借助灵活的 AFE、运动控制技术及认证芯片，来打造床旁诊断系统

床旁 (PoC) 医疗检测的转型浪潮正从实验室转向临床诊室、社区医疗机构乃至家庭。这种转型有会加快诊断速度，从而加快病人护理、改善疗效和降低成本。

要实现 PoC，首先要使用具有先进模拟前端 (AFE) 的多功能应用优化型集成电路，以便与各种生物传感器连接，进行必要的数据采集测量。每个 IC 都必须满足复杂的电化学、生物和相关测量的独有特性要求，包括精度、低功耗和高度集成的功能等。成功的最终产品都具有性能卓越、灵活性高和可升级等特点，有助于实现具有前瞻性的平台。这些产品还必须配备流畅精准的运动控制及认证 IC，以保障数据准确性及隐私安全。

本文将探讨向 PoC 的大转型及其对设计的影响，然后描述广泛使用的 AFE 测量场景，介绍 Analog Devices 可满足 PoC 测量、运动控制和验证要求的灵活解决方案。

为什么现在需要 PoC？

推动 PoC 和样本处理需求的因素很多，其中就包括改善个人健康状况所需的快速医疗诊断。监管法规鼓励甚至强制要求进行更多的检测。目前还有一种趋势，即进行诊所或家庭等就近 PoC，以尽量减少对患者的影响、降低费用并节省时间。因此，这类系统需要采用简单易用但功能强大的仪器设备来实现这些目标。

对于此类系统的设计者来说，AFE、运动控制和身份验证 IC 提供了一种中间接口，能够将患者体液、生命体征与捕获、记录、评估和报告来自各种传感器的结果数据所需的系统直接连在一起。这些器件是构建电化学和光学诊断解决方案的基石，并且需要这类解决方案既能提供测量引擎以兼容各种各样的生物传感器和化学物质，又能实现一个可使用软件升级的平台。

图 1：模拟和相关电子设备充当了病人生命体征和体液及相关 PoC 仪器和数据系统之间的重要联络接口。（图片来源：Analog Devices）

以应用为导向的多样化 IC 应能应对各种挑战

我们用一些例子可以清楚地说明这种情况：

示例 1：光学荧光检测 (FLD)：

通过这项技术，研究人员能够研究细胞或组织内生物成分的分布、定位和相互作用，从而详细了解标准光学显微镜通常无法观察到的细胞过程和功能。这项术使用荧光诱导荧光团，而不是基于光学吸收、散射或反射原理工作。

荧光体吸收特定波长的光，将其中一些电子激发到更高的能量状态。当电子回到基态时，荧光团会以较长的特征发射波长发光。通过对发射的荧光进行检测、分析，可实现生物结构的高对比度分子级可视化。

更先进的 LED 加光电传感器系统为我们提供了更多的性能和功能。有一些专为这些应用量身打造的 IC，如 MAX86171 （图 2，上）。这是一个具有发送和接收通道的超低功耗光学数据采集系统。尽管其内部十分复杂，但在应用中也只需配置几个分立元件（图 2，下）。

图 2：MAX86171 多通道、超低功耗、光学数据采集系统（上图）利用其高度集成的内部功能简化了外部接线以及对无源辅助元件的需求（下图）。（图片来源：Analog Devices）

在发射器侧，MAX86171 配备 9 个可编程 LED 驱动器输出引脚，分别连接 3 个大电流 8 位 LED 驱动器。在接收器侧，该 IC 配备两个低噪声、电荷集成前端和环境光消除 (ALC) 电路，从而形成了一个基于光学的、高度集成的高性能数据采集系统。

对于需要较少光通道的设计，可采用 MAX86178ENJ+ 器件，这是一款超低功耗、临床级生命体征 AFE，最多可支持六个 LED 和四个光电二极管输入。

请注意，医疗应用的性能指标和优先级有别于光学数据通道等非医疗情况。由于光水平通常相对较低，因此光学前端的绝对本底噪声是关键参数，而非信噪比 (SNR)。

尽管在生物医学领域，信号带宽和采样率通常非常低，且相关参数不会以数千赫兹的速率变化，但患者生理系统的复杂模拟特性和信号本身，要求我们在技术规范中设定不同的优先级。这些特性包括高灵敏度、宽动态范围和低噪声，以便成功应对不断变化的操作环境。在这种环境下，病人的皮肤和内脏器官会不断移动，即使轻微移动也会导致会接触面积和接触力发生变化。此外，这些特性还会受各种干扰和变化的影响，使问题变得更加复杂。

