【導讀】醫(yi)療(liao)電(dian)子(zi)是(shi)用(yong)於(yu)診(zhen)斷(duan)和(he)治(zhi)療(liao)健(jian)康(kang)的(de)電(dian)子(zi)儀(yi)器(qi)和(he)設(she)備(bei)，它(ta)是(shi)應(ying)用(yong)於(yu)醫(yi)學(xue)和(he)生(sheng)物(wu)學(xue)的(de)嵌(qian)入(ru)式(shi)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)。為(wei)了(le)滿(man)足(zu)醫(yi)療(liao)電(dian)子(zi)的(de)需(xu)求(qiu)，以(yi)前(qian)主(zhu)要(yao)用(yong)於(yu)工(gong)業(ye)領(ling)域(yu)的(de)各(ge)種(zhong)傳(chuan)感(gan)器(qi)如(ru)今(jin)已(yi)大(da)量(liang)用(yong)於(yu)診(zhen)斷(duan)和(he)治(zhi)療(liao)自(zi)發(fa)性(xing)疾(ji)病(bing)和(he)生(sheng)理(li)障(zhang)礙(ai)。溫(wen)度(du)
、濕度

、壓力傳感器、熱敏電阻等傳感元件被證明是執行醫療解決方案所必需的電子器件。這些傳感器產生的信號通常是低振幅、feixianxingqiebaohanjiaoqiangdeguyouzaosheng，zaidaduoshuqingkuangxia
，tamenxuyaocongzhenshishijiedemonixingshizhuanhuanweishuzizhicainengfahuizhenzhengdezuoyong。cishi，nenggoujinghuahezhuanhuanzhexieyuanshiceliangzhidexinhaoliandianluzaimanzuyiliaodianzixuqiufangmianfahuizhezhiguanzhongyaodezuoyong。

圖源：dcstudio/freepik.com

醫療電子

醫(yi)療(liao)電(dian)子(zi)是(shi)用(yong)於(yu)診(zhen)斷(duan)和(he)治(zhi)療(liao)健(jian)康(kang)的(de)電(dian)子(zi)儀(yi)器(qi)和(he)設(she)備(bei)，它(ta)是(shi)應(ying)用(yong)於(yu)醫(yi)學(xue)和(he)生(sheng)物(wu)學(xue)的(de)嵌(qian)入(ru)式(shi)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)。為(wei)了(le)滿(man)足(zu)醫(yi)療(liao)電(dian)子(zi)的(de)需(xu)求(qiu)，以(yi)前(qian)主(zhu)要(yao)用(yong)於(yu)工(gong)業(ye)領(ling)域(yu)的(de)各(ge)種(zhong)傳(chuan)感(gan)器(qi)如(ru)今(jin)已(yi)大(da)量(liang)用(yong)於(yu)診(zhen)斷(duan)和(he)治(zhi)療(liao)自(zi)發(fa)性(xing)疾(ji)病(bing)和(he)生(sheng)理(li)障(zhang)礙(ai)。溫(wen)度(du)、濕度、壓力傳感器、熱敏電阻等傳感元件被證明是執行醫療解決方案所必需的電子器件。這些傳感器產生的信號通常是低振幅、feixianxingqiebaohanjiaoqiangdeguyouzaosheng，zaidaduoshuqingkuangxia，tamenxuyaocongzhenshishijiedemonixingshizhuanhuanweishuzizhicainengfahuizhenzhengdezuoyong。cishi
，nenggoujinghuahezhuanhuanzhexieyuanshiceliangzhidexinhaoliandianluzaimanzuyiliaodianzixuqiufangmianfahuizhezhiguanzhongyaodezuoyong。

