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医疗电子信号链设计难不难?两款ECG方案为例,回答你……

关键词:医疗电子 ECG

时间:2023-04-03 11:13:43      来源:贸泽电子微信公众号

医疗电子是用于诊断和治疗健康的电子仪器和设备,它是应用于医学和生物学的嵌入式系统设计。为了满足医疗电子的需求,以前主要用于工业领域的各种传感器如今已大量用于诊断和治疗自发性疾病和生理障碍。温度、湿度、压力传感器、热敏电阻等传感元件被证明是执行医疗解决方案所必需的电子器件。

医疗电子是用于诊断和治疗健康的电子仪器和设备,它是应用于医学和生物学的嵌入式系统设计。为了满足医疗电子的需求,以前主要用于工业领域的各种传感器如今已大量用于诊断和治疗自发性疾病和生理障碍。温度、湿度、压力传感器、热敏电阻等传感元件被证明是执行医疗解决方案所必需的电子器件。这些传感器产生的信号通常是低振幅、非线性且包含较强的固有噪声,在大多数情况下,它们需要从真实世界的模拟形式转换为数字值才能发挥真正的作用。此时,能够净化和转换这些原始测量值的信号链电路在满足医疗电子需求方面发挥着至关重要的作用。

医疗电子设备中有哪些信号链产品?

每一种医疗电子产品都有特定的功能,它们通过使用模拟或数字传感器实现数据采集。当与现实世界交互时,这些传感器产生的信号通常很小且有噪声,需要高性能放大器和转换器来测量、调节和处理它们。

其中,可能需要一个或多个放大器对信号进行放大,还可能需要多个滤波器用于获取特定频率范围内的信号,最后是模数转换器(ADC),以对调节后的信号进行采样和数字化,便于后续处理或存储。逐次逼近寄存器(SAR)或∑-ΔADC非常适合对滤波和放大信号进行数字化采样。SAR ADC往往具有比∑-ΔADC更低的延迟,但最大采样率通常较低。∑-ΔADC的优势包括高分辨率和高功率效率,并且通常还集成了滤波器、多路复用器或输入缓冲器等附加功能。

总结下来,在医疗电子设备中,通用的信号链器件主要包括:传感器、放大器、滤波器和ADC。

医用电子设备中的传感器技术

用于诊断、监测或治疗医学领域疾病的传感器被称为医学传感器。医疗设备中使用的传感器主要有压力、气流、氧气、温度、心率传感等。

比如,温度传感器常用于测量体温的温度计中。与需要大量信号处理的热敏电阻和RTD温度传感器相比,常被用于体温计的硅基数字温度传感器具有更高的线性度、稳定性和易用性。尽管它们的温度范围较窄(通常为-20℃--70℃),但这对于医疗电子设备和可穿戴设备的体温监测来说绰绰有余。

Analog Devices的MAX30208是一款临床级数字温度传感器,温度测量点在封装的顶部,便于贴着皮肤表面放置,受自热影响小。I2C接口允许多个传感器的菊花链连接,可在身体上的多个点位监测体温。MAX30308测量体温在±0.1℃以内,并包含集成信号链电路和32位FIFO,以简化与主机处理器的交互。


图1:MAX30208评估套件MAX30208EVSYS(图源:Analog Devices)

TE公司的TSYS03属于微型数字温度传感器,尤其适合可穿戴设备应用。该传感器提供经工厂校准的高准确度温度数据,分辨率为±0.01℃,有TDFN8或XDFN6两种封装可供选择,还包含耐用的温度传感器元件、模数转换器和微控制器。


图2:TSYS03微型数字温度传感器(图源:TE)

压力传感器在医疗电子中的应用非常广泛,可用在输液泵、血压计和睡眠呼吸暂停机等设备中。TE的FX29是一种紧凑型压力传感器,在具有毫伏、模拟或数字输出信号的坚固的传感器系列中展现出了出色的性价比,并针对嵌入式力传感应用进行了优化,包括一次性医疗设备和健身器材。


图3:FX29压力传感器(图源:TE)