为满足应用要求，MAX86171 的动态范围介于 91 和 110 分贝 (dB) 之间，具体取决于测试布局，其分辨率为 19.5 位，暗电流噪声小于 50 皮安 (pA) (有效值)，且 120 赫兹 (Hz) 下环境光抑制系数优于 70 dB。

示例 #2：电位计、安培计、伏安法和阻抗测量：

现在，电气工程师可通过各种各样的标准仪器熟练测量电压、电流和阻抗以及其相互关系。然而，这些测量在化学和生物环境中有独特的要求和限制，并呈现出不同的场景：

• 电位测定法：使用恒电位仪测量两个电极之间的电位，以确定溶液中的物质浓度
• 安培计：使用电流测定装置，根据电流或电流变化检测溶液中的离子
• 伏安法：在工作电极上施加一条随时间变化的特定电压曲线，并测量系统产生的电流，通常使用恒电位仪进行测量。
• 阻抗：测量皮肤和身体的电压电流关系

为了评估这些参数，可采用大小为 3.6 × 4.2 毫米 (mm) 的 AD5940 56 球 WLCSP（图 3）。这款低功耗 AFE 具有多种功能和接口，专为诸如安培、伏安或阻抗测量等需要高精度电化学技术的便携式应用而设计。

图 3：AD5940 AFE 集成了精密型低功耗安培、伏安或阻抗测量所需的各种复杂功能。（图片来源：Analog Devices）

AD5940 具有两个激励环路和一个通用测量通道。第一个环路由一个双输出串、一个数模转换器 (DAC) 和一个低噪声恒电位仪组成，可产生 0 Hz 至 200 Hz 的信号。

DAC 的一个输出控制恒电位仪的非反相输入，另一个输出控制跨阻放大器 (TIA) 的非反相输入。第二个环路由一个 12 位 DAC 组成，能够产生高达 200 千赫兹 (kHz) 的激励信号。

在输入侧，有一个 16 位、每秒 800 千次采样 (kS/s) 的模数转换器 (ADC)，带有输入缓冲器、抗混叠滤波器和可编程增益放大器 (PGA)。多路复用器为外部电流和电压输入选择输入通道，为供电电压、芯片温度和基准电压选择内部通道。

电流输入端包括两个 TIA，具有可编程增益和负载电阻，可用于测量不同类型的传感器。第一个 TIA 测量低带宽信号，第二个 TIA 测量高达 200 kHz 的高带宽信号。

使用这种高集成度和多功能 IC 的用户，能够受益于超越芯片本身的评估套件。对于 AD5940 来说，EVAL-AD5940BIOZ 心电图 (ECG/EKG) 传感器 Arduino 平台评估扩展板提供了一个熟悉的开发环境（图 4）。由于可以通过软件升级，因此当增加新的测试要求时，该套件还有助于实现面向未来的设计。

图 4：EVAL-AD5940BIOZ 心电图 (ECG/EKG) 传感器 Arduino 平台评估扩展板简化了在进行微弱低电平测量时，使用和评估 AD5490 所面临的挑战。其中，AD5490 专门用于进行微弱低电平测量。（图片来源：Analog Devices）

每块 AD5940 评估板都针对一个特定的终端应用测量目标。类似 Arduino 的电路板通过 SPI 外设对 AD5940 进行配置并与其通信。用于测量的图形用户界面 (GUI) 工具具有绘图和数据采集功能，可用于初始评估。许多用嵌入式 C 语言编写的示例项目都包含如何设置编程环境和运行示例的具体说明。

示例 #3：数据验证：

数据被存储在不同的地点，并使用无线近场通信 (NFC) 链路进行传输，这就产生了数据真实性问题，甚至是重复使用、滥用和伪造样本或药筒的风险。

为了解决这些问题，可以采用 MAX66250 安全验证器（图 5，上图），这款器件提供了强大的应对措施，会对所有存储数据采取加密保护，以防被发现。该器件兼容支持 NFC 的嵌入式系统（图 5，下图），在这种系统中，未经授权的访问风险更高。

