利用高性能模擬器件簡化便攜式醫(yī)療設備的設計

目前,醫(yī)療電器OEM廠商正在開發(fā)技術含量更高的、用于治療和監(jiān)控常見疾病的個人保健設備。這些產品價格合理,極大提高了醫(yī)療保健質量。MCU在家用血壓計、肺活量計、脈搏血氧計及心率監(jiān)測器等便攜式醫(yī)療設備中起著重要作用。大多數此類產品中的實際生理信號是模擬信號,在測量、監(jiān)控或顯示前需要進行放大、過濾等處理。

將高性能模擬外設嵌入超低功耗 MCU 中,不僅可以實現(xiàn)便攜式醫(yī)療電子設備的片上系統(tǒng)化,而且還可延長電池使用壽命。本文將介紹簡化便攜式電池供電醫(yī)療設備的模擬前端設計的多種方法,如將運算放大器、ADC、DAC等高性能外設與低功耗MCU結合使用。MCU 具有數字濾波、處理功能,還可以顯示血壓、肺活量、心率及血氧含量等生理數據。將上述外設與 MCU 結合使用,不僅可以實現(xiàn)上述全部功能,而且還可通過關閉外設使其進入待機模式(電流消耗僅為幾mA)來滿足功耗要求。

就是一個很好的例子,其16 位RISC CPU不僅能提供所需的信號處理能力,而且還具有超低的工作電流,使電池在此類應用中的壽命可達數年之久。該 MCU 集成了運算放大器、12位多通道ADC及雙 12 位 DAC等外設,是模擬信號處理電路的一部分。除嵌入高性能模擬外設之外,該器件還具有 120KB的片上閃存及通用串行通信接口(USCI)。 以下為集成模擬外設實現(xiàn)醫(yī)療產品單芯片解決方案的具體介紹。

血壓計

圖1為血壓計功能結構圖。該應用通常使用橋式壓力變送器作為傳感器,與充氣式袖袋相連。變送器可通過端口引腳激活,由于僅在壓力測量時被激活,所以可以顯著節(jié)省電能。傳感器的mV級輸出與壓力成正比。此信號在數字化之前需要放大,然后由ADC進行測量。放大后的信號可檢測科羅特科夫 (Korotkoff) 音并確定心臟收縮及舒張壓讀數。MCU中的3個運算放大器能夠出色地完成這項工作。幾個放大器共同組成的高增益差動放大器功能塊可消除應用中的共模噪聲。使用 3 個放大器的差動放大器功能塊如圖 2 所示。放大后的信號從內部輸入至 12 位ADC。器件中的DMA外設可以進行高效的數據處理,能夠快速執(zhí)行Korotkoff音檢測算法,并濾掉影響測量結果的噪聲。16位CPU以較低的MIPS處理能力處理上述算法。該器件還集成了帶有穩(wěn)壓充電泵的 160 段的 LCD驅動器,以提供穩(wěn)定對比度,從而進一步完善了該單芯片解決方案。MCU中的120KB 低功耗閃存可以在現(xiàn)場進行軟件升級,由于閃存具有系統(tǒng)內可編程性,所以可以當作數據記錄器。器件中的USCI串行端口可以與PC 或 PDA 通信,以下載記錄的數據。由于 MCU 具有超低功耗架構,在血壓測量模式下,該解決方案的工作電流低于 3mA。在空閑模式下,該器件正常工作并顯示實時時鐘的電流消耗不足 3mA。

中PWM 輸出控制的直流電馬達對袖袋進行充/放氣。這是該血壓計唯一用到 6V 電源驅動馬達的地方。如果不能滿足電源需求,整個血壓計可以用一節(jié) 3V 鋰離子鈕扣電池供電。不過,目前只有少數馬達可以靠這種高阻抗鈕扣電池驅動,所以,此例可以使用4節(jié)普通低成本AAA堿性電池及低壓降穩(wěn)壓器 (LDO) 為MCU提供 3.3V電源。假設每天測量兩次血壓,這些電池可以使用兩年。MCU可以長期工作在活動顯示計時模式,原因是該模式的電流消耗非常小。另外,用戶查看存儲的血壓讀數時也不會增加電流消耗。此外,集成的雙通道 DAC能夠產生相移180°的正弦波,從而可以提高變送器性能。

肺活量計

肺活量計也稱為肺功能測試 (PFT)設備,在醫(yī)療診斷中用于測試肺容量。在該應用中,測量參數是一定呼氣時間內的氣流量,單位為升/分鐘。所用傳感器是氣動變送器,實際上是壓差變送器。除了無需充氣馬達外,該肺活量計與血壓計設計類似。3個MCU運算放大器用作測量氣流的傳感器放大器。肺活量計其他部分的設計比較簡單,12 位 ADC的作用是測量氣流并與存儲的標準化數值進行比較。閃存有助于存儲各種標準化數值,使設計適用于各種情況。圖 1 可以作為該肺活量計的參考設計(系統(tǒng)所用的變送器比較相似)。請注意,肺活量計無需馬達控制。另外,MCU的低功耗特性延長了電池使用時間,其高集成度降低了成本并提高了系統(tǒng)可靠性。

