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便携式血液分析仪与脉搏血氧测定仪的技术与芯片应用

作者:dolphin时间:2011-05-05

当今的便携式医疗设备,无论是血糖仪、数字血压计、血气计、数字脉搏/心率监测仪、数字体温计等设备的开发,都会涉及到电源/电池管理、控制及数据处理、传感器输入的放大及A/D转换、若干类型的显示以及传感器单元本身等5大类芯片或模块。一般来说,上述设备均为电池驱动、微控制器控制的手持设备,并采用不同的生物传感器进行测量。但很明显,由于仪表类型及其特性的设定对传感和处理及信息显示的要求不同,这些芯片的拓扑结构也会有很大差异。原因主要是在设计时要考虑的特征是:超低功耗、高效率(来自对延长电池使用时间的要求)以及短时间响应的高精度(来自使用者对其健康状况了解的紧迫感)。除此以外,额外的要求也必须考虑,如内存容量大小可支持历史波形的纪录长短,电缆线或无线接口可用于将数据下载至家用,医生办公室内的计算机应访问传感器等等,而添加此类特性而不增加功耗是对此类便携式医疗设备应用的重大挑战。
市场闻世的宽范围的高性能微控制器、数字信号处理器(DSP)、运算及缓冲放大器、数据转换器、电源及电池管理、音频放大器以及有线和无线接口元件等产品组合可提供。
据此本文对血液分析仪与脉搏血氧测定仪方案的技术与芯片应用迸行研讨。
1、血液分析仪设计方案的技术与芯片
1.1 血液分析仪功效与测量方法
·功效
如今血液分析仪的革新使其较以往更轻松的实现了快速测量,可对血液进行诸如血气含量、葡萄糖、电解质、血凝结、化学性质、血液学及心脏标记等多种极为重要的化验。同时随着新数字技术的涌现.侵入式血液分析仪将变得便携,并用于进行血液系统中两大新陈代谢紊乱性化验的测量,即葡萄糖与胆固醇。
·测量血液的常用的两大方法
用于测量血液的两大方法是色彩反射法以及机电传感器技术.反射法的模拟前端一般采用光学传感器(LED与光晶体管)及互阻放大器;而使用色彩反射法的测量是基于测试带所反射色彩的强度,从而通过反射光度来实现测定。则血液分析仪要对色彩的改变进行量化并生成一个数字值以表征血液中胆固醇/葡萄糖的浓度。
血液中呈现的胆固醇/葡萄糖与测试带发生化学反应并产生改变,该过程将通过安培计法测量。对于安培计法来说,尤其需要注意对环境温度的测定以实现对测试带特性的补偿。在安培计法中,生物传感器直接连接至互阻放大器。
1.2 血液分析仪测量方案组成

图1
方案测量的次序通常由微控制器进行控制(MCU)。微控制器还进行转换结果的处理,存储测量结果至EEPROM或闪存中并控制其它功能,例如键盘区、实时时钟、声音/语音压缩以及串行通信以连接APC。音频输出通过PWM电路或DAC提供。当得到测量结果时,两种方法都可以产生“嘟嘟”声的指示信号并通过所采用的语音合成器软件(例如ADPCM压缩算法)产生语音指令。测量结果将与测量时间及数据一起以数据日志的形式存储~EEPROM或闪存中,该数据日志还可通过RS-232或USB接口上传至PC。
适用于血液分析仪芯片选择
·MSP430FG461x系列为高精度便携式仪器提供了完全的片系统
MSP430FG461X微控制器(MCU)系列设计用于需要在单个芯片内高度集成智能外设及大内存选项的高精度、实时便携式应用。该MCU的扩展1MB内存模型支持更快的代码执行,可缩短50%的全文存储周期,并缩短25%的外设、闪存或RAM组件的寻址周期。此类MCU的完全配置包括了两个16位计时器、一个高性能12位D/D转换器,双路12位D/A转换器、三今可配置运算放大器,一个通用串行通信接口(USCI)、一个通用同步/异步通信接口(USART).DMA、80个I/O引脚以及一个带稳流充电泵的液晶显示屏(LCD)驱动器.其主要特点;可配置高达120kB闪存/8k8RAM;超低功耗实时时钟(RTC)运转;零功率欠压复位;完全的片上系统,即UART、SPI、、IrDA 与 OPA-ADC-MDA-DAC-OPA;电压可编程LCD驱动器;片上追踪缓冲器与易于使用。
MSP430FG461x系列可在高精度电池供电应用,例如:便携式医疗、便携式工业与低功耗射频。
·串行电压基准RFF31xx系列
RFF31xx系列是精密、低功耗、低压降串行电压基准的产品系列。REF31xx不需要负载电容,但可稳定于任意电容性负载并可吸收/馈送高达10mA的输出电流。无负载状态下,REF31xx系列的工作电压与输出电压间的压降可低至5mV。主要特点:低压降5mV,大输出电流±10mA,高精度0.2%(最大值);低静态电流Io15μA(最大值),卓越的标定漂移性能,即0℃至+70℃时漂移为15ppm/℃(最大值),-40℃至+125℃时漂移为20ppm/℃(最大值),应用在医疗设备、数据采集系统、便携式、电池供电设备与手持测试设备均可。图2为RFF31xx系列在数据采集系统中与微控制器连接中的应用示意图。