醫療電子設備中有哪些信號鏈產品？

每(mei)一(yi)種(zhong)醫(yi)療(liao)電(dian)子(zi)產(chan)品(pin)都(dou)有(you)特(te)定(ding)的(de)功(gong)能(neng)
，它(ta)們(men)通(tong)過(guo)使(shi)用(yong)模(mo)擬(ni)或(huo)數(shu)字(zi)傳(chuan)感(gan)器(qi)實(shi)現(xian)數(shu)據(ju)采(cai)集(ji)。當(dang)與(yu)現(xian)實(shi)世(shi)界(jie)交(jiao)互(hu)時(shi)，這(zhe)些(xie)傳(chuan)感(gan)器(qi)產(chan)生(sheng)的(de)信(xin)號(hao)通(tong)常(chang)很(hen)小(xiao)且(qie)有(you)噪(zao)聲(sheng)，需(xu)要(yao)高(gao)性(xing)能(neng)放(fang)大(da)器(qi)和(he)轉(zhuan)換(huan)器(qi)來(lai)測(ce)量(liang)、調節和處理它們。

其中，可能需要一個或多個放大器對信號進行放大
，還可能需要多個濾波器用於獲取特定頻率範圍內的信號，最後是模數轉換器（ADC）
，以對調節後的信號進行采樣和數字化，便於後續處理或存儲。逐次逼近寄存器（SAR）或∑-ΔADC非常適合對濾波和放大信號進行數字化采樣。SAR ADC往往具有比∑-ΔADC更低的延遲，但最大采樣率通常較低。∑-ΔADC的優勢包括高分辨率和高功率效率，並且通常還集成了濾波器
、多路複用器或輸入緩衝器等附加功能。

總結下來
，在醫療電子設備中
，通用的信號鏈器件主要包括：傳感器、放大器、濾波器和ADC。

醫用電子設備中的傳感器技術

用於診斷
、監測或治療醫學領域疾病的傳感器被稱為醫學傳感器。醫療設備中使用的傳感器主要有壓力
、氣流
、氧氣

、溫度、心率傳感等。

比如
，溫度傳感器常用於測量體溫的溫度計中。與需要大量信號處理的熱敏電阻和RTD溫度傳感器相比，常被用於體溫計的矽基數字溫度傳感器具有更高的線性度、穩定性和易用性。盡管它們的溫度範圍較窄（通常為-20℃--70℃），但這對於醫療電子設備和可穿戴設備的體溫監測來說綽綽有餘。

Analog Devices的MAX30208是一款臨床級數字溫度傳感器，溫度測量點在封裝的頂部

，便於貼著皮膚表麵放置，受自熱影響小。I2C接口允許多個傳感器的菊花鏈連接


，可在身體上的多個點位監測體溫。MAX30308測量體溫在±0.1℃以內，並包含集成信號鏈電路和32位FIFO
，以簡化與主機處理器的交互。

圖1：MAX30208評估套件MAX30208EVSYS

（圖源：Analog Devices）

TE公司的TSYS03屬於微型數字溫度傳感器
，尤其適合可穿戴設備應用。該傳感器提供經工廠校準的高準確度溫度數據
，分辨率為±0.01℃
，有TDFN8或XDFN6兩種封裝可供選擇


，還包含耐用的溫度傳感器元件、模數轉換器和微控製器。

圖2：TSYS03微型數字溫度傳感器

（圖源：TE）

壓力傳感器在醫療電子中的應用非常廣泛，可用在輸液泵、血壓計和睡眠呼吸暫停機等設備中。TE的FX29是一種緊湊型壓力傳感器，在具有毫伏、模mo擬ni或huo數shu字zi輸shu出chu信xin號hao的de堅jian固gu的de傳chuan感gan器qi係xi列lie中zhong展zhan現xian出chu了le出chu色se的de性xing價jia比bi，並bing針zhen對dui嵌qian入ru式shi力li傳chuan感gan應ying用yong進jin行xing了le優you化hua，包bao括kuo一yi次ci性xing醫yi療liao設she備bei和he健jian身shen器qi材cai。

