致力於(yu) 開發醫療診斷設備的公司麵臨(lin) 的挑戰就是要為(wei) 消費者提供物美價(jia) 廉的產(chan) 品。在降低醫護成本和改善病人護理服務方麵，最重要的是能縮小這些醫療設備的體(ti) 積並提高其精確度。在人口老化問題日趨嚴(yan) 重的今天，上述需求顯得更為(wei) 迫切。根據IMS調查公司的InMedica報告，消費類醫療設備的銷售總額到2011年時預計可超過50億(yi) 美元。

       醫療設備監護功能的開發與(yu) 不斷完善，遠程護理供應商能夠在人類健康的幾個(ge) 重要領域為(wei) 居家患者、急症室救護員以至醫院提供更佳的診斷工具。血壓計血糖儀(yi) 、除顫器等監護類儀(yi) 器均需要清晰的模擬信號來進行準確的測量，否則便可能危及生命。設計卓越的模擬信號路徑可幫助設計人員降低外來噪聲的幹擾、擴展動態範圍和加強精確度。此外，在組件選擇方麵，設計人員也必須謹慎選擇以滿足最終產(chan) 品的性能需求。

       小封裝中的高性能需求

       此前，人們(men) 通常認為(wei) 醫院和診所的醫療設備比家居使用的便攜儀(yi) 器更為(wei) 精確。可是，新的技術趨勢正迅速扭轉著上述的觀點。新的便攜式醫療設備麵的使用者不僅(jin) 僅(jin) 有普通消費者，還有深具科技領悟力的病人，因此客戶的需要不再局限於(yu) 量體(ti) 溫、做心電圖和測血壓。客戶需要的是全方位的護理及測量功能。

       為(wei) 了滿足人們(men) 對家居醫療診斷儀(yi) 器的迫切需求，設備供應商正憑借先進的貨存管理和創新設計來增強市場競爭(zheng) 力，並為(wei) 產(chan) 品配備更多的功能來爭(zheng) 取更多的用戶。在開發家居醫療儀(yi) 器的領域，有一個(ge) 因素是非常重要的，這就是產(chan) 品從(cong) 最初設計到真正投放市場期間所需的開發時間。縮短上市時間，可以讓廠商的產(chan) 品搶占市場。而能否將開發周期縮短取決(jue) 於(yu) 係統設計人員的設計是否足夠靈活並具成本效益。

       工藝技術影響係統設計

       雖然電氣規格是設計人員選擇組件的主要因素，但用來製造集成電路的工藝也同樣重要。例如，典型的血糖計通常需配合一個(ge) 帶有極低輸入偏置電流的運算放大器，大多數的設計人員都會(hui) 選用JFET放大器。不過，他們(men) 在作出決(jue) 定前應先考慮一下溫度的問題。

       由於(yu) JFET擁有一個(ge) 很低的初始輸入偏置，因此它很易受到溫度變化的影響，每上升10°C ，輸入偏置便會(hui) 大約增加一倍。要計算出輸入偏置的漂移，可使用下列的數式(參考1)。

        Ib(T)Ib(T0) x 2(T-T0)/10

       例如，一個(ge) JFET輸入運算放大器(例如美國國家半導體(ti) 的LF411)在25 °C下的輸入偏置電流為(wei) 50pA，而一個(ge) 更佳的選擇是美國國家半導體(ti) 的LMP7731，它是一款雙極輸入運算放大器，其輸入偏置電流為(wei) 1.5nA。通過上述數式，我們(men) 可以很快地計算出在85°C下，LF411的輸入偏置電流變成3.2nA，超出LMP7731的兩(liang) 倍。

       評估係統的取舍

       速度、噪聲和功耗對於(yu) 某些設計來說可能同樣重要，一個(ge) 低噪聲器件會(hui) 消耗比較多的電流，而一個(ge) 低功耗的器件則隻可提供有限的帶寬。一個(ge) 克服這些問題的方法是在適當的應用中使用反補償(chang) 放大器。與(yu) 單位增益穩定和速度較高這兩(liang) 點相比，反補償(chang) 放大器的優(you) 點除了成本比較低之外，是其可在不影響功耗的情況下提供較大的帶寬。

       反補償(chang) 運算放大器最適合使用在電流-電壓轉換(跨阻)電路。在醫療儀(yi) 器中，其中一個(ge) 最普遍的應用是測量血細胞中的含氧量，稱為(wei) SPO2或飽和或外圍氧氣。圖1所示為(wei) SPO2模塊的框圖，當中的反補償(chang) 放大器(TIA)用來將來自光二極管的電流轉化成電壓。

圖1 SPO2模塊的典型框圖

       利用捷徑縮短設計時間

       醫療儀(yi) 器的最重要參數是噪聲，它可以導致電路本身和附近的設備產(chan) 生嚴(yan) 重的幹擾。計算噪聲是一項比較沉悶的工作，尤其當您想計算出從(cong) 電源、放大器、數據轉換器以至外部組件，信號路徑對信噪比的整體(ti) 影響。

