ADC，其功率也隨采樣率變化而變化。這種類型的delta sigma ADC非常適合某些醫(yī)療應(yīng)用。例如，LTC2450-1可直接連接到一個(gè)熱敏電阻上(如圖4所示)，提供精確的數(shù)字溫度讀數(shù)。在這個(gè)例子中，一個(gè)固定的10kΩ電阻與一個(gè)取決于溫度并在1kΩ和10kΩ之間變化的熱敏電阻串聯(lián)，允許該ADC測(cè)量寬模擬輸入范圍。LTC2450-1的輸入架構(gòu)允許它測(cè)量高阻抗傳感器，因此可以旁路掉一個(gè)放大器。電阻網(wǎng)絡(luò)與去耦電容器可直接連接到模擬輸入端。

 

    LTC2450-1提供極低的電源電流(隨溫度變化保證最大值為 0.5μA)，使它非常適合用單節(jié)電池工作的數(shù)字體溫計(jì)。大多數(shù)家用數(shù)字體溫計(jì)都會(huì)放在抽屜里，以休眠電流工作，僅偶爾需要加電一次。

    LTC2450-1提供每秒60個(gè)采樣的輸出速率，這對(duì)數(shù)字體溫計(jì)測(cè)量而言足夠用了。它采用2mmx2mm封裝，通過(guò)SPI協(xié)議通信。小封裝尺寸和直接與熱敏電阻連接的能力使得總的模擬解決方案尺寸極小。對(duì)那些希望使用2線協(xié)議的設(shè)計(jì)師而言，也有單端和差分I2C 版本可用。