圖3：FX29壓力傳感器

（圖源：TE）

心率傳感器也稱為心率監測器，它是一種個人監測設備，允許用戶實時跟蹤和顯示他/她的心率，該傳感器有光學和電氣兩種方式。

目前，集成式光學傳感器正在逐漸成為市場的主流，尤其是可穿戴式產品，它們更傾向於選擇這一類傳感器。ADI公司的MAX86160為集成式心率監測傳感器模塊，包括內部LED、guangdiantanceqihedizaoshengdianzidianlu
，juyougaodongtaifanweihuanjingguangyizhinengli，bingpeibeijichajiyongruanjianhekekaosuanfa
，yonghuzhixuzuishaodeshejigongzuo，jikehuodexinxifengfudeshuchu
，manzuyidong、可穿戴及智能耳戴式心率監測功能的需求。

圖4：MAX86160評估板(MAX86160EVSYS)提供經過驗證的設計，用於評估MAX86160集成心率監測傳感器模塊（圖源：Mouser）

醫療傳感器在醫療設備的安全操作中發揮著關鍵作用，那些智能醫療設備利用最新的傳感器技術，提高精度
、重複性、降低功耗和數字輸出。在醫療設備領域，非侵入式和非接觸式傳感器技術的應用範圍更加廣泛。

考慮到應用場景的特殊性，醫療傳感器在設計時需同時考慮機械和電氣兩個方麵的特性。其中，設備的耐受性（或耐用性）是(shi)首(shou)先(xian)需(xu)要(yao)考(kao)慮(lv)的(de)一(yi)個(ge)重(zhong)要(yao)特(te)性(xing)。小(xiao)型(xing)化(hua)是(shi)醫(yi)療(liao)傳(chuan)感(gan)器(qi)選(xuan)型(xing)時(shi)需(xu)要(yao)考(kao)慮(lv)的(de)另(ling)一(yi)個(ge)重(zhong)要(yao)因(yin)素(su)。高(gao)精(jing)度(du)的(de)測(ce)量(liang)是(shi)選(xuan)擇(ze)醫(yi)療(liao)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)極(ji)重(zhong)要(yao)的(de)電(dian)特(te)性(xing)指(zhi)標(biao)。由(you)於(yu)醫(yi)院(yuan)內(nei)的(de)醫(yi)療(liao)設(she)備(bei)通(tong)常(chang)需(xu)要(yao)使(shi)用(yong)5年或10年，因此，在高精度之外，傳感器的穩定性一定要高，並且測量數值要能夠長期保持高穩定性。

超實用的ECG信號鏈設計方案

信號鏈路是指一個係統中信號從輸入到輸出的路徑
，重點針對模擬信號完成收發
、轉換、放大、過濾等功能。除了上述介紹的傳感器，信號鏈模擬芯片主要包括運算放大器、濾波器
、轉換器、接口和隔離器等。下麵我們以心電圖（ECG）方案為例
，結合具體應用介紹醫療電子設備中信號鏈的設計考慮。

就監測心髒活動而言，臨床級監測器傳統上依賴於來自連接在身體上的多個傳感器的ECG信號。ECG係xi統tong通tong過guo測ce量liang活huo組zu織zhi表biao麵mian電dian位wei來lai記ji錄lu心xin髒zang在zai一yi段duan時shi間jian內nei的de電dian性xing活huo動dong，它ta使shi用yong生sheng物wu電dian位wei電dian極ji來lai拾shi取qu身shen體ti特te定ding部bu位wei的de心xin髒zang信xin號hao，兩liang個ge電dian極ji間jian的de差cha分fen電dian壓ya或huo某mou一yi電dian極ji與yu多duo電dian極ji平ping均jun電dian壓ya之zhi間jian的de差cha分fen電dian壓ya可ke在zai測ce量liang後hou顯xian示shi為weiECG輸出上的一個通道。