       一般來說，醫療儀(yi) 器電路都傾(qing) 向采用較低的頻率來工作，因此這些係統的設計人員通常會(hui) 比較關(guan) 心處於(yu) 0.1到10Hz頻帶以內(nei) 的噪聲，也稱為(wei) 峰到峰噪聲。但不幸地是，有些數據表並沒有提供時域噪聲(峰到峰)的數值，而隻會(hui) 提供電壓或電流噪聲密度的典型圖表。除了等待電路的供應商提供測量數據外，有一個(ge) 快速的方法可幫助推算出峰到峰的噪聲量。

       假設您打算利用美國國家半導體(ti) 的LMP7731來推算峰到峰(0.1到10Hz)電壓的噪聲量，首先，在指定頻帶內(nei) 的頻率範圍中選擇出一個(ge) 點，例如是1Hz，那對比曲線時的數值便是5.1nV/√Hz (圖2)，然後用下列的數式來計算噪聲的根均方值(RMS)：式 1: enrms="enf"√ln(10/0.1), 當中 enf 是在 1Hz 下的噪聲通過以上的數式可得出10.9nV的總根均方值噪聲，如要計算出峰到峰噪聲，隻需將這根均方值乘以6.6，這樣便可得出72.2nV。這個(ge) 估算的結果相當不錯，它與(yu) 數據表中列出的規格78nV很接近。

圖 2 LMP7731的輸入電壓噪聲與(yu) 頻率的關(guan) 係頻率、電壓噪聲

       假如數據表中的電壓噪聲密度圖沒有表示在1Hz下的噪聲值，那您可以使用下列簡單的方程式(數式2)來推算某頻率下的數值。

       式2：en=enb*√(fce/f)

       當中enb是寬帶噪聲(通常是在1kHz時的數值)，而fce 是1/f拐點，至於(yu) f是所關(guan) 注的頻率，在我們(men) 的個(ge) 案是1Hz。

       舉(ju) 一個(ge) 例子，美國國家半導體(ti) 的LMV851在10kHz下的寬帶噪聲為(wei) 10nV/√Hz。為(wei) 了計算出根均方值噪聲，首先要從(cong) 圖表決(jue) 定出1/f拐點(fce)的數值。使用數據表中的電壓噪聲密度圖，這樣便可找到fce大約等於(yu) 300Hz。之後，使用以上的數式便可計算出en=10*√(300/1)=173nV√Hz，而這便是在1Hz下的電壓噪聲，最後將這數值代入數式1中並將結果乘以6.6，便可得出2.4μV的峰到峰噪聲量。

       另一個(ge) 需要考慮的是電流噪聲。一般來說，假如電源的阻抗不是很大(>100kΩ)，您可以不考慮電流噪聲，仍然可獲得一個(ge) 很接近的推算結果，就正如上述的例子一樣。可是，假如電源的阻抗很大，那必須使用相同的技巧來推算電流噪聲，並且將電壓和電流噪聲以根均方值的形式相加。

       決(jue) 定速度的要求

       正如運算放大器的噪聲對於(yu) ADC的分辨率來說極為(wei) 重要一樣，帶寬對維持係統的精確度也同樣重要。為(wei) 了將誤差限製在1/2個(ge) 最低有效位(LSB)，就需要進行一個(ge) 快速的檢查以決(jue) 定放大器的帶寬是否足夠。除了使用複雜和泛味的引導外，您還可以使用模擬/數字轉換器的分辨率來迅速推算出結果。方法是使用1/2(N/2)並且將結果乘以-3dB時的放大器頻率 (參考2)。#p#分頁標題#e#

       通過以上的捷徑和一個(ge) 14位的ADC，這個(ge) 例子得出feff= 0.007813*f-3dB。對於(yu) 圖3中可配置增益為(wei) 10的運算放大器(LMP7711來說)，在-3dB時的頻率為(wei) 1.7MHz。這樣，最大帶寬(處於(yu) 1/2個(ge) LSB誤差)便等於(yu) 0.007813*1.7E6=13.3kHz。

圖 3 便攜心電圖儀(yi) 的框圖

       監視器件和通信器件

       大多數較新的醫療診斷儀(yi) 器都設有無線通信功能。現代的心電圖儀(yi) (EKG或ECG)都可通過個(ge) 人電子手帳(PDA)或其他的電腦外圍設備把病人的數據於(yu) 數分鍾內(nei) 傳(chuan) 送到醫生診所或醫院。撇開無線數據傳(chuan) 輸所帶來的好處，這類設備可能會(hui) 對醫療器件構成嚴(yan) 重的幹擾，使其讀數出現錯誤。

      為(wei) 了避免這種幹擾，就必須采用濾波器。可是，加入濾波器不單會(hui) 增大設備的體(ti) 積，而且還會(hui) 增加設計的成本。一個(ge) 更加節約成本和快捷的方法是使用可以抑製無線電頻率(RF)噪聲的組件(包括濾波器)。

      結語

      現今醫療設備領域的趨勢是為(wei) 消費者提供更高價(jia) 值的產(chan) 品，即價(jia) 廉物美且能夠迅速提供診斷結果的家居護理儀(yi) 器。隨著技術不斷進步，將會(hui) 有更多的醫療設備通過電腦把數據即時地從(cong) 病人的居所傳(chuan) 送到醫生診所。此外，隨著用戶對更多功能的需求，對便攜醫療設備的精度要求將進一步提高以達到更準確的診斷，而這些都將依靠設計人員不斷的創新、長期開發和對全麵解決(jue) 方案所作出的承諾。