作者：Bill Schweber

投稿人：DigiKey 北美編輯

床旁 (PoC) 醫療檢測的轉型浪潮正從實驗室轉向臨床診室、社區醫療機構乃至家庭。這種轉型有會加快診斷速度，從而加快病人護理、改善療效和降低成本。

要實現 PoC，首先要使用具有先進模擬前端 (AFE) 的多功能應用優化型集成電路，以便與各種生物傳感器連接，進行必要的數據采集測量。每個 IC 都必須滿足復雜的電化學、生物和相關測量的獨有特性要求，包括精度、低功耗和高度集成的功能等。成功的最終產品都具有性能卓越、靈活性高和可升級等特點，有助于實現具有前瞻性的平臺。這些產品還必須配備流暢精準的運動控制及認證 IC，以保障數據準確性及隱私安全。

本文將探討向 PoC 的大轉型及其對設計的影響，然后描述廣泛使用的 AFE 測量場景，介紹 [Analog Devices] 可滿足 PoC 測量、運動控制和驗證要求的靈活解決方案。

為什么現在需要 PoC？

推動 PoC 和樣本處理需求的因素很多，其中就包括改善個人健康狀況所需的快速醫療診斷。監管法規鼓勵甚至強制要求進行更多的檢測。目前還有一種趨勢，即進行診所或家庭等就近 PoC，以盡量減少對患者的影響、降低費用并節省時間。因此，這類系統需要采用簡單易用但功能強大的儀器設備來實現這些目標。

對于此類系統的設計者來說，AFE、運動控制和身份驗證 IC 提供了一種中間接口，能夠將患者體液、生命體征與捕獲、記錄、評估和報告來自各種傳感器的結果數據所需的系統直接連在一起。這些器件是構建電化學和光學診斷解決方案的基石，并且需要這類解決方案既能提供測量引擎以兼容各種各樣的生物傳感器和化學物質，又能實現一個可使用軟件升級的平臺。

圖 1：模擬和相關電子設備充當了病人生命體征和體液及相關 PoC 儀器和數據系統之間的重要聯絡接口。（圖片來源：Analog Devices）

以應用為導向的多樣化 IC 應能應對各種挑戰

我們用一些例子可以清楚地說明這種情況：

示例 1：光學熒光檢測 (FLD)：

通過這項技術，研究人員能夠研究細胞或組織內生物成分的分布、定位和相互作用，從而詳細了解標準光學顯微鏡通常無法觀察到的細胞過程和功能。這項術使用熒光誘導熒光團，而不是基于光學吸收、散射或反射原理工作。

熒光體吸收特定波長的光，將其中一些電子激發到更高的能量狀態。當電子回到基態時，熒光團會以較長的特征發射波長發光。通過對發射的熒光進行檢測、分析，可實現生物結構的高對比度分子級可視化。

更先進的 LED 加光電傳感器系統為我們提供了更多的性能和功能。有一些專為這些應用量身打造的 IC，如 [MAX86171] （圖 2，上）。這是一個具有發送和接收通道的超低功耗光學數據采集系統。盡管其內部十分復雜，但在應用中也只需配置幾個分立元件（圖 2，下）。

圖 2：MAX86171 多通道、超低功耗、光學數據采集系統（上圖）利用其高度集成的內部功能簡化了外部接線以及對無源輔助元件的需求（下圖）。（圖片來源：Analog Devices）

在發射器側，MAX86171 配備 9 個可編程 LED 驅動器輸出引腳，分別連接 3 個大電流 8 位 LED 驅動器。在接收器側，該 IC 配備兩個低噪聲、電荷集成前端和環境光消除 (ALC) 電路，從而形成了一個基于光學的、高度集成的高性能數據采集系統。

對于需要較少光通道的設計，可采用 [MAX86178ENJ+] 器件，這是一款超低功耗、臨床級生命體征 AFE，最多可支持六個 LED 和四個光電二極管輸入。

請注意，醫療應用的性能指標和優先級有別于光學數據通道等非醫療情況。由于光水平通常相對較低，因此光學前端的絕對本底噪聲是關鍵參數，而非信噪比 (SNR)。

盡管在生物醫學領域，信號帶寬和采樣率通常非常低，且相關參數不會以數千赫茲的速率變化，但患者生理系統的復雜模擬特性和信號本身，要求我們在技術規范中設定不同的優先級。這些特性包括高靈敏度、寬動態范圍和低噪聲，以便成功應對不斷變化的操作環境。在這種環境下，病人的皮膚和內臟器官會不斷移動，即使輕微移動也會導致會接觸面積和接觸力發生變化。此外，這些特性還會受各種干擾和變化的影響，使問題變得更加復雜。