設計ECG係統時，需要克服各種挑戰
，例如安全、共模抑製、直流偏置、RFI(射頻幹擾)/EMC(電磁兼容性)、輸入保護和等效輸入噪底。模擬前端(AFE)的主要功能是將心髒信號數字化。由於需要抑製來自強射頻源、起搏信號
、導聯脫落信號、共模頻率
、其他肌肉信號及電噪聲的幹擾，該過程十分複雜。

通常
，AFE包括儀表放大器(INA)
、濾波器和ADC。ECG架構設計方法有兩種：交流耦合和直流耦合。今天介紹的兩個方案均屬直流耦合方案。

1►ADI心電圖解決方案

ADI公司為ECG設計提供了種類齊全的高性能線性
、混合信號
、微機電係統（MEMS）和數字信號處理技術。方案中的模擬前端使用了ADAS1000芯片，該產品為低功耗、5電極AFE，工作功率低至19mW。它將驅動放大器、交流和直流導聯脫落檢測
、屏蔽驅動以及呼吸測量、起搏器脈搏檢測所需的全部電路集成在單芯片上，噪聲極低(10μV峰峰值，0.05Hz至150Hz)。ADAS1000將有源元件數從50多個減少至僅一個
，大大簡化了5電極ECG的設計，非常適合家用、移動式和臨床ECG係統。

運(yun)算(suan)放(fang)大(da)器(qi)是(shi)線(xian)性(xing)產(chan)品(pin)的(de)基(ji)本(ben)構(gou)建(jian)模(mo)塊(kuai)之(zhi)一(yi)，在(zai)其(qi)信(xin)號(hao)處(chu)理(li)範(fan)圍(wei)內(nei)，通(tong)常(chang)可(ke)以(yi)認(ren)為(wei)是(shi)線(xian)性(xing)器(qi)件(jian)
，即(ji)增(zeng)益(yi)不(bu)隨(sui)信(xin)號(hao)的(de)幅(fu)度(du)變(bian)化(hua)而(er)變(bian)化(hua)。本(ben)方(fang)案(an)中(zhong)
，ADI采用的是AD8221/AD8226高性能儀表放大器，增益為1--1,000
，擁有高CMMR和單位增益穩定性。

圖5：ADI公司ECG係統信號鏈功能框圖

（圖源：Analog Devices）

在ADI的ECG方案中
，根據性能需要有兩種ADC可供選擇。其中的AD7691是18位1.5 LSB INL、250KSPS PulSAR差分ADC，與400 KSPS版本AD7690引腳兼容。更高分辨率、更低INL
，適合高精度采樣係統。AD7980是一款16位、1MSPS、1.5 LSB（24 ppm）PulSAR差分ADC，與18位版本AD7982引腳兼容。

2► TI心電圖解決方案

該方案可謂是一種低成本心率監測方案

，主要基於MSP430 LaunchPad Value Line開發套件（MSP-EXP430G2）。硬件係統是一塊可連接到Lanuchpad開發工具包的子板。這塊子板有模擬前端
、電池連接器
、排針等
，MSP430G2xx微控製器（MCU）
、反向通道UART以及eZ430射頻電路、USB接口等都在Launchpad上。心電圖信號在被送到MCU取樣和處理之前已經被子板放大和過濾，每分鍾心跳數據通過Lanuchpad上的反向通道UART-overUSB傳送給MCU。

圖6：MSP430 LaunchPad Value Line開發套件

（圖源：TI）

考慮到心電圖信號峰峰值僅為1mV左右
，而來自ECG主電源的50Hz至60Hzdianrongouheganraoyaobixinzangxinhaoqiangxuduo。ciwai，shentipifudejiechuzukangyijichuanganqizhijiandezukangbupipei，yehuidaozhixinhaochuxianjiaodadepianchayijigongmoyizhinenglidexiajiang。jiechuzaoshengyijidianciyuanchanshengdeganraoyeshiyigelingrentoutengdewenti。zhexieyinsuduijiancedipin、低幅的心電圖信號會帶來嚴重困擾。