心率传感器也称为心率监测器,它是一种个人监测设备,允许用户实时跟踪和显示他/她的心率,该传感器有光学和电气两种方式。

目前,集成式光学传感器正在逐渐成为市场的主流,尤其是可穿戴式产品,它们更倾向于选择这一类传感器。ADI公司的MAX86160为集成式心率监测传感器模块,包括内部LED、光电探测器和低噪声电子电路,具有高动态范围环境光抑制能力,并配备即插即用软件和可靠算法,用户只需最少的设计工作,即可获得信息丰富的输出,满足移动、可穿戴及智能耳戴式心率监测功能的需求。


图4:MAX86160评估板(MAX86160EVSYS)提供经过验证的设计,用于评估MAX86160集成心率监测传感器模块(图源:Mouser)

医疗传感器在医疗设备的安全操作中发挥着关键作用,那些智能医疗设备利用最新的传感器技术,提高精度、重复性、降低功耗和数字输出。在医疗设备领域,非侵入式和非接触式传感器技术的应用范围更加广泛。

考虑到应用场景的特殊性,医疗传感器在设计时需同时考虑机械和电气两个方面的特性。其中,设备的耐受性(或耐用性)是首先需要考虑的一个重要特性。小型化是医疗传感器选型时需要考虑的另一个重要因素。高精度的测量是选择医疗传感器的极重要的电特性指标。由于医院内的医疗设备通常需要使用5年或10年,因此,在高精度之外,传感器的稳定性一定要高,并且测量数值要能够长期保持高稳定性。

超实用的ECG信号链设计方案

信号链路是指一个系统中信号从输入到输出的路径,重点针对模拟信号完成收发、转换、放大、过滤等功能。除了上述介绍的传感器,信号链模拟芯片主要包括运算放大器、滤波器、转换器、接口和隔离器等。下面我们以心电图(ECG)方案为例,结合具体应用介绍医疗电子设备中信号链的设计考虑。

就监测心脏活动而言,临床级监测器传统上依赖于来自连接在身体上的多个传感器的ECG信号。ECG系统通过测量活组织表面电位来记录心脏在一段时间内的电性活动,它使用生物电位电极来拾取身体特定部位的心脏信号,两个电极间的差分电压或某一电极与多电极平均电压之间的差分电压可在测量后显示为ECG输出上的一个通道。

设计ECG系统时,需要克服各种挑战,例如安全、共模抑制、直流偏置、RFI(射频干扰)/EMC(电磁兼容性)、输入保护和等效输入噪底。模拟前端(AFE)的主要功能是将心脏信号数字化。由于需要抑制来自强射频源、起搏信号、导联脱落信号、共模频率、其他肌肉信号及电噪声的干扰,该过程十分复杂。

通常,AFE包括仪表放大器(INA)、滤波器和ADC。ECG架构设计方法有两种:交流耦合和直流耦合。今天介绍的两个方案均属直流耦合方案。

1. ADI心电图解决方案

ADI公司为ECG设计提供了种类齐全的高性能线性、混合信号、微机电系统(MEMS)和数字信号处理技术。方案中的模拟前端使用了ADAS1000芯片,该产品为低功耗、5电极AFE,工作功率低至19mW。它将驱动放大器、交流和直流导联脱落检测、屏蔽驱动以及呼吸测量、起搏器脉搏检测所需的全部电路集成在单芯片上,噪声极低(10μV峰峰值,0.05Hz至150Hz)。ADAS1000将有源元件数从50多个减少至仅一个,大大简化了5电极ECG的设计,非常适合家用、移动式和临床ECG系统。

运算放大器是线性产品的基本构建模块之一,在其信号处理范围内,通常可以认为是线性器件,即增益不随信号的幅度变化而变化。本方案中,ADI采用的是AD8221/AD8226高性能仪表放大器,增益为1--1,000,拥有高CMMR和单位增益稳定性。


图5:ADI公司ECG系统信号链功能框图(图源:Analog Devices)