為滿足應用要求，MAX86171 的動態范圍介于 91 和 110 分貝 (dB) 之間，具體取決于測試布局，其分辨率為 19.5 位，暗電流噪聲小于 50 皮安 (pA) (有效值)，且 120 赫茲 (Hz) 下環境光抑制系數優于 70 dB。

示例 #2：電位計、安培計、伏安法和阻抗測量：

現在，電氣工程師可通過各種各樣的標準儀器熟練測量電壓、電流和阻抗以及其相互關系。然而，這些測量在化學和生物環境中有獨特的要求和限制，并呈現出不同的場景：

• 電位測定法：使用恒電位儀測量兩個電極之間的電位，以確定溶液中的物質濃度
• 安培計：使用電流測定裝置，根據電流或電流變化檢測溶液中的離子
• 伏安法：在工作電極上施加一條隨時間變化的特定電壓曲線，并測量系統產生的電流，通常使用恒電位儀進行測量。
• 阻抗：測量皮膚和身體的電壓電流關系

為了評估這些參數，可采用大小為 3.6 × 4.2 毫米 (mm) 的 [AD5940] 56 球 WLCSP（圖 3）。這款低功耗 AFE 具有多種功能和接口，專為諸如安培、伏安或阻抗測量等需要高精度電化學技術的便攜式應用而設計。

圖 3：AD5940 AFE 集成了精密型低功耗安培、伏安或阻抗測量所需的各種復雜功能。（圖片來源：Analog Devices）

AD5940 具有兩個激勵環路和一個通用測量通道。第一個環路由一個雙輸出串、一個數模轉換器 (DAC) 和一個低噪聲恒電位儀組成，可產生 0 Hz 至 200 Hz 的信號。

DAC 的一個輸出控制恒電位儀的非反相輸入，另一個輸出控制跨阻放大器 (TIA) 的非反相輸入。第二個環路由一個 12 位 DAC 組成，能夠產生高達 200 千赫茲 (kHz) 的激勵信號。

在輸入側，有一個 16 位、每秒 800 千次采樣 (kS/s) 的模數轉換器 (ADC)，帶有輸入緩沖器、抗混疊濾波器和可編程增益放大器 (PGA)。多路復用器為外部電流和電壓輸入選擇輸入通道，為供電電壓、芯片溫度和基準電壓選擇內部通道。

電流輸入端包括兩個 TIA，具有可編程增益和負載電阻，可用于測量不同類型的傳感器。第一個 TIA 測量低帶寬信號，第二個 TIA 測量高達 200 kHz 的高帶寬信號。

使用這種高集成度和多功能 IC 的用戶，能夠受益于超越芯片本身的評估套件。對于 AD5940 來說，[EVAL-AD5940BIOZ] 心電圖 (ECG/EKG) 傳感器 [Arduino] 平臺評估擴展板提供了一個熟悉的開發環境（圖 4）。由于可以通過軟件升級，因此當增加新的測試要求時，該套件還有助于實現面向未來的設計。

圖 4：EVAL-AD5940BIOZ 心電圖 (ECG/EKG) 傳感器 Arduino 平臺評估擴展板簡化了在進行微弱低電平測量時，使用和評估 AD5490 所面臨的挑戰。其中，AD5490 專門用于進行微弱低電平測量。（圖片來源：Analog Devices）

每塊 AD5940 評估板都針對一個特定的終端應用測量目標。類似 Arduino 的電路板通過 SPI 外設對 AD5940 進行配置并與其通信。用于測量的圖形用戶界面 (GUI) 工具具有繪圖和數據采集功能，可用于初始評估。許多用嵌入式 C 語言編寫的示例項目都包含如何設置編程環境和運行示例的具體說明。

示例 #3：數據驗證：

數據被存儲在不同的地點，并使用無線近場通信 (NFC) 鏈路進行傳輸，這就產生了數據真實性問題，甚至是重復使用、濫用和偽造樣本或藥筒的風險。

為了解決這些問題，可以采用 [MAX66250] 安全驗證器（圖 5，上圖），這款器件提供了強大的應對措施，會對所有存儲數據采取加密保護，以防被發現。該器件兼容支持 NFC 的嵌入式系統（圖 5，下圖），在這種系統中，未經授權的訪問風險更高。