為此，TI設計了一個擁有高增益
、低截止頻率的模擬前端。為達到消除共模信號同時放大輸入的心電圖信號，方案中選用的INA332儀表放大器是一個低成本的差分放大器，其共模抑製比對於頻率小於10 kHz信號為73 dB
，靜態電流為490 µA，關機電流小於1µA。

另外，該放大器還有一個專門的關機引腳，其最低工作電壓可低至2.7V。在該方案中TI選用了TLV274作為構建Sallen-Key低頻濾波器的運放。TLV274是一個四核運放，工作電流550µA/通道，最小工作電壓是2.7V，共模抑製比為58dB。利用TLV274運放做成的二階Sallen-Key濾波器
，每級的電壓增益是8.5V/V，整個模擬前端的電壓增益是10 X 8.5 X 8.5 = 722.5V/V，截止頻率是16Hz。作為一個預防措施
，在模擬前端的傳導墊上還放置了保護二極管TPD2E001，用來保護在人體靜電放電（ESD）情況下器件不受損壞。

結語

生命體征是人體基本功能的測量值
，可用於評估人體的一般身體健康狀況。隨著技術的發展，新一代的生命體征傳感器將更加小巧
、集成度更高、成本更低
，並且還可以感測多個參數，提供更精確的測量。還是以ECG為例，如今一種無需測量生物電信號就能獲得心髒功能信息的光學技術——光體積變化描記圖法（Photoplethysmography，PPG）傳感已經開發出來了，這是一種借助光電手段在活體組織中檢測血液容積變化的無創檢測方法。該技術可用在小型非侵入式可穿戴設備（如健身腕帶或手指夾脈搏血氧計），提供可接受的精度，還可以對組織狀況和器官功能進行推斷。

捕獲來自傳感器的信號以創建任何應用的信息數據，需要對信號鏈中的每個組成部分有良好的理解。從傳感器開始，一直到放大器和ADC，每mei一yi個ge元yuan器qi件jian的de選xuan擇ze都dou非fei常chang重zhong要yao。可ke喜xi的de是shi，目mu前qian市shi場chang上shang已yi經jing有you很hen多duo單dan芯xin片pian模mo擬ni前qian端duan可ke供gong選xuan用yong
，它ta們men能neng有you效xiao簡jian化hua設she計ji並bing縮suo短duan醫yi療liao電dian子zi產chan品pin的de上shang市shi時shi間jian。

醫療電子是醫療器械行業極其重要的一部分。它以現代電子技術和半導體技術為基礎，為專業的臨床診斷
、治療、生化分析、監測、康複提供助力。根據MarketWatch的最新數據，預計到2028年，全球醫用電子產品市場規模將從2021年的1,617.3億美元增至2,203.7億美元，2022-2028年的複合年增長率為4.7%。糖尿病
、癌症
、心(xin)血(xue)管(guan)疾(ji)病(bing)和(he)慢(man)性(xing)阻(zu)塞(sai)性(xing)肺(fei)病(bing)是(shi)醫(yi)療(liao)電(dian)子(zi)產(chan)品(pin)大(da)量(liang)使(shi)用(yong)的(de)主(zhu)要(yao)領(ling)域(yu)

，是(shi)推(tui)動(dong)市(shi)場(chang)增(zeng)長(chang)的(de)關(guan)鍵(jian)因(yin)素(su)。與(yu)簡(jian)單(dan)的(de)醫(yi)療(liao)保(bao)健(jian)器(qi)具(ju)不(bu)同(tong)
，醫(yi)療(liao)電(dian)子(zi)產(chan)品(pin)開(kai)發(fa)難(nan)度(du)高(gao)
，但(dan)附(fu)加(jia)值(zhi)大(da)，市(shi)場(chang)前(qian)景(jing)廣(guang)闊(kuo)，正(zheng)被(bei)越(yue)來(lai)越(yue)多(duo)的(de)行(xing)業(ye)企(qi)業(ye)所(suo)重(zhong)視(shi)。

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