图2
·1.8V微功率零漂移CMOS运算放器
OPA333系列CMOS运算放大器采用了自动校准技术,同时提供了随时间和温度变化很小的电压偏置(最大值10μV)以及近乎为零的漂移。该小型化,高精度、低静态电流的运算放大器提供了高阻抗的输入端.支持共模态范围高于电源轨100mV,轨至轨输出摆幅在电源轨50mV之内,可采用单端或双路供电。最低电压+1.8V(±0.9V),最高电压十5.5V(±2.75V)。OPA333系列提供了卓越的共模态抑制比(CMRR),不会产生像传统补偿输入级一样的交越误差。该设计为驱动模数转换器(ADC)提供了卓越的性能且无需降低差分线性度性能。主要特点:偏置电压10μV(最大值),零漂移0.05μV/℃(最大值),0.01Hz至10Hz噪声1.1μV ,静态电流17μA,电源电压1.8V至5.5V,轨至轨输入输出,封装模式为SC70、SOT23、OPA333系列可在医疗仪器、温度测量、电池供电仪表、电子秤及手持设备应用。 图3为用于淫况温度测量电路示意图。


图3
1.3 关于血液分析仪的采样处理周期和分析的新型技术
血液分析系统是要求宽带宽和快速采样处理周期和分析。血液分析方式有几种,采用的技术包括新型阻抗测量以及流式细胞计数。虽然这两种设计都有特殊的要求和困难,但它们都依赖精确、可靠和可重复的数据采集进行分析。此外,高速和宽带宽也至关重要。流式细胞仪和阻抗测量系统设计通常由激励发生器、数据采集系统、应用处理器以及满足这些功能单元所需的各种器件组成。
·新型阻抗测量系统功能与组成
阻抗测量系统可对液体或样品的组成提供准确和快速的分析。首先对待测样品施加用户可选择的频率激励信号,以产生阻抗变化,然后根据样品引发的阻抗变化进行分析。检查产生的阻抗信号预示着正在进行什么样的分析。例如,在血液样品中添加已知菌株的病毒时,就发生抗原反应,产生化学物质,改变血液阻抗。通过在不同的频率范围进行这种试验,就可能检测出病毒的具体菌株。
AD5933是一款灵活的单芯片阻抗数字转换器,能够产生不同的激励频率并且分析阻抗频谱。它具有100Ω~10 MΩ阻抗测量范围、高达100kHz(0.1 Hz分辨率)的可编程激励信号以及包含实部和虚部的数据输出,允许计算每个频率点上阻抗的相位和幅度。AD5934的特性与AD5933相同,但AD5934的阻抗测量范围是0.1Ω一500kΩ,频率范围高达200kHz。AD5933和AD5934都采用16引脚SSOP封装。
ADuC7021精密模拟微控制器是一款完整集成的数据采集片上系统,它包含ARM7TDMI微控制器(MCU)内核和12bit、1 MSPS ADC。内置精密数模转换器、模数转换器以及闪存微控制器。ADuC7021采用40引脚LFCSP封装。
·新型流式细胞仪功能与组成
在流式细胞仪系统中,细微粒子悬浮在流动液体中,每个细胞都要同时进行物理和化学特性检测。当待测的染色细胞流过试样管并且经过光源的前端时,对细胞中或附加到细胞上的荧光化学物质进行分析。使用光电二极管测量每个细胞发出的光强,通过分析光强的变化,就可以确定每个细胞物理和化学结构的不同类型信息。为了实现与光电检测器输出兼容,要求放大级能提供宽带宽、低偏置电流和低输入电容,以保证精密的信号检测:同时,为了确保有限的失真和系统速度,放大级还要求快速建立时间。图4为新型流式细胞仪组成框图。

图4
AD8616非常适合用于光电二极管传感器的反馈环路。它是一款20 MHz、CMOS、轨对轨双运算放大器,具有65μV低失调电压、仅

的噪声、1 pA的输入偏置电流和0.002%的总谐波失真(THD)。高增益带宽精密FastFETT运算放大器AD8067也是一个不错的选择,其输入偏置电流为0.6pA,稳定增益8,54MHz的-3dB带宽,压摆率640V/μs,噪声


