淺析便攜式醫療設備中的信號調整

　　現今的醫療便攜設備方便病人自行診療、自由走動，甚至可在外出時使用設備。便攜式電子醫療設備要實現“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儀這兩種設備應用，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）可實時記錄病人的心跳活動。心跳信號是通過三個連接到病人身體的電極測量出來。圖1所示為其中一個電極輸出的ECG信號，圖中包含有五個測量點，分別是Q、P、R、S、和T，這些測量點可用來診斷病人患上心臟病的可能性。

從電極收集回來的信號處于在400μV到最高5mV的范圍內，并在0.05Hz 和100Hz 下帶有3dB轉角頻率。這類信號一般都會受到不少的干擾，例如電極的接觸噪聲、電源線路噪聲（50MHz）、呼吸、肌肉活動、以及來自其他電子器件的干擾。

　　ECG的信號調整

　　正如上述所說，ECG的信號路徑必須能調理不同來源的噪聲。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。要消除這個共模噪聲，需要建立一個測量儀表放大器。這個配置之所以很理想是因為它可在抑制共模電壓的同時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。正如圖2所示，這個儀表放大器是用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%）實現出來。

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工藝技術制成，即絕緣硅BiCMOS工藝。用這種工藝制作出來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的靜態電流，利于延長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輸入使它成為測量儀表和其他傳感器接口應用的理想選擇。

　　由于來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期穩定性方面有相當出色的表現。

　　這個測量儀表放大器包含有兩個級。最后一個級（亦即輸出級）是一個差分放大器，它能夠拒絕直流電平以及同時影響兩個輸入的干擾和噪聲電壓源。由兩個放大器組成的第一級（亦即是輸入級）則被配置成一個可將輸入隔離的緩沖器?？墒?，基于放大器間的失配使它們彼此不能相互連接，所以要在兩個放大器之間加裝平衡電阻。將兩個級的增益相乘便可得出測量儀表放大器的增益。理論上，共模抑制比（CMPR）應該是無限大，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，流經所有電阻的電流是一樣的。這都有賴于LMP2234具有高輸入阻抗和低輸入偏置電流的特點。

　　輸出電壓被定義成：

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態范圍。此外，由R10和R11組成的偏置分壓器可提供一個電壓，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，會采用一個高通濾波器來抑制能夠引致下一個增益級飽和的直流器件。這個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 拓撲技術來實現。至于第二級是一個低通濾波器，其擁有100Hz的截止頻率和100的增益，并且同樣以Sallen Key 拓撲來實現。諸Sallen Key 類的模擬濾波器是圍繞著有電阻器和電容器的運算放大器而建立。當中沒有采用電感器是因為它體積過大、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

　　兩個濾波器都是采用低功耗的運算放大器LMV552來實現，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，同時每個放大器僅需消耗34μA的電流，帶寬/功耗比是同級運算放大器中最高的。LMV552擁有一個軌到軌輸出級和一個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直流/直流升壓來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-直流開關穩壓器，專門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，可通過采用伽伐尼隔離（galvanic isolation）、光電耦合電容和磁耦合來實現。本文雖然著重討論ECG的前端，但在開發醫療電子系統時，安全標準問題不容忽視。

　　藍牙傳輸

　　心跳的記錄可以用無線傳送到電腦、移動電話或PDA中。藍牙技術穩定可靠、簡單易用，成本經濟，而且覆蓋范圍廣，因此在病人監視方面成為普遍采用的無線技術。

　　美國國家半導體的LMX9838藍牙串行端口模塊是一款高度集成的器件，當中包含有藍牙2.0基帶控制器、2.4GHz的無線電機、晶體、天線、LDO和分立元件。該藍牙節點功能完整，而且體積小巧（10 mm x 17 mm x 2.0 mm）。

　　在這個完整的方案中包括硬件和軟件，適用于具有完整的高低藍牙堆疊層的天線、通用存取規范（GAP）、服務發現應用規范（SDAP）和串行端口規范 （SPP）等的應用。該模塊包含有一個可配置的服務數據庫以便迎合主控上的附加服務規范要求。此外，LMX9838通過了藍牙終端產品認證，無需再通過任何測試或支付技術牌照費就可以直接使用到最終應用上。

　　基于美國國家半導體的CompactRISC 16位處理器架構和數字智能無線電技術，LMX9838作為一個優化解決方案可以完全滿足藍牙節點所需的數據處理和鏈路管理要求。