图 5：MAX66250 安全验证器（上）可实现多级高级数据安全并提供验证支持；该器件还集成了用于无线数据传输的 NFC 接口（下）。（图片来源：Analog Devices）

安全验证器将符合 FIPS 202 标准的安全哈希算法 (SHA-3) 质询和响应验证与安全 EEPROM 整合在一起。该器件提供了一组源自集成块的核心加密工具，包括了 SHA-3 引擎、256 位安全用户 EEPROM、仅递减计数器和唯一的 64 位 ROM 识别号 (ROM ID)。唯一的 ROM ID 用作进行加密操作的基本输入参数，也可用作应用内的电子序列号。该器件通过符合 ISO/IEC 15693 标准的射频接口进行通信。

对于有线链路，DS28E16Q+U 单线安全 SHA-3 验证器提供与 MAX66250 相同的加密工具，并包括唯一的 ROM ID。

示例 #4：运动/电机控制：

许多 PoC 器件和工作站都需要精密控制运动，以便在工作站之间传送试纸或试管、混合和转移试剂、添加或释放精准定量的液体以及进行移液操作。这些应用通常需要精确的微步进运动、平稳的停止、启动和斜坡生成，以实现高分辨率和无振动，从而实现快速、精确、可靠、安静、可重现的节能型运动。

带有串行通信接口的 Trinamic TMC5072-LA-T 单/双通道步进电机控制器和驱动器 IC（图 6，上图）非常适合这些应用。并联运行时，每个电机的线圈电流驱动能力为 1.1/1.5 安培 (A) 峰值，单个电机为 2.2/3 安培 (A) 峰值。

对于基本操作，配套的 TMC5072-BOB 评估套件（图 6，下）包括一个板载 MC5072，并通过单线通用异步接收器/发送器 (UART) 连接到 Arduino Mega。图形用户界面 (GUI) 用于轻松设置参数、实时可视化数据以及开发和调试独立应用。

图 6：TMC5072-LA-T 单/双通道步进电机控制器和驱动器 IC（上）可实现高精度性能和平稳运行，并配套 TMC5072-BOB 评估套件（下）为其提供支持。（图片来源：Analog Devices）

TMC5072 结合了用于自动目标定位的灵活斜坡发生器，并可实现无噪音运行、最高效率和高电机扭矩。7 × 7 mm IC 具有更多先进功能：

• stealthChop2™ 静音工作和平稳运动
• SpreadCycle 高动态电机控制斩波器
• dcStep™ 负载相关速度控制
• stallGuard2™ 高精度无传感器电机负载检测
• 可实现高达 75% 节能的 CoolStep™ 电流控制

当然，单个运动控制器件并不能满足所有 PoC 系统的需求，无论其功能多么强大和丰富。因此，Analog Devices 为 PoC 提供了各种与电机相关的 IC 和辅助功能器件，具体包括

• TMC4671-LA：集成伺服控制器，为无刷直流电机/永磁同步电机（BLDC/PMSM）和两相步进电机提供面向现场的控制器（FOC）
• TMC4671-LEV-REF：带 BLDC 伺服驱动器的 TMC4671 参考设计
• TMC5240ATJ+T：带串行通信接口的智能、高性能步进电机控制器和驱动器 IC（TMC5072 的单轴版）
• TMC4361A-LA-T ：步进电机驱动器的运动控制器，可在需要快速且加速限制的运动曲线应用中提供 S 形斜坡
• TMC2240ATJ-T：智能集成步进驱动器，带步进/方向和 SPI 接口。

结语

在多种因素的共同作用下，许多医疗检测和评估都在向更本地化、反应更快的 PoC 模型发展。如 AFE、运动控制和身份验证等高度集成、注重应用的 IC 促成了这一趋势。Analog Devices 可提供多种高性能、低功耗器件供选择，这些器件针对这些应用进行了优化，能够满足相应的技术和法规要求。这些器件还具有前瞻性平台所需的灵活性和可升级性。

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