淺談如何滿(mǎn)足便攜式醫療設備的安全性設計

現今的醫療便攜設備方便病人自行診療、自由走動(dòng)，甚至可在外出時(shí)使用設備。便攜式電子醫療設備要實(shí)現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，這些設備還要有極高的精度以確保病人的安全。醫療設備采用多種不同的傳感器來(lái)監視病人的健康狀況，然后傳感器將生理信號轉換成電子信號供電子設備分析使用。

由于醫療設備中傳輸的信號都比較微弱，而且還會(huì )受到諸多噪聲源的干擾，因此信號路徑設計對便攜式醫療設備就顯得格外重要了。本文將針對心電圖機和血糖測量?jì)x這兩種設備應用，討論如何將傳感器與匹配的PowerWise放大器相連接，以便延長(cháng)電池壽命和提高診療安全性。

心電圖機的操作原理

心電圖機(ECG)可實(shí)時(shí)記錄病人的心跳活動(dòng)。心跳信號是通過(guò)三個(gè)連接到病人身體的電極測量出來(lái)。圖1所示為其中一個(gè)電極輸出的ECG信號，圖中包含有五個(gè)測量點(diǎn)，分別是Q、P、R、S、和T，這些測量點(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)的信號處于 在400μV到最高5mV的范圍內，并在0.05Hz 和100Hz 下帶有3dB轉角頻率。這類(lèi)信號一般都會(huì )受到不少的干擾，例如電極的接觸噪聲、電源線(xiàn)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。

ECG的信號調整

正如上述所說(shuō)，ECG的信號路徑必須能調理不同來(lái)源的噪聲。對抗直流電噪聲，可以使用高通濾波器。然而，最令人頭痛的是50Hz的噪聲，因為它剛好與我們收集的信號頻率處于相同范圍。要消除這個(gè)共模噪聲，需要建立一個(gè)測量?jì)x表放大器。

這個(gè)配置之所以很理想是因為它可在抑制共模電壓的同時(shí)放大有用的差分信號，這利于把微弱的有效信號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運算放大器)和高精度的電阻器(0.1%)實(shí)現出來(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(cháng)便攜系統中電池的壽命。LMP2234是LMP高精度放大器家族的成員，其高阻抗CMOS輸入使它成為測量?jì)x表和其他傳感器接口應用的理想選擇。

由于來(lái)自電極的信號幅度極低，放大器的直流參數便顯得很重要。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和偏置電流分別僅為0.3 μV/℃和±20 fA。這些高精度的嚴格規格使LMP2334在維持系統常精度和長(cháng)期穩定性方面有相當出色的表現。

這個(gè)測量?jì)x表放大器包含有兩個(gè)級。最后一個(gè)級(亦即輸出級)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(亦即是輸入級)則被配置成一個(gè)可將輸入隔離的緩沖器。

可是，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)級的增益相乘便可得出測量?jì)x表放大器的增益。理論上，共模抑制比(CMPR)應該是無(wú)限大，但由于出現電阻失配，導致輸出級的非零共模增益非常小。在電路的輸入級中，流經(jīng)所有電阻的電流是一樣的。這都有賴(lài)于LMP2234具有高輸入阻抗和低輸入偏置電流的特點(diǎn)。

輸入信號的最大幅度僅為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 拓撲技術(shù)來(lái)實(shí)現。至于第二級是一個(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 拓撲來(lái)實(shí)現。諸Sallen Key 類(lèi)的模擬濾波器是圍繞著(zhù)有電阻器和電容器的運算放大器而建立。當中沒(méi)有采用電感器是因為它體積過(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算放大器LMV552來(lái)實(shí)現，而這款放大器是采用美國國家半導體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/功耗比是同級運算放大器中最高的。LMV552擁有一個(gè)軌到軌輸出級和一個(gè)擴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。

用電池操作的系統需要一個(gè)直流/直流升壓來(lái)提供信號路徑所需的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)穩壓器，專(zhuān)門(mén)應用于采用電池供電的低輸入電壓系統。這款穩壓器可接受8V到14V的輸入電壓并把它們轉換成1.24V到14V的穩定輸出電壓。配合LM2623，系統的效率可高達90%。

假如系統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。本文雖然著(zhù)重討論ECG的前端，但在開(kāi)發(fā)醫療電子系統時(shí)，安全標準問(wèn)題不容忽視。