从光电二极管传感器反馈环路出来的数据首先通过ADC转换,然后进入数字信号处理器(DSP)进行处理。在选择ADC时,高速与保持信噪比是非常重要的性能指标。AD9248是一款高性能、65 MSPS模数转换器(ADC),内置两个采样保持放大器和一个基准源,奈奎斯特频率的信噪比(SNR)=71.6dBc。它采用64引脚LQFP封装。DSP的任务包括接收FPGA散射,转换为浮点格式,补偿滤波器重叠,比较期望的细胞类型。ADSP21160系列浮点DSP提供丰富、功能强大的指令集、浮点精度以及高速运行。
通过高压细胞分类方法控制细胞(期望或非期望的)是一种特殊类型的流式细胞仪,它使用一套偏转板将细胞分类到不同的收集容器。这些偏转板保持某一高压电位,不带电的细胞垂直掉下,而带电荷的细胞被吸引到特定的偏转板上,从而有效地将待测细胞分配到不同的收集容器。通过将脉冲电压施加到图中所示的充电环上可逐个地给每个细胞带电。AD5445是一款12bit、宽带、电流输出乘法型数模转换器(DAC)。它能够将脉冲转变为光束使每个细胞带电。它可对不同宽度的脉冲倍频,以适应细胞速度(500 kHz~2 MHz),并且具有一个高速并行接口。AD5445采用20引脚LFCSP封装和TSSOP封装。
2、脉搏血氧测定仪及其光电二极管检测
2.1 脉搏血氧测定仪与芯片应用
脉搏血氧计是用于监测患者血氧含量的医疗设备。该设备测量血氧量及心率,并当其降低至某个预先确定的阈值时产生告警。此类监测对于新生婴儿及手术过程极为有用。非侵入式可视脉搏血氧计的设计所采用的MSP430FG437微控制器(MCU)将外设探针与MCU有机结合在一起,并采用LCD玻璃屏显示血氧状态及脉搏频率。该应用中的传感器同时用于心率检测及脉搏血氧测量。探针被置于人体外表的某点,例如指尖、耳垂或鼻前端。该探针包含了两个发光二极管(LED),其中一个处于红色可见光谱(660nm),另一个处于红外光谱{940nm)。通过测量每一频率的光透过人体的强度,然后计算出两个强度间的比值,可确定人体的血氧百分数。
图5标示例了一个采用超低功耗MSP430 MCU的单片、便携式脉搏血氧计的实现。由于高层次的模拟集成使得外部组件数量保持了最小化。并且,通过保持通态时间(ON引me)的最小化以及两个灯光源的周期性供电,使得功耗得以降低。

图5
2.2 脉冲血氧仪中的光电二极管检测
脉冲血氧仪通过在人体的指尖、足尖或耳垂等处放置外设探针(传感器)而非采用侵入式监测血氧含量。探针通常包含两个发光二极管(LED):一个LED工作在可见红色光谱(660 nm),另一个LEDT作在红外光谱(940 nm),但某些设计可能使用两个以上的发光二极管。通过计算人体两个光强的比率来确定体内含氧的百分率。
光电二极管可用于光检测、转换以及测量。光电二极管闪烁的光可以产生微弱的电流,利用经典的电阻反馈互阻(W)放大器将该电流转换为电压。通常,在放大器的反馈回路中使用大电阻,这样电路对光的微小变化非常敏感。产生的电压经过滤波和转换,然后显示在仪器的LCD显示屏上。这类应用的挑战是在电池供电仪器中保持快速、精确的测量。
芯片的应用:图6为脉冲血氧仪中的光电二极管检测设计方案示意图。

图6
AD8663、AD8667、AD8669是16VCMOS运算放大器,内部每路放大器的电源电流典型值为210μA 。轨对轨的输出摆幅有助于增加测量的动态范围,在整个温度范围的低偏置电流能减小校准误差。相对于光电二极管电容的低输入电容,支持稳定的快速测量。这个放大器系列产品的主要性能参数是:电压噪声密度典型值

电流噪声密度典型值

,偏移电压典型值175μV,输入偏置电流典型值0.3 pA,增益带宽520 kHz。此外,这些放大器采用5V一16V单电源供电或±2.5V一±8V双电源供电。AD8663采用8引脚LFCSP封装与8引脚SOIC封装;AD8667采用8引脚MSOP封装与8脚S01C封装;AD8669采用14引脚SO1C封装与14引脚TSSOP封装。



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