圖 5：MAX66250 安全驗證器（上）可實現多級高級數據安全并提供驗證支持；該器件還集成了用于無線數據傳輸的 NFC 接口（下）。（圖片來源：Analog Devices）

安全驗證器將符合 FIPS 202 標準的安全哈希算法 (SHA-3) 質詢和響應驗證與安全 EEPROM 整合在一起。該器件提供了一組源自集成塊的核心加密工具，包括了 SHA-3 引擎、256 位安全用戶 EEPROM、僅遞減計數器和唯一的 64 位 ROM 識別號 (ROM ID)。唯一的 ROM ID 用作進行加密操作的基本輸入參數，也可用作應用內的電子序列號。該器件通過符合 ISO/IEC 15693 標準的射頻接口進行通信。

對于有線鏈路，[DS28E16Q+U] 單線安全 SHA-3 驗證器提供與 MAX66250 相同的加密工具，并包括唯一的 ROM ID。

示例 #4：運動/電機控制：

許多 PoC 器件和工作站都需要精密控制運動，以便在工作站之間傳送試紙或試管、混合和轉移試劑、添加或釋放精準定量的液體以及進行移液操作。這些應用通常需要精確的微步進運動、平穩的停止、啟動和斜坡生成，以實現高分辨率和無振動，從而實現快速、精確、可靠、安靜、可重現的節能型運動。

帶有串行通信接口的 Trinamic [TMC5072-LA-T] 單/雙通道步進電機控制器和驅動器 IC（圖 6，上圖）非常適合這些應用。并聯運行時，每個電機的線圈電流驅動能力為 1.1/1.5 安培 (A) 峰值，單個電機為 2.2/3 安培 (A) 峰值。

對于基本操作，配套的 [TMC5072-BOB]評估套件（圖 6，下）包括一個板載 MC5072，并通過單線通用異步接收器/發送器 (UART) 連接到 Arduino Mega。圖形用戶界面 (GUI) 用于輕松設置參數、實時可視化數據以及開發和調試獨立應用。

圖 6：TMC5072-LA-T 單/雙通道步進電機控制器和驅動器 IC（上）可實現高精度性能和平穩運行，并配套 TMC5072-BOB 評估套件（下）為其提供支持。（圖片來源：Analog Devices）

TMC5072 結合了用于自動目標定位的靈活斜坡發生器，并可實現無噪音運行、最高效率和高電機扭矩。7 × 7 mm IC 具有更多先進功能：

• stealthChop2? 靜音工作和平穩運動
• SpreadCycle 高動態電機控制斬波器
• dcStep? 負載相關速度控制
• stallGuard2? 高精度無傳感器電機負載檢測
• 可實現高達 75% 節能的 CoolStep? 電流控制

當然，單個運動控制器件并不能滿足所有 PoC 系統的需求，無論其功能多么強大和豐富。因此，Analog Devices 為 PoC 提供了各種與電機相關的 IC 和輔助功能器件，具體包括

• [TMC4671-LA] ：集成伺服控制器，為無刷直流電機/永磁同步電機（BLDC/PMSM）和兩相步進電機提供面向現場的控制器（FOC）
• [TMC4671-LEV-REF] ：帶 BLDC 伺服驅動器的 TMC4671 參考設計
• [TMC5240ATJ+T] ：帶串行通信接口的智能、高性能步進電機控制器和驅動器 IC（TMC5072 的單軸版）
• [TMC4361A-LA-T] ：步進電機驅動器的運動控制器，可在需要快速且加速限制的運動曲線應用中提供 S 形斜坡
• [TMC2240ATJ-T] ：智能集成步進驅動器，帶步進/方向和 SPI 接口。

結語

在多種因素的共同作用下，許多醫療檢測和評估都在向更本地化、反應更快的 PoC 模型發展。如 AFE、運動控制和身份驗證等高度集成、注重應用的 IC 促成了這一趨勢。Analog Devices 可提供多種高性能、低功耗器件供選擇，這些器件針對這些應用進行了優化，能夠滿足相應的技術和法規要求。這些器件還具有前瞻性平臺所需的靈活性和可升級性。