在ADI的ECG方案中,根据性能需要有两种ADC可供选择。其中的AD7691是18位1.5 LSB INL、250KSPS PulSAR差分ADC,与400 KSPS版本AD7690引脚兼容。更高分辨率、更低INL,适合高精度采样系统。AD7980是一款16位、1MSPS、1.5 LSB(24 ppm)PulSAR差分ADC,与18位版本AD7982引脚兼容。

2. TI心电图解决方案

该方案可谓是一种低成本心率监测方案,主要基于MSP430 LaunchPad Value Line开发套件(MSP-EXP430G2)。硬件系统是一块可连接到Lanuchpad开发工具包的子板。这块子板有模拟前端、电池连接器、排针等,MSP430G2xx微控制器(MCU)、反向通道UART以及eZ430射频电路、USB接口等都在Launchpad上。心电图信号在被送到MCU取样和处理之前已经被子板放大和过滤,每分钟心跳数据通过Lanuchpad上的反向通道UART-overUSB传送给MCU。


图6:MSP430 LaunchPad Value Line开发套件(图源:TI)

考虑到心电图信号峰峰值仅为1mV左右,而来自ECG主电源的50Hz至60Hz电容耦合干扰要比心脏信号强许多。此外,身体皮肤的接触阻抗以及传感器之间的阻抗不匹配,也会导致信号出现较大的偏差以及共模抑制能力的下降。接触噪声以及电磁源产生的干扰也是一个令人头疼的问题。这些因素对检测低频、低幅的心电图信号会带来严重困扰。

为此,TI设计了一个拥有高增益、低截止频率的模拟前端。为达到消除共模信号同时放大输入的心电图信号,方案中选用的INA332仪表放大器是一个低成本的差分放大器,其共模抑制比对于频率小于10 kHz信号为73 dB,静态电流为490 µA,关机电流小于1µA。

另外,该放大器还有一个专门的关机引脚,其最低工作电压可低至2.7V。在该方案中TI选用了TLV274作为构建Sallen-Key低频滤波器的运放。TLV274是一个四核运放,工作电流550µA/通道,最小工作电压是2.7V,共模抑制比为58dB。利用TLV274运放做成的二阶Sallen-Key滤波器,每级的电压增益是8.5V/V,整个模拟前端的电压增益是10 X 8.5 X 8.5 = 722.5V/V,截止频率是16Hz。作为一个预防措施,在模拟前端的传导垫上还放置了保护二极管TPD2E001,用来保护在人体静电放电(ESD)情况下器件不受损坏。

结语

生命体征是人体基本功能的测量值,可用于评估人体的一般身体健康状况。随着技术的发展,新一代的生命体征传感器将更加小巧、集成度更高、成本更低,并且还可以感测多个参数,提供更精确的测量。还是以ECG为例,如今一种无需测量生物电信号就能获得心脏功能信息的光学技术——光体积变化描记图法(Photoplethysmography,PPG)传感已经开发出来了,这是一种借助光电手段在活体组织中检测血液容积变化的无创检测方法。该技术可用在小型非侵入式可穿戴设备(如健身腕带或手指夹脉搏血氧计),提供可接受的精度,还可以对组织状况和器官功能进行推断。

捕获来自传感器的信号以创建任何应用的信息数据,需要对信号链中的每个组成部分有良好的理解。从传感器开始,一直到放大器和ADC,每一个元器件的选择都非常重要。可喜的是,目前市场上已经有很多单芯片模拟前端可供选用,它们能有效简化设计并缩短医疗电子产品的上市时间。

医疗电子是医疗器械行业极其重要的一部分。它以现代电子技术和半导体技术为基础,为专业的临床诊断、治疗、生化分析、监测、康复提供助力。根据MarketWatch的最新数据,预计到2028年,全球医用电子产品市场规模将从2021年的1,617.3亿美元增至2,203.7亿美元,2022-2028年的复合年增长率为4.7%。糖尿病、癌症、心血管疾病和慢性阻塞性肺病是医疗电子产品大量使用的主要领域,是推动市场增长的关键因素。与简单的医疗保健器具不同,医疗电子产品开发难度高,但附加值大,市场前景广阔,正被越来越多的行业企业所重视。

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