圖2 差動放大器

脈搏血氧計及心率監(jiān)測器

心率監(jiān)視和脈搏血氧計采用的技術不止一種。本文著重介紹非侵入式光學體積描記技術。此類血氧計采用配有MCU的外部探頭,能夠顯示血氧飽和度及脈搏率。在此應用中,同一個傳感器可同時用作心率檢測及脈搏血氧測量。該技術提供了估測動脈血氧飽和度和心率的簡單而精確的辦法。探頭置于指尖、耳垂和鼻子等身體不同位置。探頭包含兩個發(fā)光二極管(LED),其中一個發(fā)射可見紅光(660nm),另一個發(fā)射紅外線(940nm)(見圖 3)。光束通過人體組織到達光電檢測器。在通過人體組織時,紅血球中的血色素會吸收部分光線,吸收量因血氧飽和度的不同而不同。首先,通過測量對兩個波長光線的吸收量,MCU能夠精確計算出氧化的血色素比例。其次,通過人體組織的光線中含有因心跳造成動脈血量不同而產生的脈沖分量。

圖3 探頭上配有兩個

必須使用恒流源驅動這兩個LED,以確保測量過程中保持穩(wěn)定的亮度。具有自動增益控制(AGC) 反饋的恒流源可以通過采用內部 DAC及簡單MCU算法而獲得。MCU能夠選擇輸出血液脈動部分的吸收量,動脈血液、非脈動靜脈血液或毛細血管血液以及其它人體組織色素均會吸收光線。最新測量技術降低了測量血氧飽和度時的干擾效應。兩個LED周期性打開,紅光LED開啟,然后紅外線LED開啟,最后兩個都關閉,每秒鐘重復幾次,這種時分多路復用技術消除了背景噪聲的干擾。相位正交復用技術可使紅色光及紅外線先按相位(而不是時間)分離,隨后又組合。這種更先進的技術有可能消除運動或電磁干擾產生的大氣干擾,原因是兩種LED信號在再組合時相位有差異。

可以測出平均血樣飽和度,通過連續(xù)脈動信號之間的LED周期數能夠計算出脈搏率,得出脈搏率平均值大概與得出飽和度平均值的時間近似,這與具體的監(jiān)控器有關。

根據兩種頻率光線的吸收比例計算兩個參數的比值。MCU 閃存中存儲了一系列通過實驗得到的血氧飽和值(志愿者在實驗中呼吸氣體的氧氣含量逐漸增加)。MCU將測量到的兩種光線波長吸收率的比值與存儲值比較,然后以百分比顯示血氧飽和度。通常情況下,血氧飽和值在70%~100%之間,低于70%的數據是估測得出的,因為無法獲得人體血氧含量低于70%的數據。

圖4 基于MSP430FG461x的脈搏血氧計

基于MSP430FG461x的脈搏血氧計結構圖如圖4所示。該應用具有完整的模擬前端解決方案,其中包括集成運算放大器、ADC及 DAC。DAC與片上參考電路形成驅動 LED 的恒流源。其中一個運算放大器用作傳感器光電二極管的I/V轉換器。通過使用DAC輸出及 MCU 執(zhí)行的軟件算法來調節(jié)LED 亮度,由此實現(xiàn)自動增益控制。ADC將放大后并經過濾波的輸出信號進行數字化處理,而MCU中的軟件則計算出平均值。至此完成了紅光、紅外線光源及雙方比值的數據采集和計算。該比值與存儲的標準數據比較后得到精確的血氧飽和度值。計算出的血氧百分比值顯示在LCD上。A/D轉換值也含有心率信息,軟件在5s左右可以計算出心率平均值,該值也同時顯示在 LCD上。另外,MCU的PWM輸出驅動壓力蜂鳴器,每心跳一下就發(fā)出一次短暫蜂鳴。通過這種周期性蜂鳴可以判斷傳感器位置及信號采集是否正常。

結語

在上述便攜式醫(yī)療應用中,超低功率微控制器MSP430FG461x作為單芯片解決方案,具有多種優(yōu)勢。ADC的高精度很容易滿足測量類應用的需求。片上運算放大器及 DAC非常有助于信號調節(jié)和自動增益控制。為測量類應用選擇了合適 的MCU之后 ,系統(tǒng)設計師下一步就要進行軟件開發(fā)。由于MCU能夠提供片上仿真功能,所以設計人員可以通過JTAG端口進行實時調試?，F(xiàn)有多種編譯器及調試器可用,且調試器硬件很便宜。調試器硬件需要一個簡單的邏輯電平轉換器連接至PC并行端口,且無需傳統(tǒng)的ICE接口。全功能實時仿真可以在芯片內置硬件上設定斷點,因而在調試的同時能夠實現(xiàn)全速運行。該器件的高集成度和代碼開發(fā)方便性顯著降低了系統(tǒng)設計成本。調試過程中可以隨時刷新閃存中的程序代碼,從而極大縮短了開發(fā)時間,所以,選擇該MCU能夠有效縮短產品上市時間。另外,120KB的系統(tǒng)內可編程閃存同時可以作為數據記錄器使用。